神州煤業4604工作面濃漿充填沉陷控制技術研究

武 竹

(太原煤炭氣化(集團)有限責任公司,山西 太原 030024)

充填開采是降低采動巖層斷裂高度及減小地表開采沉陷的重要方法之一,是實現煤炭資源高效開采與生態環境保護協同發展的重要舉措,充填開采條件下地表采動變形規律及其變形特征是評價充填減沉效果的關鍵。針對于采動地表沉降規律及充填開采對開采沉陷的弱化效應,國內外眾多學者展開了大量研究,并取得了豐碩的研究成果。立足大宗型固廢材料的綠色處理,提高固體廢棄物利用率,國內外諸多學者研制出以氧化鋁廢渣[1]、粉煤灰[2]、河湖環境治理中的底泥[3]、廢棄輪胎橡膠顆粒[4]、全尾砂-棒磨砂[5]等廢棄物為原材料的、具有優良性質的充填漿液。張開放等[6]通過研究充填漿料的塌落度、親水性和抗壓強度等性質,確定了充填材料的最佳配比。沙飛等[7]通過粒徑分布優化、活性激發等優化方法,制備了一種新型水泥基注漿材料。楊寶貴等[8]分析了是否添加外加劑的條件下以粉煤灰、煤矸石、普通硅酸水泥及水作為主要充填材料時合理質量配比,研究出了流動性好、不泌水、力學性能顯著的充填漿料。傅小龍等[9]利用流變儀測試分析了添加不同種類和劑量的減水劑對漿體的屈服應力、剪切應力等流變特性的影響。侯凱等[10]研究了傳統材料、纖維,助劑等對聚氨酯注漿材料的改性問題,實現了對注漿材料力學性能的改良。汪濤等[11]以輸送阻力系數為定性指標,研究了在不同材料配比、漿液濃度下充填材料漿體的流變特性。盧海峰等[12]研究了環氧樹脂、水泥注漿漿料對結構面加固效果的差異,得出了環氧樹脂注漿漿料加固效果突出的結論。張洪偉等[13]利用現場實測和數值模擬的方法,研究出巷旁注漿充填率在20%左右較為合理。在充填開采地面沉陷控制研究方面,李勇發、何榮、劉維康、呂偉才等[14-17]采用理論分析的方法,借助于灰色模型、神經網絡模型、時間序列模型及多模型組合預測模型等非線性理論預測模型,對地表開采沉陷規律進行了預計預測。左小青等[18]利用合成孔徑雷達干涉技術實現了對礦區沉降的監測;王遷等[19]利用有限元軟件ABAQUS分析了采動后上覆巖層的下沉位移、下沉移動特征及應力變化規律;翟俊素[20]采用GPS定位技術進行開采沉陷觀測;王紅軍[21]用概率積分法預測了黃土坡煤礦的地表沉陷情況;楊玉龍等[22]運用理論分析與數值模擬相結合的方法,研究了回采引起的黃土溝壑地貌移動變形特征;李想等[23]利用UDEC對深部采煤覆巖移動和地表沉降進行了數值模擬。李復活[24]利用模擬實驗和工作面現場實測的方法,確定了袋式充填開采工作面的充填率不小于82%時對地面沉降具有良好的控制效果;劉曉明[25]采用數值模擬方法,對比研究充填前后的覆巖應力變化和巖層破壞規律,得到了充填后覆巖塑性破壞高度降低63%,頂板沉降量降為傳統綜采的60%的結論;馬荷雯[26]以淮北礦區祁南煤礦某首采工作面作為研宄對象,在綜合了理論分析、相似模擬和工程實踐的基礎上得出注漿充填減沉率為96%,地表水平最大變形值為0.5 mm/m的結果,表明該技術能很好的控制地表沉降。

1 工程概況

山西神州煤業有限責任公司位于山西省呂梁市離石區西北,現主采4號煤層,4號煤六采區大部分區域已進行了開采,未開采區域被地表建(構)筑物及市屬垃圾處理站設施所壓覆,壓覆工作面主要為4603(2)工作面和4604(1)工作面,工作面井上下對照如圖1所示,為了保證崔家崖村建(構)筑物的正常使用,擬采用充填開采方法進行村莊壓煤資源的回收。由于地表移動是煤層開采后采動巖層運動的結果,因此深入研究充填工作面開采后地表沉陷規律,對評價充填開采沉陷控制可行性及其控制效果至關重要。

圖1 4604(1)綜采充填工作面布置Fig.1 Layout of No.4604 (1) fully mechanized filling mining face

