建筑物下壓煤充填開采固體充填材料優(yōu)化與應(yīng)用

張書國(guó)

(冀中能源股份有限公司邢臺(tái)煤礦，河北邢臺(tái)054026)

目前我國(guó)煤礦生產(chǎn)礦井的“三下”壓煤達(dá)13.79Gt，其中建下壓煤9.468Gt，占總壓煤量的69%，尤其是河北、河南、安徽、山東等東部產(chǎn)煤地區(qū)，建下壓煤量占礦井儲(chǔ)量的10% ～30%［1］。隨著礦井開采時(shí)間的延長(zhǎng)，建下壓煤?jiǎn)栴}更加突出，已成為制約礦井發(fā)展的關(guān)鍵因素。有效開采建下壓煤，保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境已迫在眉睫。

冀中能源股份有限公司與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作，開展建下充填開采研究，成功地解決了這一難題。邢臺(tái)礦從2008年開始，利用固體充填技術(shù)，在工業(yè)廣場(chǎng)煤柱內(nèi)，已開采了3個(gè)工作面，并有意識(shí)地在首個(gè)充填工作面中部開掘一條巷道，揭露矸石和粉煤灰充填區(qū)域，并對(duì)充填體的強(qiáng)度和支撐高度進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)，對(duì)充填體上覆巖層完整性進(jìn)行分析，成功地實(shí)現(xiàn)充填采空區(qū)內(nèi)錨網(wǎng)支護(hù)。

1 矸石和粉煤灰的物理化學(xué)特性

1.1 矸石的礦物成分測(cè)試

在某科研單位采用先進(jìn)的X射線衍射儀對(duì)邢臺(tái)礦煤矸石進(jìn)行測(cè)試，并按相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行對(duì)照分析。其組成成分如表1及圖1所示。

表1 洗選矸石的組成成分

1.2 化學(xué)成分測(cè)試

矸石和粉煤灰的礦物組成直接影響煤矸石的工程性質(zhì)。矸石樣品的化學(xué)成分與化學(xué)元素分別見表2，表3。

圖1 矸石試樣X(jué)－射線衍射圖譜

表2 洗選矸石的化學(xué)成分

表3 洗選矸石的化學(xué)元素

由表2、表3可知，洗選矸石試樣的物質(zhì)組成中，SiO2的含量最高，是矸石充填開采時(shí)骨架的主要成分，可使充填后的矸石強(qiáng)度增高;此外，由于矸石中含有碳、鋁和CaO等物質(zhì)，易使矸石發(fā)生水解和風(fēng)化等現(xiàn)象。

1.3 粉煤灰的化學(xué)成分測(cè)試

同樣采用D/Max－3B型X射線衍射儀作為測(cè)試儀器，對(duì)粉煤灰試樣進(jìn)行定量分析，見圖2。

粉煤灰化學(xué)成分與化學(xué)元素分別見表4，表5。

由表4，表5可知，粉煤灰試樣的物質(zhì)組成中，SiO2的含量較高，是煤矸石充填開采時(shí)骨架的主要成分，作用為填充矸石縫隙，使其混合物更密實(shí);粉煤灰存在活性，能膠結(jié)矸石提高強(qiáng)度。

圖2 粉煤灰試樣的X－射線衍射圖譜

表4 粉煤灰化學(xué)成分

表5 粉煤灰化學(xué)元素

1.4 矸石、粉煤灰混合作用

孔隙比是煤矸石的一個(gè)重要力學(xué)參數(shù)，研究認(rèn)為充填體的孔隙比是影響充填體強(qiáng)度和可變形能力的最重要的參數(shù)。總體來(lái)說(shuō)，孔隙比越低，充填體的相對(duì)密度就越高，當(dāng)頂板來(lái)壓時(shí)，充填體所能承受的可變性能力就越強(qiáng)。當(dāng)充填體受到剪切力時(shí)，密度大的充填體隨著剪切力的增大會(huì)表現(xiàn)出一定的表面黏結(jié)力;密度較小的充填體則表現(xiàn)出很大的塑性變形，最終體積縮小，當(dāng)剪切力超過(guò)充填體本身所能承受的最大剪切力時(shí)，充填體內(nèi)部的矸石顆粒結(jié)構(gòu)就會(huì)重置。

