薄煤層墩柱充填采煤試驗(yàn)研究

王向宏 王撈撈

（1.淄博市王莊煤礦有限公司，山東 淄博 255400； 2.中國礦業(yè)大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116）

1 墩柱充填法采煤技術(shù)原理

關(guān)鍵層控制著局部和整體覆巖的破斷運(yùn)動(dòng)，軟弱巖層隨關(guān)鍵層破斷回轉(zhuǎn)同步協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)，主關(guān)鍵層破斷將導(dǎo)致整體運(yùn)動(dòng)下沉，采動(dòng)裂隙貫通至地表并形成地表沉陷。所以若能控制關(guān)鍵層的破斷運(yùn)動(dòng)將可以控制整體覆巖的運(yùn)移，墩柱充填開采技術(shù)[1]就是基于此理念設(shè)計(jì)的。

堅(jiān)硬頂板條件下采空區(qū)后留有較長懸頂，緊跟工作面推進(jìn)速度，按設(shè)計(jì)間隔在采空區(qū)安置充填布袋，然后在布袋內(nèi)充填漿體膨脹材料使其與頂板充分接觸。在充填材料凝固后形成主動(dòng)支承的密集墩柱群，墩柱群與堅(jiān)硬頂板共同承載上覆載荷，保證關(guān)鍵層不破斷。如圖1 所示。

由于采動(dòng)裂隙由煤層頂板向上逐層發(fā)育，覆巖在關(guān)鍵層控制作用下呈臺(tái)階式破斷下沉，所以當(dāng)墩柱群支承頂板不破斷時(shí)，采動(dòng)裂隙將不會(huì)繼續(xù)向上延伸，覆巖也因無下沉空間而保持穩(wěn)定，從而控制地表沉陷。為實(shí)現(xiàn)王莊煤礦地表減沉控制，特在該礦區(qū)應(yīng)用墩柱充填開采技術(shù)。

圖1 墩柱充填開采技術(shù)原理示意圖

2 試驗(yàn)礦井概況

王莊煤礦位于我國山東省淄博市臨淄區(qū)，在采煤層為4號(hào)煤層，煤層厚度為0.7～0.86m，平均0.82m，埋深為127m，煤層傾角約為6°，屬于近水平煤層。由采區(qū)內(nèi)8～15 號(hào)鉆孔柱狀圖判別關(guān)鍵層賦存層位，如表1 所示。煤層頂板為厚度1.36m 的細(xì)砂巖，經(jīng)判別為亞關(guān)鍵層，覆巖中共有四層亞關(guān)鍵層，一層主關(guān)鍵層。

表1 關(guān)鍵層判別結(jié)果

3 墩柱充填開采的物理模擬試驗(yàn)

為研究墩柱充填開采技術(shù)用于王莊煤礦地表減沉的可行性，本章將通過二維物理模擬試驗(yàn)?zāi)M墩柱充填時(shí)的覆巖下沉量。

試驗(yàn)設(shè)計(jì)尺寸相似比為1:50，所鋪設(shè)模型尺寸為160cm×40cm×120cm，模擬走向推進(jìn)方向320m范圍內(nèi)的地表下沉。模型的容重相似比為1:1.56，應(yīng)力相似比為1:1.78。配料以河沙為骨料，與碳酸鈣、石膏和水按照一定比例均勻混合制成。

開挖模型前，在各巖層上各布置一條測線，分 別 編 號(hào) 為CX-KS1、CX-KS2、CX-KS3 和CXPKS，與各關(guān)鍵層編號(hào)相對應(yīng)。每條測線上每隔5cm 布置一個(gè)測點(diǎn)，單條測線上共布置31 個(gè)測點(diǎn)，如圖2 所示。開挖過程中用高速攝像機(jī)拍攝記錄每次開挖步距結(jié)束后的關(guān)鍵層位移狀態(tài)，將開挖模型時(shí)的照片導(dǎo)入DigiMetric 三維攝影測量系統(tǒng)與未開挖時(shí)的照片做圖像對比，計(jì)算出每個(gè)測點(diǎn)的位移變化量，然后繪出每層關(guān)鍵層的位移曲線。

圖2 測線布置圖

測量系統(tǒng)調(diào)試無誤后開始回采模型。在模型兩側(cè)各留15.5cm 邊界煤柱，以6cm 為開挖步距從左向右逐步開挖。首先從模型左端開挖12cm 的開切眼，然后開挖7.5cm，在緊靠工作面處安置預(yù)制好的墩柱模塊。接下來重復(fù)以上開挖步驟，即開挖6cm →開挖6cm →靜置20min →開挖7.5cm →靜置20min →安置墩柱模塊。

由 文 獻(xiàn)[2-3]計(jì) 算 得 出 墩 柱 尺 寸 為7.5cm×7.5cm×2.0cm，單次充填墩柱個(gè)數(shù)為2 個(gè)，平行于工作面方向排開，墩柱傾向間距為12.0cm，走向間距為12cm，墩柱距離工作面端頭6.5cm。

按照以上開采步驟回采至左端煤柱邊界后，共充填了6 組墩柱。將巖層基本下沉穩(wěn)定后的照片與未開挖時(shí)的照片導(dǎo)入測量系統(tǒng)計(jì)算各巖層下沉值，繪制巖層下沉曲線，如圖3 所示。關(guān)鍵層4 的最大下沉值為2.5mm，其下沉系數(shù)為0.125，小于一級(jí)農(nóng)村建筑物破壞標(biāo)準(zhǔn)0.15。

