厚煤層留巷分層膏體充填開采技術研究

郭子程，宋光遠，冉德旺，宋廣達

(1.山西高河能源有限公司，山西 長治 046100；2.徐州中礦大貝克福爾科技股份有限公司，江蘇 徐州 221116 ; 3.山西中礦充填科技有限公司，山西 長治 046699)

目前我國對于厚煤層的開采主要采用綜采放頂煤開采和一次采全高開采，但是無論是綜采放頂煤還是一次采全高都會對地表產生較大的采動影響，無法開采“三下”壓煤資源[1]。因此提出了厚煤層分層留巷膏體充填開采方法。

國內外學者在沿空留巷技術上做了大量的研究，目前主要有巷旁支護、巷內支護、加強支護以及最新的膏體充填技術[2]。目前分層膏體充填開采主要有上向充填開采和下向充填開采兩種順序，但是在現有的研究中還缺乏下向分層膏體充填和沿空留巷相結合的研究。

因此采用分層膏體充填開采技術和沿空留巷相結合的方式，從分層開采順序、分層工作面布置、沿空留巷布置方法等方面進行研究，確定膏體材料的強度，從巷道圍巖變形和地表變形兩方面驗證了技術方案的可行性。

1 工程概況

高河能源有限公司于2012年建成投產，“三下”壓煤問題十分突出，全礦井田區域擁有保護村莊區域38處，長子縣宋村工業園，S326省道、太焦鐵路和高河運煤鐵路專用線等建筑物散落在井田中間，全礦“三下”壓煤總量多達3.72億t。 E1302充填工作面走向長度為390 m，傾向長度為230 m。工作面煤層埋深約420 m，平均煤層厚度6.38 m，煤體普氏硬度系數f=0.7，3號煤層頂板為泥巖、砂質泥巖、粉砂巖，局部為砂巖。底板為黑色泥巖、砂質泥巖、細粒砂巖砂巖。E1302充填工作面為原E1302綜放工作面的村莊邊界保護煤柱區域，為了保證技術的可行性，先在此區域進行充填試驗，取得成功后再在其他壓煤區域進行推廣。

2 分層充填開采方案

2.1 分層開采順序

分層充填開采按照以往的厚煤層開采經驗可以分為上向充填開采和下向充填開采兩種順序[3-4]。

高河能源3號煤層普氏硬度系數f=0.7，煤體節理裂隙發育、松軟，如采用上向充填開采，先采的底分層工作面全部為煤層直接頂板，工作面內煤體在支架的反復支撐作用下，容易產生破碎漏頂。如果發生比較嚴重的頂煤冒漏，將會增加充填隔離難度，加大充填前頂板下沉量，影響充填采煤效率和控制地表沉陷效果。

如果采用下向充填開采，先行開采的頂分層工作面的頂板將為泥巖，泥巖的普氏硬度系數f=1.4，經過取樣試驗，泥巖的單軸抗壓強度可以達到18.1～42.2 MPa，雖然也比較軟弱，相對3號煤層而言，泥巖直接頂板強度約是煤體強度1倍。

因此，采用下向充填開采順序，如此安排，在底分層開采時，其頂板為充填體假頂，穩定性有可靠保證。

2.2 分層工作面布置

E1302頂分層工作面切眼距離原來綜放工作面停采線20 m，推進長度390 m。使用原先的4條回采巷道，并做沿空留巷布置，E1302底分層充填面開切眼設計安排在E1302頂分層切眼內錯10 m，保證頂板均為充填體，停采線早停10 m，底分層充填面推進長度370 m，切眼布置見圖1。

圖1 切眼布置圖

3 沿空留巷布置工藝

3.1 沿空留巷隔離方法

膏體充填工作面沿空留巷的關鍵在于，機頭機尾端頭需要隔離密封嚴實，不發生漏漿現象。因此要處理好端頭隔離支架的位置關系，支架之間要緊密相連，端頭支架隔離板與充填體和支架之間不留空隙。打開隔離門到最大，使用草氈將隔離板與巷道充填體之間密封嚴實。掛頂部高強纖維網、彩條布和提前預留出來的隔離捆繩，伸上隔離側推千斤頂，然后升緊支架帶動上隔離壓實壓緊頂板。使用壁紙刀沿端頭尾架隔離門四周切割高強纖維網，確保端頭尾架隔離門保持打開狀態。鋪設底板高強纖維網、彩條布和隔離捆繩，伸下隔離側推千斤頂，然后伸出下隔離伸縮千斤頂壓實壓緊底板。工作面隔離布置見圖2。

圖2 工作面布置圖

3.2 沿空留支護方式

膏體充填開采后，巷道會由充填開采前的“煤-煤”支撐結構，變為“煤-充填體”支撐結構，充填體會代替煤體支撐上覆巖層，不會讓其發生垮落，進而減少沿空留巷的礦山壓力顯現，減小巷道圍巖變形。但是沿空留巷需要在開采底分層時繼續使用。為了進一步控制巷道圍巖變形，需要在上分層回采過程中對沿空留巷采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁加強支護，在沿空留巷滯后工作面120 m范圍內，采用一梁兩柱進行支護，單體柱鉸接頂梁排距為800 mm，每排使用6個單體和3個鉸接頂梁(長1 200 mm)，單體初撐力要達到11.5 MPa。

