大傾角煤層充填開采技術(shù)研究

王 侃

（潞安化工集團(tuán)寺家莊公司，山西 昔陽 045300）

0 引言

實施大傾角煤層地下礦產(chǎn)資源開采時，因為其地層結(jié)構(gòu)較為特殊，所以務(wù)必要制定切實可行的保護(hù)方案，避免損傷到礦井巖層，從而引發(fā)巖層偏移或是地表沉陷的問題，甚至危害到地面農(nóng)田、構(gòu)筑物以及公共設(shè)施。除此之外，在采礦時有許多固體廢棄物，如煤矸石等產(chǎn)生，如若不將其進(jìn)行妥善處置不但會導(dǎo)致交通受阻，而且還會破壞到周邊環(huán)境。在此背景下填充開采技術(shù)應(yīng)運而生，該項技術(shù)不僅能夠避免開采過程中大傾角煤層發(fā)生沉降，而且還能有效循環(huán)與利用固體廢棄物，具有良好的發(fā)展前景。

1 大傾角煤層概述

煤層的傾斜狀況可分為三類：傾角小于25°的為緩傾斜煤層，25°～45°之間的為中傾斜煤層，而傾角超過45°的則屬于急傾斜煤層。在實際煤礦開采作業(yè)中，常將傾斜角度超35°的煤層統(tǒng)稱為大傾角煤層。

山西省某煤礦3203 工作面煤層傾斜角度45°，煤層厚度4.5～7 m，巖體為含礫中粗砂巖，巖層堅硬，為大傾角煤層。其頂端和底端的巖體結(jié)構(gòu)與水平、緩斜煤層的結(jié)構(gòu)相比較，因受地質(zhì)構(gòu)造作用的影響，造成了嚴(yán)重的損害，其特性分析如下：

1）因煤層傾斜角度過大，開采過程中采空區(qū)上覆蓋垮落煤矸石在重力作用下滾落至底端，從而導(dǎo)致采空區(qū)頂端煤矸石懸空，底端煤矸石堆積。

2）因重力的作用，工作面會在傾斜方向上緩慢地運動，導(dǎo)致頂板下陷，底板凸出，從而影響到覆蓋層的支撐，從開采面向中軸方向逐漸過渡，呈現(xiàn)出典型的不對稱支撐[1]。

3）因開采工作面傾斜緩慢移動，若無額外保護(hù)措施，底板會因巖層移動而穩(wěn)定性降低，并逐步破裂，造成工作面支護(hù)系統(tǒng)失衡，嚴(yán)重時導(dǎo)致工作面破壞、地表塌陷等情況發(fā)生。

2 填充開采技術(shù)及其應(yīng)用

2.1 填充物質(zhì)充填開采

填充開采技術(shù)是一種利用特定的填充物質(zhì)填充礦井空間的采礦方法。這種技術(shù)旨在通過在礦井中注入固體充填物質(zhì)，如煤矸石、尾礦、水泥漿等，來填充礦井中的空洞和空隙，同時又能有效地抑制巖體崩塌，維護(hù)礦區(qū)地表正常的生態(tài)環(huán)境。常用填充材料有注漿膠結(jié)、膏體、超高水材料、煤礦似膏體等，應(yīng)根據(jù)實際生產(chǎn)需要，選擇適當(dāng)?shù)奶畛湮镔|(zhì)。注漿膠結(jié)充填工藝主要有采空區(qū)高密度漿料充填工藝和離層帶注漿充填工藝兩種。前者是將采空區(qū)外部生產(chǎn)的高密度漿料通過專用管道運送到采空區(qū)，然后再對采空區(qū)中的巖體進(jìn)行再壓縮成形。后者是近年來興起的一種動態(tài)控陷法，其特征是在掘進(jìn)過程中，對可能發(fā)生的離層現(xiàn)象進(jìn)行監(jiān)控，在發(fā)生離層情況時，在對離層中利用鉆孔等方法進(jìn)行充填，利用填充物質(zhì)形成支承的實體結(jié)構(gòu)，從而達(dá)到控制巖層下沉的目的。膏體、超高水材料、煤礦似膏體等充填開采技術(shù)此處不再贅述[2]。

2.2 矸石滑移充填

開采過程中采空區(qū)上覆蓋垮落煤矸石在重力作用下滾落至底端，從而導(dǎo)致采空區(qū)頂端煤矸石懸空，底端煤矸石堆積。呈現(xiàn)出工作面底部充填密度較大，充填塊度大小相互級配，強度較高，中部充填疏松，塊度大、強度低，頂部填充量少的特點。不同充填程度對頂板在不同部位的限制條件也有一定的差異，導(dǎo)致周圍巖體的應(yīng)力重新分布，在開采作業(yè)的斜坡下方，由于上部煤矸石的重力和頂板的壓力，構(gòu)成密集充填區(qū)域。這一區(qū)域的形成，有效地提高了充填開采的效果，確保了開采作業(yè)的安全和效率。

相對于填充物質(zhì)充填開采技術(shù)，矸石滑移充填技術(shù)不要求其他充填材料、設(shè)備或額外的動力投入。它能夠迅速、有效地減少地表運動和塌陷，有效減輕工作面的壓力，為當(dāng)前大傾角煤層開采主流充填技術(shù)。