2 充填工作面開采沉陷模擬研究

2.1 數值模型構建

以山西神州煤業有限責任公司進行4號煤層充填開采項目為背景,根據該煤礦4603(2)及4604(1)工作面所處煤巖層地質條件構建數值模擬計算模型,模型長1 200 m,寬1 200 m,高322 m,煤層埋深平均為290 m,其中表土層平均厚度為88 m,基巖平均厚度為202 m,煤體厚度為1.7 m。模型采用應變軟化模型,頂部為自由邊界,前后左右邊界施加水平約束。初始模型及其中充填開采工作面相對位置、兩工作面面寬均為100 m,4603(2)工作面全部充填開采并進行了沿空留巷;而后又進行了4604(1)工作面的充填開采,兩工作面之間未留設區段煤柱。本模擬研究主要用于探究雙面開采條件下,充填開采工作面上覆巖層以及地表沉陷規律。雙面開采FLAC3D數值仿真計算模型,如圖2所示。煤層開采完充填體回填后在充填體與頂板的分界面之間添加interface單元,以實現工作面開采后頂板下沉的行為,計算過程為:模型建立→原巖應力平衡→工作面回采→充填體回填→計算結果分析。充填開采工作面直接頂為砂質泥巖,基本頂為粉砂巖,整個地層模型中數值模擬參數取值如表1所示。

表1 數值仿真模擬參數取值Table 1 Numerical simulation parameters

圖2 充填開采工作面覆巖FLAC3D三維計算模型及模擬參數標定結果Fig.2 FLAC3D calculation model and simulation parameter calibration results of filling mining face

2.2 充填工作面巖層移動規律

4603(2)及4604(1)充填開采工作面傾向及走向主斷面垂直位移沉降云圖,如圖3所示。煤層開采并充填后,層位越高沉陷盆地擴展范圍越大,且相對于傾向剖面,雙面開采條件下走向剖面煤層開采及充填范圍尺寸相對較大,如圖3(a)中黑色虛線條所示。此外,覆巖中不同層位巖層的垂直下沉量及其下沉位移曲線形態亦不相同,垂直位移呈現出上向外擴特征,如圖3(b)所示。覆巖中隨著層位的提高,沉降盆地中部最大下沉至減小,不同層位Z=42 m、Z=102 m、Z=152 m、Z=212 m、Z=272 m及地表主斷面測線垂直下沉量分別為-321.6 mm、-232.1 mm、-210.8 mm、-186.5 mm、-169.8 mm、-161.2 mm,沉陷區水平范圍寬度向上發育寬度減小,沉陷范圍邊界形態收斂速度減小,由“范圍小極值大”逐步過渡為“范圍大極值小”形態。

(a)充填工作面傾向及走向剖面垂直位移

(b)不同層位巖層沉降曲線圖3 充填工作面覆巖垂直位移場及不同層位巖層沉降特征Fig.3 Vertical displacement of overburden and subsidence characteristics of strata of filling mining face

2.3 充填工作面三維地表沉陷特征

依據仿真計算結果,提取4603(2)及4604(1)充填開采后模型上界面節點位移沉降數據,獲得地表沉降等值線云圖、沉降盆地三維形態及其主斷面沉陷曲線,如圖4所示。雙充填工作面開采沉降盆地最大下沉值位于開采區域中心,下沉曲線呈現出等值同心橢圓分布形態,如圖4(a)所示。三維沉降盆地形態,如圖4(b)所示。該沉陷盆地中,走向主斷面和傾向主斷面下沉曲線,兩者下沉量最大均為161.2 mm,但由于走向開采寬度比傾向開采寬度更大,因此走向沉陷曲線擴展寬度相對傾向沉陷曲線擴展寬度更大,如圖4(c)所示。

(b)充填工作面地表三維沉降云圖

(c)沉降盆地走向及傾向主斷面沉降曲線圖4 充填工作面地表三維沉降盆地及其主斷面沉降特征Fig.4 3D subsidence basin and its main section subsidence characteristics of filling mining face

3 高濃漿液流動特性及充填方案

3.1 高濃度漿液流動特性測試

由于地面溝谷地形區域所限制,難以完全布置占地面積巨大的充填泵站,充填工作面擬借助于山體地形實現充填漿液的自流輸送。漿液所采用的原材料即為粉煤灰、配合專用輔料。專用輔料主要成分為生石灰、早強劑、緩凝劑等,為充填料漿中的粉煤灰提供合適的堿性環境和溫度等條件,激發粉煤的潛在活性,強化充填材料膠結性能,提升充填體后期強度,大幅減少泌水量,從而保證充填體的接頂率。充填漿液的基本配比為:固料質量分數在52%～60%之間,固料中:粉煤灰約占84%,輔料約占16%。參照神州煤業附近粉煤灰特點,根據井下充填工業試驗,配比如表2所示。

表2 充填漿液配比Table 2 Filly slurry ratio

相比于泵送漿液,自流漿液通常粉煤灰摻量較低,其濃度相對較低,但濃度過低的充填漿液不利于充填體固結,且支撐能力較弱不利于頂板維護。探究不同質量分數下充填漿液的流變特性及自流特性,是確定自流充填漿液濃度的關鍵。