4 膏體材料強度分析

4.1 頂分層膏體材料強度

因為頂分層的充填體需要作為下分層開采時的假頂，因此充填體的終凝強度需要滿足一定值[5]。頂分層作為假頂，主要破壞形式有兩種，一種是在空頂區內，因強度不足發生垮落；第二種是充填體因強度不足被支架破壞[6-8]。

考慮第一種破壞形式，當下分層開采時，可把上分層充填體簡化為兩端固定梁的計算模型，見圖3，控頂距部分上分層充填體在受上部頂板和自重載荷的作用下，使得空頂部分充填體內部產生拉應力和壓應力，內部應力按照單位橫截面寬度，高度為h，計算得應力：

圖3 充填體作假頂強度計算模型

(1)

式中：σmax為梁內產生最大應力，MPa；q為梁受到的均布載荷，N/m；l為梁的長度(空頂寬度)，m；h為梁的高度(頂分層高度)，m。

因為膏體充填材料和混凝土材料相類似，具有抗壓不抗拉的特性，因此需要先計算出來滿足工作面條件膏體材料的最大抗拉強度。為了提高安全性，按照經驗取膏體材料的抗壓強度為抗拉強度的10倍。因為設計高河能源膏體凝固時間為8 h，采厚設計為3.2 m，開切眼最大空頂距為9 m，考慮1.30的安全系數，經過計算得出，膏體充填材料在充填工作面空頂距為9 m時，膏體充填材料需要保證工作面整體安全的最小抗壓強度為7.5 MPa，曲線如圖4所示。

圖4 充填體抗壓強度要求與控頂距的關系

考慮第二種破壞形式，根據以往膏體充填開采經驗和數值模擬，下向充填開采的時候，膏體充填材料作為底分層充填工作的頂板所受應力是工作面平均支護強度的兩倍，如圖5所示。高河能源綜采工作面平均支護強度為1.5 MPa，所以膏體材料28 d強度應該滿足3 MPa。

圖5 上分層假頂最大垂直應力隨支護強度的變化

4.2 底分層膏體材料強度

底分層充填體處于三向受力狀態，現在按照單向受壓條件計算，充填體后期強度要求應該按照Bieniawski計算方法來求取。

(2)

式中：σm為膏體材料單軸抗壓強度，MPa；[σ]為膏體材料的承載能力，MPa。w/h為寬高比；n當(w/h)>5時取1.4，其它情況取1。

由工作面概況可得，工作面傾向長度為230 m，采高為3.2 m，求得w/h=72>5，故式(2)中n取1.4。

參照煤柱強度穩定性評價方法，充填體強度穩定安全系數為：

(3)

按照Bieniawski計算，代入E1302工作面充填開采條件，埋深420 m，采高3.2 m，工作面傾向寬度230 m，代入式(3)可得出膏體材料強度與安全系數關系式。

=8.9·σm

(4)

由上式可知，開采底分層時，膏體材料強度越高，安全系數也越大，二者成正比關系，安全系數為8.9倍的膏體材料強度，所以膏體充填材料28 d，強度大于1 MPa時，可以保證工作面的安全。

5 應用效果評價

5.1 沿空留巷變形情況

選取E1302膏體充填工作面進風巷沿空留巷1號測站60 d的觀測數據進行整理分析，巷道變形情況如圖6和圖7所示。

圖6 巷道變形值

圖7 巷道變形速度

由圖中可以看出，在工作面推進35 m以內圍巖變形最為劇烈，頂底板移近速度和兩幫移近速度最大值均達到了3 mm/d。工作面推進50 m后，圍巖變形趨于平穩，頂底板移近速度和兩幫移近速度最大值均不超過1 mm/d。頂底板最大移近量控制在90 mm以內，兩幫移近量控制在60 mm以內。充填體有效控制了巷道圍巖變形，為下分層的安全回采創造了條件。

5.2 地表沉陷情況

E1302膏體充填工作面頂分層回采結束后，對地表進行了全面觀測，上分層開采后地表最大下沉213.8 mm，地表傾斜變形和水平變形最大分別為1.2 mm/m和 0.7 mm/m，地表變形圖見圖8。

圖8 下沉等值線圖

地表建筑物區域最大下沉10 mm，傾斜變形和水平變形最大分別為0.4 mm/m和 0.3 mm/m，根據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規范》建筑物保護要求，即傾斜變形不大于3 mm/m，水平變形不大于2 mm/m，地表變形值在可控范圍內。

經過地表沉陷預測分析，E1302充填工作面全部充填開采后地表最大下沉435 mm，地表傾斜變形和水平變形最大分別為1.5 mm/m和 1.0 mm/m。

地表建筑物區域最大下沉75 mm，傾斜變形和水平變形最大分別為1.3 mm/m和 0.8 mm/m，根據規范同樣滿足要求。

6 結 語

1) 采用留巷下向分層膏體充填開采可以更容易維護頂板，減小隔離難度，減少巷道掘進工程量，節約費用。

2) 高河能源充填開采時，頂分層充填體28 d抗壓強度為3 MPa，在底分層開切眼附近的頂分層充填體最終抗壓強度應該提高到7.5 MPa。底分層充填體抗壓強度達到1 MPa即可。

3) 膏體充填工作面沿空留巷頂底板最大移近量控制在90 mm以內，兩幫移近量控制在60 mm以內巷道圍巖變形量較小，巷道圍巖變形整體可控。

4) 厚煤層整體充填開采后，地表變形可控，不會對地表建筑物造成明顯可視損壞，厚煤層留巷分層膏體充填開采技術整體可行。