3 矸石滑移充填頂板力學(xué)模型建立與分析

3.1 矸石滑移充填頂板力學(xué)模型建立

在大傾角煤層傾斜推進(jìn)的過程中，受煤矸石充填體的致密填充，工作面下部的頂板在煤矸石的支撐下，礦井壓力減小，進(jìn)而降低支架、煤壁等承受的沖擊力和動載系數(shù)[3]。所以能夠把大傾斜煤層長壁開采工作面下部的矸石密實區(qū)的頂板（基頂）當(dāng)做超靜定梁結(jié)構(gòu)，其中工作面的矸石填充以及煤墻各支持該結(jié)構(gòu)兩端，在此狀況下，簡單化處理平面應(yīng)變受力問題，將“煤體-支架支撐區(qū)-矸石充填體”耦合作用的工作面下部頂板巖梁力學(xué)模型設(shè)置于工作面密實充填區(qū)剖面。模型示意圖如圖1 所示。

圖1 矸石滑移充填頂板力學(xué)模型示意圖

3.2 矸石滑移充填受力分析

設(shè)巖梁厚度h，頂板為1 個單位長度，得到“煤壁-支架-矸石充填體”耦合支撐結(jié)構(gòu)。其受力分析示意圖如圖2。其中：a 為支撐區(qū)寬度值；b 為矸石充填物寬度值；l 為巖梁總長為定值；H 為埋藏深度；ML為巖梁左端的彎矩；MR為巖梁右端的彎矩；FRL為巖梁左端支座反力；FRR為巖梁右端支座反力；q1為覆蓋巖層載荷；q2為支撐區(qū)載荷；q3為充填矸石載荷。

圖2 巖梁受力分析示意圖

設(shè)α=a/l，β=b/l，由結(jié)構(gòu)力學(xué)如式（1）所示：

公式（1）中，在巖梁兩端受支架及填料的支持下，其反力ql/2 比垮落采礦時固定巖梁兩端的反力要小。在工作面由下往上，煤矸石對頂板的支撐能力q3降低，F(xiàn)RL值增加，說明大傾角工作面的邊沿趨向,由底向上工作面前部的受力是逐步增加的。可以得出增加支架支撐力q2能夠有效減少前部煤壁受力情況，對后續(xù)支護(hù)以及頂板管理有所幫助。

設(shè)巖梁剪切力為Q，根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)如式（2）所示：

由公式（2）可知，巖梁位于區(qū)間[0，l]內(nèi)且當(dāng)x=0時Q 最大，同時，剪切力Q 隨q2增加而減小。因此，增加支撐力F 有利于減少煤壁上的應(yīng)力，降低煤壁片幫發(fā)生概率，利于開采工作面頂板管理。

4 工程實例

4.1 實地監(jiān)測

利用KJ266 型礦壓動態(tài)監(jiān)測儀，對工作面支座前后立柱的工作阻力進(jìn)行持續(xù)監(jiān)測。該監(jiān)測系統(tǒng)由地面和地下兩部分組成。地面部分包括服務(wù)器、不間斷電源和串口服務(wù)器，而地下部分則涵蓋地下通信分站和支撐式壓力傳感器等設(shè)備。在綜合機(jī)械化大采高工作面的斜度方向上，我們將其劃分為3 個測區(qū)：下測區(qū)、中部測區(qū)和上部測區(qū)。

4.2 監(jiān)測結(jié)果

對該綜放工作面礦壓從2021 年6 月—2022 年5 月持續(xù)動態(tài)監(jiān)測1 年，結(jié)果如圖3 所示。

圖3 工作面下、中、上部區(qū)域工作阻力隨時間變化圖

1）從圖3 中可以清晰地看到，工作面支架的負(fù)荷具有明顯的傾斜方向特征。具體來說，中央?yún)^(qū)域的支架承受了較大的負(fù)荷，而上方和下方的支架負(fù)荷則相對較小。隨著時間的推移，工作面支架的工作阻力利用率會有很大的變化。工作面上部，由于支架與圍巖的接觸狀態(tài)不穩(wěn)定，工作阻力利用率會最小。在中段方向，由于頂壓較大，這種變化會向兩側(cè)延伸；

2）在作業(yè)區(qū)的上部區(qū)域，尤其是接近頂部的位置，巖石的移動現(xiàn)象尤為明顯，這導(dǎo)致了支架的承載狀況發(fā)生了顯著變化。有時，還會出現(xiàn)局部的沖擊現(xiàn)象。壓力的表現(xiàn)形式呈現(xiàn)出一種規(guī)律，即按照“中部、上部、下部”的順序依次展現(xiàn)出來[4]。

5 結(jié)論

1）開采大傾角煤層礦產(chǎn)資源過程中，煤矸石會滑到底板處，進(jìn)而出現(xiàn)了局部、全面以及致密填充幾個區(qū)域。通過運用力學(xué)模型來對其受力情況實施研究，數(shù)據(jù)表明，因為下部矸石充填，所以相較于上部與中部工作面而言，下部頂板以及媒體受力偏小。所以據(jù)此可知對工作面的油壓支架組頂板支撐進(jìn)行優(yōu)化能夠?qū)ζ涫芰η闆r有所改善；

2）密切監(jiān)督與檢測大傾角煤層開采工作面支架工作阻力能夠發(fā)現(xiàn)實施開采作業(yè)過程中，矸石冒落部分會順著底板掉入采空區(qū)域，從而出現(xiàn)不規(guī)則充填帶，這樣使得頂板不同部位實際受力也有所差別，導(dǎo)致開采圍巖受力情況發(fā)生轉(zhuǎn)變。下部工作面對比上部與中部而言其礦壓有所減小，不過來壓無法及時顯現(xiàn)，而該成果有助于提高開采煤層效率與安全系數(shù)。