粉煤灰在壓力增加的情況下，其相對(duì)密度不斷增大。研究表明，粉煤灰的相對(duì)密度隨壓實(shí)力增大而趨于穩(wěn)定，這一壓力值對(duì)粉煤灰在工程中應(yīng)用起到重要作用。還有一些學(xué)者對(duì)粉煤灰的抗剪強(qiáng)度進(jìn)行了研究分析，抗剪強(qiáng)度是粉煤灰抵抗剪切破壞的極限能力，其受顆粒粗細(xì)、結(jié)構(gòu)密度、含水量及受力條件等因素的影響。研究認(rèn)為，粉煤灰受壓力作用下，其孔隙水隨之迅速排出，所有的法向應(yīng)力和剪應(yīng)力均為固體顆粒所承擔(dān)，此時(shí)的抗剪強(qiáng)度則決定了法向應(yīng)力和內(nèi)摩擦角的變化。

綜上所述，粉煤灰為填充矸石縫隙，使其混合物更密實(shí);使矸石孔隙比更密實(shí)，兩者混合，為支撐采空區(qū)頂板的強(qiáng)度起到了至關(guān)重要的作用。

2 矸石與粉煤灰的力學(xué)特性

對(duì)矸石與粉煤灰不同配比條件下壓實(shí)特性進(jìn)行測(cè)試，矸石和粉煤灰的配比方案見表6。分析2種骨料 (矸石、粉煤灰)在不同的配比下試樣壓實(shí)度與壓實(shí)力的關(guān)系曲線如圖3所示。

表6 矸石、粉煤灰配比方案

圖3 試樣壓實(shí)度與壓實(shí)力關(guān)系

由圖3可知，充填材料的壓實(shí)度k隨著壓實(shí)力σ的增大而減小，特別在初始階段，由于材料的松散程度較大，因此產(chǎn)生的壓縮量較大，表現(xiàn)為壓實(shí)度k變化較快。當(dāng)矸石與粉煤灰配比為1∶0.6時(shí)，壓實(shí)度與壓實(shí)力的比值產(chǎn)生的矸石與粉煤灰混合密度達(dá)到最大值。

通過(guò)以上試驗(yàn)，矸石和粉煤灰以1∶0.6的比例配比后，經(jīng)搗實(shí)機(jī)構(gòu)夯實(shí) (24MPa)，壓實(shí)度為0.75，密度為1.65t/m3，此時(shí)的矸石與粉煤灰強(qiáng)度能夠有效地控制采場(chǎng)上覆頂板的壓力，達(dá)到控制地表塌陷的目的。

3 充填材料在現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際效果

通過(guò)科學(xué)合理的配比與分析充填介質(zhì)及投入使用情況，成功地實(shí)現(xiàn)了3個(gè)充填工作面的回采，通過(guò)變形監(jiān)測(cè)，其影響范圍內(nèi)的地表建筑物變形控制在Ⅰ級(jí)內(nèi)，不影響正常使用。

其中，在揭露首個(gè)充填工作面的充填區(qū)域中，對(duì)充填材料的壓實(shí)強(qiáng)度和支撐效果進(jìn)行檢測(cè)。首先對(duì)充填體區(qū)域頂板采用窺視鏡觀測(cè)頂板的深度破壞情況，通過(guò)觀測(cè)發(fā)現(xiàn)，頂板僅出現(xiàn)垂直方向淺部的裂隙發(fā)育，未產(chǎn)生深度破壞，上覆巖層未產(chǎn)生像傳統(tǒng)垮落法那樣的“三帶”破壞，頂板較完整，充填體具有良好的穩(wěn)定性，揭露后未發(fā)生松動(dòng)片幫現(xiàn)象，對(duì)頂板起到了良好的支撐作用。

3.1 揭露充填區(qū)上覆巖層移動(dòng)分析

在揭露的充填區(qū)域頂板布置測(cè)點(diǎn)，比較采動(dòng)前后頂板標(biāo)高，確定頂板下沉量，分析充填體對(duì)充填空間的頂板支撐效果。

原充填區(qū)域頂板標(biāo)高為－240m，重新揭露后，頂板標(biāo)高為－240.2m，直觀地表明該點(diǎn)區(qū)域的頂板下沉量為200mm。通過(guò)對(duì)工作面測(cè)點(diǎn)標(biāo)高與原回采過(guò)程中頂板標(biāo)高比較，工作面平均下沉量為280mm。

3.2 施工鉆孔，觀測(cè)頂板下沉和深度破壞情況

在揭露充填采空區(qū)后，利用巖層鉆孔探測(cè)儀對(duì)充填區(qū)域上覆巖層進(jìn)行直接觀測(cè)頂板的變形及深度破壞情況。在充填區(qū)域鉆觀測(cè)孔3個(gè)，鉆孔深度10m，孔徑30mm。通過(guò)探視儀觀測(cè)，揭露的充填采場(chǎng)上覆巖層1.3～2m有輕微破碎，2～3m有交錯(cuò)輕微裂隙，3～10m頂板完好。這一直觀的數(shù)據(jù)表明，受充填體支撐作用，偽頂有破碎現(xiàn)象，直接頂存在輕微的裂隙，但向上的基本頂完好。這一結(jié)論有效地證明了科學(xué)合理配比的充填介質(zhì)對(duì)上覆頂板起到了良好的支撐作用。