借助于成都儀器廠生產的NXS-11A型同軸圓筒上旋式黏度計(如圖5(a)所示),進行表觀黏度和剪切應力的測量。該黏度計用一個電機驅動,采用同軸圓筒上旋式結構的工作原理,外筒固定、內筒旋轉,被測物料充滿在兩個圓筒之間。當電機帶動內筒旋轉時,內筒表面受到被測物料的作用,而內筒又與電機的轉子同時旋轉,轉子也受到了同樣的力矩;此力矩傳動可帶動框架并使其偏轉,當偏轉到某一角度使得測量彈簧的力矩和該傳動力矩大小相等時即達到穩態平衡,此時的偏角由刻度盤讀出,獲得相應的黏度數值。充填漿液隸屬于賓漢流體,該種流體的主要特征是存在屈服應力τc,只有當剪切應力τ≥τc時懸浮體才開始具有流動性,一旦流動后,其流變特性與牛頓流體一樣,即剪切應力與剪切速率成正比:

τ-τc=ηy

(1)

式中:τ為剪切應力,Pa;τc屈服應力,Pa;η為黏度系數,Pa·s;y為剪切速率,s-1。

漿液流體在靜止時,顆粒之間能夠形成空間網絡狀結構,施加一定的剪切應力可以使網絡狀結構破壞,剪切應力反映了網狀結構的強弱。當τ≥τc時,網狀結構的拆散和重新形成達到平衡,具有穩定的黏度值。大量室內實驗測得不同充填漿液濃度下表觀黏度和剪切應力的變化規律,如圖5所示。

(a) NXS-11A黏度計

(b) 表觀黏度與剪切應力變化規律圖5 不同濃度料漿的表觀黏度和剪切應力及測試儀器Fig.5 Apparent viscosity and shear stress of slurry with different concentrations and testing instruments

由圖5可知,在相同剪切速率條件下,隨著質量分數的提高,充填漿液表觀黏度和剪切應力也不斷提高。充填漿液質量分數為49%～55%時,表觀黏度及流動剪切應力相對較低,表觀濃度均小于0.264 Pa·s,流動剪切應力小于7.3 Pa;充填漿液質量分數為大于55%時,充填漿液表觀黏度及剪切應力陡然增加,表觀黏度由0.264 Pa·s增加至0.848 Pa·s,增幅比例高達221%;流動剪切應力由7.30 Pa增加至24.06 Pa,增幅比例高達230%。由此可知,充填漿液質量分數超過55%流動性性能將會出現顯著衰減,即濃漿自流充填合理濃度應為55%。

3.2 架后柔模充填袋設計

根據自流漿液充填開采要求,在工作面后方布置充填袋,搭接充填管路完成充填袋灌漿充填。充填袋是在支架后方限定漿液流動范圍及達到密閉作用的重要輔助品,目前工作面漿體充填及沿空留巷等工程普遍采用的土工布和涂覆布。由于土工布孔隙率較高,存在透水甚至漏漿的風險,而涂覆布空隙率低,透水性較差。考慮到粉煤灰高濃度料漿中固料和水分均為有效成分,不應過多漏失,且粉煤灰等固料顆粒較細。因此,選擇孔隙率較低的涂覆布,作為工作面支架后方自流漿液的充填袋,如圖6所示。

(a)涂覆布充填袋縫合

(b)地面充填袋布置試驗圖6 涂覆布充填袋成組縫合及其地面鋪設試驗Fig.6 Test on group suture and ground laying of coated cloth filling bags

充填袋為長方體形狀,由六面涂覆布、吊環、充填袖口等幾部分組成,同時考慮到尾梁為條帶狀,充填袋頂面對應尾梁之間縫制富余量,以便充填時鼓起。充填袋留出一定的富余量,長、寬、高方向分別按照2.0 m、0.3 m、0.8 m設計,以適應井下工作面充填區域的不規則性。充填袋通過縫制在其側壁頂部的吊環進行吊掛,間距為1.5 m。灌漿充填過程中,為防止漿液涌入充填袋引發充填袋下墜,在充填袋側壁中部也設置吊環,充填前將其固定。充填袖口長0.5 m,直徑0.12 m,位于充填袋端頭的頂部,充填前將充填管伸入該袖口,并用鐵絲扎牢。

3.3 濃漿充填工藝流程

4604(1)工作面充填作業采用“采煤-充填-采煤-充填”的循環模式進行,工作面每采四刀煤后充填一次,即充填步距為4×0.6=2.4 m,將架后整個采空區充填袋充滿,且待充填體凝固后進行下個采煤循環。充填工作采用架后方掛袋的方式進行,向袋內充填高濃度漿液,確保架采空區形成密閉的充填空間,充填工藝流程,如圖7所示。

