綜放工作面膏體充填條帶開采研究

朱萌萌，梁嘯塵，任 禹，張 恒

(1.安徽理工大學(xué)采礦工程系， 安徽淮南市 232001;2.山東省新汶礦業(yè)集團(tuán)水簾洞煤礦， 陜西咸陽市 712000)

隨著煤礦開采深度逐步轉(zhuǎn)向增大，淺部煤層多為“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)壓煤及留設(shè)的煤柱。利用條帶開采與充填相結(jié)合的方法可解決壓煤的問題。條帶充填時，充填材料能夠及時減小頂板巖層的自由活動空間，降低覆巖下沉變形量，可以減小開采對地表沉陷的影響［1-2］，保證建筑物安全，同時可為企業(yè)創(chuàng)造一定的經(jīng)濟(jì)效益。

1 開采地質(zhì)條件

某礦開采3煤層，煤層厚度6.5～7.3 m，平均6.8 m;煤層傾角5°～10°。煤層底板標(biāo)高為 －260～－380 m，煤層埋深300～420 m，壓煤面積大。2811工作面采用綜放開采，直接頂以粉砂巖為主，平均厚度2.04 m，次為泥巖，平均厚2.54 m，直接底以泥巖為主，平均厚1.45 m，次為粉砂巖和細(xì)砂巖。

2 條帶充填開采技術(shù)分析

2.1 合理滯留煤柱尺寸

條帶開采后，煤柱處于相對分割的狀態(tài)，在頂板的壓力下，承受來自頂板的壓力，在其邊緣遭受破壞后會形成一定范圍的“屈服區(qū)”，如圖1所示。

煤柱中央部分相對穩(wěn)定、承載的區(qū)域稱為“核區(qū)”S［3］。而只有保留煤柱寬度在屈服帶寬度的兩倍以上時，就會存在核區(qū)。

式中:m—開采厚度，m;

H—開采深度，m。

圖1 煤柱合理承載寬度計算原理

2811工作面埋深H為390 m，開采厚度m為2.0m時，安全的窄煤柱寬度應(yīng)大于7.65 m;開采厚度為3.4 m時，安全的窄煤柱寬度應(yīng)大于12.99 m;開采厚度為4.0 m時，安全的窄煤柱寬度應(yīng)大于15.28 m;開采厚度為7.0 m時，安全的窄煤柱寬度應(yīng)大于26.76 m。

由于待回收的條帶遺留煤柱寬度為約60 m，掘巷期間的煤柱最小寬度為44 m，開采寬度較大，均大于安全開采寬度，且開掘兩側(cè)回采巷道后中間煤柱的寬度仍然大于安全開采寬度，因此遺留的條帶煤柱穩(wěn)定性較好，可進(jìn)行開采。

2.2 充填體承受載荷計算

滯留條帶煤柱開采后，按照采空區(qū)上覆巖層重力全部轉(zhuǎn)移到充填體上，并與之共同形成一個“頂板－充填體－底板”圍巖穩(wěn)定體系［4－5］。充填體所受載荷計算模型見圖2，圖中陰影部分即為煤柱承受上覆巖層重力的計算范圍。

對于圖2(a)，充填體承擔(dān)其正上方及其兩側(cè)各一半采空區(qū)上的巖層重力。對于圖2(b)、(c)，充填體承擔(dān)其正上方及其兩側(cè)各一部分采空區(qū)上的巖層重力。其中，圖2(b)稱為超臨界狀態(tài)，圖2(c)稱為亞臨界狀態(tài)。一般認(rèn)為，當(dāng)We/H＞2tanθ或We＞0.6H，為超臨界狀態(tài);當(dāng) We/H ＜2tanθ或 We＜0.6 H，為亞臨界狀態(tài)。

對于圖2(a)所示最危險狀態(tài)，載荷計算式為:

式中，γ——煤柱上覆巖層平均容重，取 0.025 MPa/m;

H——平均采深，取380 m;

圖2 充填體受載計算模型

We——煤層采出條帶寬度，取50 m;

Wp——條帶煤柱寬度，取60 m。

對于圖2(b)所示超臨界狀態(tài)，載荷計算式為:

對于圖2(c)所示亞臨界狀態(tài)，載荷計算式為:

滯留煤柱充填開采后，按照采空區(qū)上覆巖層重力全部轉(zhuǎn)移到充填體，充填體承擔(dān)其上方及其兩側(cè)各一半的采空區(qū)上的巖層重力。此狀態(tài)承受載荷最大，也最為危險狀態(tài)。此狀態(tài)充填體所受載荷計算式為:

代入數(shù)據(jù)，可得危險狀態(tài)下充填體所受載荷17.4 MPa，超過承載能力后，充填體會被破壞。

2.3 充填體容許載荷計算

膏體充填開采后，充填體處于單向受力狀態(tài)。理論上，單軸應(yīng)力狀態(tài)下的煤體容許強(qiáng)度［σ］的計算公式有4種［6］:分別是 Obert－Kwvall/Wang公式(適用于寬高比為1～8的煤柱)、Holland公式(適用于寬高比為2～8的煤柱)、Salamon－Mnuro公式以及Bienia wski公式。

由Bienia wski公式可知，滯留條帶煤柱開采后，充填體容許強(qiáng)度［σ］的可由下式計算:

w/h——煤柱寬高比;

n當(dāng) w/h＞5時取1.4。

根據(jù)2811工作面條件，膏體充填工作面寬度為48 m，采高為6.4 m 計算，w/h=7.5 ＞5，n 取1.4，參照條帶煤柱強(qiáng)度穩(wěn)定性評價方法［7］，所以充填體容許強(qiáng)度計算公式為:

按照Bienia wski計算式，代入1312工作面充填開采條件參數(shù)，即煤層埋深平均390 m，厚度平均3.2m，煤柱寬度為60 m，充填體最小寬度44 m，按照保守估計取1312工作面左右兩側(cè)采空區(qū)寬度50 m，得出充填開采時充填材料的28 d強(qiáng)度大于2.0 MPa即可實現(xiàn)充填體的長期穩(wěn)定，此時安全系數(shù)達(dá)到3.0。

3 膏體配比及強(qiáng)度試驗

3.1 膏體材料的抗壓強(qiáng)度

選用合理的矸石破碎設(shè)備，使得矸石的破碎粒徑小于10 mm，其中小于4.75 mm顆粒含量占80%以上，80 μm以下的顆粒含大于15%，根據(jù)膏體輸送性能及充填體強(qiáng)度設(shè)計要求，破碎的矸石中細(xì)粒度物料可取代粉煤灰做集料，所以只需將破碎的煤矸石、膠凝結(jié)料和水按比例混合攪拌即可得到合格的充填膏體。

圖3(a)、(b)分別是膏體膠結(jié)料和在普通水泥不同用量的條件下煤矸石膏體充填材料強(qiáng)度實驗結(jié)果。膏體膠結(jié)料的摻量在120～240 kg/m3之間，普通水泥的摻量在240～400 kg/m3之間，摻量越大，充填材料各齡期抗壓強(qiáng)度越高。對比膏體膠結(jié)料與普通水泥作為膠凝材料的膏體強(qiáng)度，兩者用量相同時(240 kg/m3)，膏體膠結(jié)料8 h強(qiáng)度達(dá)到0.10 MPa以上，普通水泥8 h無法拆模，無強(qiáng)度，而膏體膠結(jié)料的28 d強(qiáng)度是普通水泥的2.09倍，達(dá)到了8.39 MPa。再比較兩者的各齡期強(qiáng)度，膏體膠結(jié)料用量在普通水泥一般的情況下即達(dá)到了與普通水泥膏體材料相同的強(qiáng)度。

圖3 各材料用量與充填材料抗壓強(qiáng)度關(guān)系

3.2 煤矸石膏體材料的應(yīng)力－應(yīng)變特征

圖4是不同膏體膠結(jié)料用量下的試件28 d單軸應(yīng)力－應(yīng)變曲線。試件的一般破壞機(jī)理可以概括為:首先是粗骨料和膠結(jié)材料的界面及膠結(jié)材料的內(nèi)部形成微裂紋;應(yīng)力增大后，微裂紋逐漸的延伸和擴(kuò)展，并連通成宏觀裂紋，試件承載力大大下降［8］。從圖4的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出，試件具有良好的彈性變形能力，煤矸石膏體材料破壞前的變形很小，不超過2%，壓縮率不大于3%。

為保證充填體抗壓強(qiáng)度能滿足工程需要，相應(yīng)的配比為:膏體膠結(jié)料200～250 kg/m3;煤矸石1100～1300 kg/m3;煤礦井水400～420 kg/m3。

4 工程實踐

開采煤層平均厚為6.8 m，而充填支架的最大高度為3.8 m，因此需分層充填開采。確定2811工作面分2層充填開采，分層采厚為3.2 m。先采頂分層，后采底分層。

根據(jù)2811工作面的特點，設(shè)立2條觀測線來監(jiān)測地表沉降。

圖4 試塊28 d應(yīng)力－應(yīng)變曲線

對應(yīng)的參數(shù)為:地表下沉系數(shù)q=0.08;水平移動系數(shù)b=0.24;主要影響角正切 tanβ=1.67;開采影響傳播角 θ=86.6°，見圖5。

圖5 傾向剖面示意

經(jīng)過觀測確定，2811面充填開采期間地表變形最大值為115 mm。

5 結(jié)論

(1)“三下”壓煤時，易留設(shè)條帶煤柱。進(jìn)行條帶充填開采時，滯留條帶煤柱寬度要大于安全開采寬度，以保證其穩(wěn)定性。

(2)充填體承受上覆巖層的部分壓力，所受載荷必須介于容許載荷與最大承受載荷之間，才能保證其安全性。

(3)破碎煤矸石、膠凝結(jié)料和水按比例混合攪拌成的充填膏體抗壓強(qiáng)度大，彈性變形強(qiáng)，優(yōu)于普通水泥膠結(jié)充填料，且取料方便、操作簡單。

(4)充填開采，既減小開采對地表沉陷的影響，又提高資源利用率。

［1］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［2］何國清，楊 倫，等.礦山開采沉陷學(xué)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

［3］孫希奎.利用矸石充填置換開采條帶煤柱的新技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報，2008，33(3):259-263.

［4］劉同有.充填采礦技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2001.

［5］趙才智.煤礦新型膏體充填材料性能及其應(yīng)用研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)，2008.

［6］許家林，軒大洋，朱衛(wèi)兵.充填采煤技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］.采礦技術(shù)，2010，11(3):24-29.

［7］李興尚.建筑物下條帶開采冒落區(qū)注漿充填減沉技術(shù)的理論研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)，2008.

［8］徐乃忠，張玉卓.覆巖離層注漿控制地表沉陷技術(shù)的應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2000，28(9):1-3.