3.3 充填介質(zhì)控制采空區(qū)的頂板巖層變形情況

充填工作面直接頂達(dá)到垮落步距發(fā)生斷裂現(xiàn)象時(shí)，由于矸石和粉煤灰充填體的支撐作用與破碎的直接頂接觸 (巖石碎脹性)。直接頂僅發(fā)生輕微裂隙和離層，基本頂在其上部覆巖的載荷作用下產(chǎn)生彎曲變形，但不會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象，變形特征如圖4，圖5所示。

圖4 采空區(qū)垮落

圖5 采空區(qū)充填物料

從圖4，圖5可以看出，傳統(tǒng)垮落法管理采空區(qū)的采煤方法，其采空區(qū)上覆頂板隨著工作面推進(jìn)，采空區(qū)覆巖會(huì)產(chǎn)生破壞，由下至上形成“三帶”破壞，即垮落帶、斷裂帶、彎曲下沉帶。

和傳統(tǒng)垮落法采煤方法相比，由于充填采煤法以矸石與粉煤灰作為充填介質(zhì)，對(duì)上覆頂板起到了有效的支撐作用，充填體上覆穩(wěn)定巖層仍然為采場(chǎng)圍巖應(yīng)力的主要承載體，完全滿足充填體內(nèi)實(shí)施錨網(wǎng)支護(hù)的要求。

3.4 充填工作面礦壓顯現(xiàn)及上覆巖層活動(dòng)規(guī)律

為科學(xué)有效地掌握以固體物料充填控制采空區(qū)的回采巷道及采場(chǎng)礦壓顯現(xiàn)規(guī)律，完善調(diào)整支護(hù)方式及充填料的配比，并為充填開采工藝的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律提供數(shù)據(jù)，對(duì)充填綜采工作面進(jìn)行礦壓監(jiān)測(cè)。

第3個(gè)充填工作面的監(jiān)測(cè)主要包括以下內(nèi)容:支架支護(hù)阻力監(jiān)測(cè)、采空區(qū)充填體應(yīng)力監(jiān)測(cè)、工作面頂板裂隙發(fā)育監(jiān)測(cè)。

沿工作面傾斜方向共布置10臺(tái)在線監(jiān)測(cè)分機(jī)，平均布置在支架上，監(jiān)測(cè)液壓支架工作阻力隨工作面推進(jìn)的變化規(guī)律。同時(shí)，沿工作面走向每推進(jìn)65m，在工作面充填體內(nèi)埋設(shè)一組充填體應(yīng)力傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)上覆頂板的變化規(guī)律。

第3個(gè)充填工作面在2012.1.1－2012.7.16期間，進(jìn)行165d的支架工作阻力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。工作面共推進(jìn)500m。典型數(shù)據(jù)周期性曲線如圖6所示。

圖6 2號(hào)分機(jī) (機(jī)頭段)實(shí)測(cè)支架工作阻力分布

由圖6可知:充填體承擔(dān)了頂板的部分壓力，充填開采工作面支架壓力整體偏低，其平均工作阻力僅為2657～3252kN。但是，當(dāng)推進(jìn)度達(dá)到40m極限垮距時(shí) (周期來(lái)壓)工作面支架壓力會(huì)出現(xiàn)整體明顯增高現(xiàn)象;分析認(rèn)為頂板“三帶”的破壞中，采空區(qū)的上覆巖層沒(méi)有垮落現(xiàn)象產(chǎn)生，其頂板呈彎曲的懸臂梁結(jié)構(gòu)，使礦壓應(yīng)力會(huì)一直傳遞給充填體 (矸石、粉煤灰)和支架上，造成整個(gè)采場(chǎng)的壓力峰值整體升高。

3.5 地表下沉監(jiān)測(cè)

3.5.1 地表移動(dòng)變形觀測(cè)站設(shè)立

在矸石、粉煤灰充填工作面正上方沿工作面傾向方向設(shè)立鐵路觀測(cè)線。觀測(cè)線長(zhǎng)1130m，布設(shè)控制點(diǎn)4個(gè)，觀測(cè)點(diǎn)39個(gè)，各工作點(diǎn)間距平均為25m。在采動(dòng)影響區(qū)內(nèi)的各主要建筑物四角點(diǎn)、中點(diǎn)和轉(zhuǎn)角處設(shè)計(jì)沉降觀測(cè)點(diǎn)，共布設(shè)90個(gè)建筑物沉降觀測(cè)點(diǎn)。