圖3 巖層下沉位移曲線

以上試驗(yàn)結(jié)果表明，采用墩柱充填開采控制王莊煤礦地表減沉是可行的，特在王莊煤礦27401 工作面開展工業(yè)試驗(yàn)。

4 工業(yè)性試驗(yàn)

4.1 漿體膨脹材料性質(zhì)

充填材料凝固膨脹是墩柱充填開采技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該技術(shù)對充填材料特性有如下要求：（1）在充填前能以水為載體運(yùn)輸至采空區(qū)；（2）能在充填后短時(shí)間內(nèi)凝固并達(dá)到支承強(qiáng)度要求；（3）充填后能夠自發(fā)膨脹使墩柱與頂板充分接觸。以下將介紹漿體膨脹充填材料的配料組成和膨脹原理。

充填材料由石膏、石灰、水泥、粉煤灰、水和添加劑制成，添加劑的主要成分是氧化鈣和氧化鋁。首先按設(shè)計(jì)比例將石膏、石灰、水泥、粉煤灰和水混合攪拌均勻制成漿體，然后在充填漿體中混入定量的添加劑制成充填材料，最后將充填漿體通過管路從井口運(yùn)輸至采空區(qū)。

經(jīng)測試，漿體會(huì)在加入添加劑5h 后初步凝固，在14h 后幾乎完全凝固。因此，在加入添加劑后必須馬上將充填漿體運(yùn)輸至采空區(qū)并充填進(jìn)墩柱布袋中。在漿體和添加劑混合攪拌時(shí)會(huì)在漿體中生成氣體，由于漿體的流變特性，氣泡會(huì)懸浮于氣體生成位置，既不上浮逸出漿體，也不與其他氣泡匯合。因此，墩柱布袋體積在充填后會(huì)逐漸膨脹，從而充分支承頂板。

充填漿體凝固后其承載能力必須長期保持穩(wěn)定，從而消除工后災(zāi)害隱患。因此，以下將對充填漿體試件的力學(xué)特性進(jìn)行測試。按照建筑砂漿試件標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度測試方法制作粉煤灰質(zhì)量濃度為45%的試驗(yàn)樣品，分別灌制添加劑占比為8%、10%和12%的試件，其尺寸均為40mm×40mm×160mm，制成后密封養(yǎng)護(hù)。設(shè)計(jì)測定齡期為1d、3d、7d、14d、28d、60d，分別測試三種試件的抗壓強(qiáng)度變化，測試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 充填漿體試件抗壓強(qiáng)度測試曲線

由圖4 可知，三種試件的抗壓強(qiáng)度在60d 后能達(dá)到8MPa 以上且保持穩(wěn)定。經(jīng)計(jì)算，工作面覆巖載荷為2.81MPa，故以上三種配比的墩柱均能與關(guān)鍵層共同支承覆巖載荷和控制地表下沉。

4.2 墩柱充填開采現(xiàn)場試驗(yàn)

試驗(yàn)地點(diǎn)27401 工作面寬度為80m，在采空區(qū)沿工作面傾向方向每排布置15 個(gè)墩柱，墩柱尺寸為6m×2m×1m，墩柱間隔為4m。

首先在采空區(qū)內(nèi)布置單體支柱和頂梁支撐頂板，然后按設(shè)計(jì)布局布置充填布袋，并向布袋內(nèi)充填漿體，漿體粉煤灰濃度為45%，添加劑濃度為12%。在墩柱內(nèi)漿體凝固膨脹后回撤立柱，至此，一個(gè)充填循環(huán)結(jié)束。

工作面回采前在其對應(yīng)地表布置兩條測線，用于監(jiān)測墩柱充填開采后的地表下沉。一條測線沿工作面走向布置，共設(shè)置22 個(gè)觀測點(diǎn)，編號(hào)分別為N0、N1、……、N21，基準(zhǔn)點(diǎn)間距50m，測點(diǎn)間距約25m，測線總長度約575m。另一條測線沿工作面傾向布置，共設(shè)置15 個(gè)觀測點(diǎn)，編號(hào)分別為E0、E1、……、E14，基準(zhǔn)點(diǎn)間距50m，測點(diǎn)間距約25m，測線總長度約400m。

在工作面充填開采6 個(gè)月后地表已經(jīng)穩(wěn)沉，測量各個(gè)測點(diǎn)位移變化并繪制位移曲線，如圖5 所示。地表最大下沉值為48mm，地表下沉系數(shù)為0.057。

圖5 地表移動(dòng)值監(jiān)測結(jié)果

磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)為地表下沉系數(shù)小于0.15。以上工程試驗(yàn)表明，各項(xiàng)地表移動(dòng)值均符合建筑物損壞等級(jí)一級(jí)規(guī)定值，墩柱充填開采技術(shù)有效控制了地表移動(dòng)變形。

5 結(jié)論

（1）模擬試驗(yàn)和現(xiàn)場試驗(yàn)均表明墩柱充填開采能夠有效控制地表沉陷，其地表移動(dòng)變形值均小于變形允許值。這對薄煤層堅(jiān)硬頂板條件下的地表減沉具有參考價(jià)值。

（2）墩柱充填開采技術(shù)有效控制了王莊煤礦地表下沉，之后將在27403 工作面和27404 工作面繼續(xù)應(yīng)用墩柱充填開采技術(shù)，進(jìn)一步研究其地表控制作用。