(a)上循環充填體凝固

(b)掛袋

(d)充填循環結束圖7 4604(1)工作面充填開采循環示意圖Fig.7 Schematic diagram of filling mining cycle in No.4604(1) working face

4 高濃度自流充填工程實踐

4.1 充填開采控制目標

工作面4603(2)工作面和4604(1)工作面即為濃漿自流充填開采工作面,通過充填開采實現地面市級大型垃圾處理站及臨近村莊地面建筑物的有效保護。垃圾場地基中鋪設的防水土工膜其縱向橫向屈服伸長率均為14%,縱向斷裂伸長率為767%,橫向為757%。因此,考慮一定的安全系數,充填開采應確保地面垃圾場及辦公區建筑物處于I級采動變形以內,即為下沉值小于300 mm,水平拉伸變形小于2 mm/m,水平壓縮變形小于2 mm/m,傾斜變形小于3 mm/m。此外,充填開采工作面地面村莊累計約400余戶,人口約2 000人。村內以磚混、磚木結構平房、樓房為主,考慮一定的安全性及維修規模,其采動變形也應控制在I級內,即下沉值小于200 mm,水平拉伸變形小于1 mm/m,水平壓縮變形小于2 mm/m,傾斜變形小于3 mm/m。

4.2 沉陷測點布置

根據神州煤業的地質采礦條件及開采工作面對應地表的建筑物等賦存情況,綜合考慮4603(2)、4604(1)與周邊工作面的采動影響情況,在4604(1)工作面與周邊工作面對應地表共布置2條觀測線,分別為1#地表沉陷觀測線和2#地表沉陷觀測線。其中,1#觀測線沿4604(1)面走向主斷面布置,為走向全盆地觀測線;2#觀測線沿4604(1)面中部傾向主斷面布置,為傾向半盆地觀測線。本觀測站測線上測點間距為20 m,具體布置如表3所示。

表3 工作測點間距的選取Table 3 Selection of working measurement point spacing

工作沉陷觀測點采用鋼筋混凝土預制測樁,測樁頂面露出地表0.05 m。各點號用紅漆標注于標石頂面,并在附近用紅漆標注點名、點位以便于尋找。鋼筋籠制作如圖8(a)所示,預制樁模具如圖8(b)所示,混凝土砂漿如圖8(c)所示,測點制作完成后如圖8(d)所示。

4.3 充填開采地表沉陷觀測

伴隨著井下4604(1)工作面的高濃度漿液自流充填,在井下充填工作面相對應的地面區域同步開展采動沉陷觀測,地面共布置兩條沉陷觀測線,分別為1#測線和2#測線,測線相對于工作面的位置如圖9(a)所示。整個沉陷觀測過程中,礦方數據觀測及數據采集時間間隔較大,周期相對較長,未能完全掌握地表沉陷隨時間的變化規律。但是沉陷最終觀測結果表明,雙面充填開采后,傾向最大下沉量為-156 mm,走向最大下沉量為-111 mm,如圖9(b)所示。表明充填開采后,高濃度漿液固結形成的充填體對采場頂板巖層形成了強有力的支撐,有效緩解了采動巖層的下沉移動,充填開采實現了前述地表下沉小于300 mm的控制目標,開采邊界處即水平移動及變形較大區域,建、構筑物完好且未見開裂現象,處于I級采動變形以內,保障了地面大型垃圾處理站、周邊壓煤村莊密集建、構筑物的安全使用。

圖8 鋼筋混凝土預制樁設計與制作Fig.8 Design and fabrication of precast reinforced concrete piles

5 結論

1)建立了神州煤業4604工作面濃漿充填沉陷控制FLAC3D數值仿真計算模型。在準確標定4604工作面覆巖物理力學參數的基礎上,開展了4604濃漿充填工作面地表沉陷的仿真模擬研究,發現了隨著層位的升高,主斷面下沉盆地呈現出由“范圍小極值大”逐步過渡為“范圍大極值小”的分布特征,揭示了4604充填開采工作面地表“走向長傾向短”的橢球狀三維沉降盆地特征,最大沉降量為161.2 mm。

2)揭示了充填漿液表觀黏度和剪切應力與固料質量分數的關聯特征,確定了該條件下充填漿液合理固料質量分數為55%,設計了架后涂覆布注漿袋灌漿充填技術方案,開發了充填步距為2.40 m的“采煤-充填-采煤-充填”的循環作業模式。

3)實測掌握了4604(1)充填開采工作面地表沉降特征。開展了溝谷山地區域高濃度漿液自流充填開采工程實踐,并實測獲得地面最大沉降量為156 mm,與數值仿真計算結果與現場實測結果吻合,表明充填開采地表沉陷控制效果達成,實現了充填減沉開采與環境保護的協同發展。