3.5.2 地面觀測(cè)成果分析

鐵路下沉曲線見圖7，隨著工作面的推進(jìn)，在運(yùn)輸巷推至距鐵路測(cè)線16m，運(yùn)料巷推至距鐵路測(cè)線60m處時(shí)，鐵路觀測(cè)點(diǎn)下沉超過(guò)10mm，說(shuō)明鐵路測(cè)線地表已經(jīng)開始移動(dòng)。隨著工作面繼續(xù)往前推進(jìn)，鐵路也開始持續(xù)輕緩下沉，地表穩(wěn)定后下沉量?jī)H為95mm，最大下沉點(diǎn)位于工作面正上方中部的14號(hào)觀測(cè)點(diǎn)。

圖7 鐵路下沉量

工作面運(yùn)輸巷推過(guò)鐵路10m時(shí)，下沉速度達(dá)到最大，最大值為1.4mm/d?！督ㄖ?、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》附錄四“地表移動(dòng)與變形值的預(yù)計(jì)及參數(shù)求取方法”中指出，“在移動(dòng)過(guò)程的延續(xù)時(shí)間內(nèi)，地表下沉速度大于50mm/月 (1.7mm/d) (煤層傾角小于 45°)，或大于30mm/m(煤層傾角大于45°)的時(shí)間稱為活躍期”。工作面煤層傾角平均為6°，下沉速度小于50mm/月 (1.7mm/d)，說(shuō)明沒(méi)有出現(xiàn)明顯的活躍期。

經(jīng)計(jì)算，鐵路傾斜最大值為0.627mm/m;水平移動(dòng)最大值為39mm;水平變形最大值為0.503mm/m;曲率變形最大值為0.011/km。

《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》第27條對(duì)于磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級(jí)中Ⅰ級(jí)損壞等級(jí)地表變形值有如下規(guī)定:水平變形 ε≤2.0mm/m;曲率 K≤0.2/km;傾斜 i≤3.0mm/m。7606工作面開采期間的各種變形值均遠(yuǎn)小于規(guī)定值，說(shuō)明地面各類建筑物損壞等級(jí)控制在Ⅰ級(jí)范圍內(nèi)。從地面建筑物的實(shí)際觀測(cè)情況來(lái)看，只有機(jī)修車間由于建筑物跨度大，墻壁上出現(xiàn)一條1mm寬的細(xì)微裂縫，其他建筑物完好無(wú)損，無(wú)需維修，完全可以安全使用。

4 結(jié)論

矸石及粉煤灰充填開采大幅減少了地表下沉;下沉速度趨緩，無(wú)明顯的活躍期;水平變形、曲率、傾斜3種變形值得到有效控制，地表建筑物可以安全使用。矸石及粉煤灰充填開采對(duì)于減少地表移動(dòng)與變形的效果是顯著的。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量不同觀測(cè)點(diǎn)的墻體裂縫，出現(xiàn)的裂縫寬度均小于2mm，建筑物的損壞程度均為極輕微損壞，不用處理可正常使用。

科學(xué)合理的配比充填材料在投入使用過(guò)程中具有良好的穩(wěn)定性能，能有效地控制和改變采空區(qū)上覆巖層活動(dòng)規(guī)律，確保地面建筑物完好使用。

［1］錢鳴高，許家林，繆協(xié)興.煤礦綠色開采技術(shù) ［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32(4):343－348.

［2］張吉雄.矸石直接充填綜采巖層移動(dòng)控制及應(yīng)用研究［D］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)，2008.

［3］趙昕楠，節(jié)茂科，張吉雄.采后充填固體充填材料力學(xué)特性測(cè)試研究 ［J］.煤礦開采，2010，15(5):18－20，72.

［4］繆協(xié)興，張吉雄.矸石充填采煤中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析 ［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，2(4):379－382.

［5］郝寶生.建筑物下綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)［J］.煤礦開采，2010，15(3):39－41.

［6］劉建功，趙慶彪.煤礦充填法采煤［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2011.

［7］孔憲京.微小應(yīng)變下堆石料的變形特性［J］.巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23(1):32－37.

［8］姜振泉，趙道輝，隋旺華，等.煤矸石固結(jié)壓密性與顆粒級(jí)配缺陷關(guān)系研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1999(3).

［9］岑傳鴻，竇林名.采場(chǎng)頂板控制及監(jiān)測(cè)技術(shù)［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.

［10］錢鳴高，茅獻(xiàn)彪，繆協(xié)興.采場(chǎng)覆巖中關(guān)鍵層上載荷的變化規(guī)律 ［J］.煤炭學(xué)報(bào)，1998.

［11］國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

［12］錢鳴高，繆協(xié)興，許家林，等.巖層控制的關(guān)鍵層理論［M］.徐州:中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.