綜放工作面膏體充填條帶開采研究

朱萌萌，梁嘯塵，任 禹，張 恒

(1.安徽理工大學(xué)采礦工程系， 安徽淮南市 232001;2.山東省新汶礦業(yè)集團水簾洞煤礦， 陜西咸陽市 712000)

隨著煤礦開采深度逐步轉(zhuǎn)向增大，淺部煤層多為“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)壓煤及留設(shè)的煤柱。利用條帶開采與充填相結(jié)合的方法可解決壓煤的問題。條帶充填時，充填材料能夠及時減小頂板巖層的自由活動空間，降低覆巖下沉變形量，可以減小開采對地表沉陷的影響［1-2］，保證建筑物安全，同時可為企業(yè)創(chuàng)造一定的經(jīng)濟效益。

1 開采地質(zhì)條件

某礦開采3煤層，煤層厚度6.5～7.3 m，平均6.8 m;煤層傾角5°～10°。煤層底板標(biāo)高為 －260～－380 m，煤層埋深300～420 m，壓煤面積大。2811工作面采用綜放開采，直接頂以粉砂巖為主，平均厚度2.04 m，次為泥巖，平均厚2.54 m，直接底以泥巖為主，平均厚1.45 m，次為粉砂巖和細(xì)砂巖。

2 條帶充填開采技術(shù)分析

2.1 合理滯留煤柱尺寸

條帶開采后，煤柱處于相對分割的狀態(tài)，在頂板的壓力下，承受來自頂板的壓力，在其邊緣遭受破壞后會形成一定范圍的“屈服區(qū)”，如圖1所示。

煤柱中央部分相對穩(wěn)定、承載的區(qū)域稱為“核區(qū)”S［3］。而只有保留煤柱寬度在屈服帶寬度的兩倍以上時，就會存在核區(qū)。

式中:m—開采厚度，m;

H—開采深度，m。

圖1 煤柱合理承載寬度計算原理

2811工作面埋深H為390 m，開采厚度m為2.0m時，安全的窄煤柱寬度應(yīng)大于7.65 m;開采厚度為3.4 m時，安全的窄煤柱寬度應(yīng)大于12.99 m;開采厚度為4.0 m時，安全的窄煤柱寬度應(yīng)大于15.28 m;開采厚度為7.0 m時，安全的窄煤柱寬度應(yīng)大于26.76 m。

由于待回收的條帶遺留煤柱寬度為約60 m，掘巷期間的煤柱最小寬度為44 m，開采寬度較大，均大于安全開采寬度，且開掘兩側(cè)回采巷道后中間煤柱的寬度仍然大于安全開采寬度，因此遺留的條帶煤柱穩(wěn)定性較好，可進行開采。

2.2 充填體承受載荷計算

滯留條帶煤柱開采后，按照采空區(qū)上覆巖層重力全部轉(zhuǎn)移到充填體上，并與之共同形成一個“頂板－充填體－底板”圍巖穩(wěn)定體系［4－5］。充填體所受載荷計算模型見圖2，圖中陰影部分即為煤柱承受上覆巖層重力的計算范圍。

對于圖2(a)，充填體承擔(dān)其正上方及其兩側(cè)各一半采空區(qū)上的巖層重力。對于圖2(b)、(c)，充填體承擔(dān)其正上方及其兩側(cè)各一部分采空區(qū)上的巖層重力。其中，圖2(b)稱為超臨界狀態(tài)，圖2(c)稱為亞臨界狀態(tài)。一般認(rèn)為，當(dāng)We/H＞2tanθ或We＞0.6H，為超臨界狀態(tài);當(dāng) We/H ＜2tanθ或 We＜0.6 H，為亞臨界狀態(tài)。

對于圖2(a)所示最危險狀態(tài)，載荷計算式為:

式中，γ——煤柱上覆巖層平均容重，取 0.025 MPa/m;

H——平均采深，取380 m;

圖2 充填體受載計算模型

We——煤層采出條帶寬度，取50 m;

Wp——條帶煤柱寬度，取60 m。

對于圖2(b)所示超臨界狀態(tài)，載荷計算式為:

對于圖2(c)所示亞臨界狀態(tài)，載荷計算式為:

滯留煤柱充填開采后，按照采空區(qū)上覆巖層重力全部轉(zhuǎn)移到充填體，充填體承擔(dān)其上方及其兩側(cè)各一半的采空區(qū)上的巖層重力。此狀態(tài)承受載荷最大，也最為危險狀態(tài)。此狀態(tài)充填體所受載荷計算式為:

代入數(shù)據(jù)，可得危險狀態(tài)下充填體所受載荷17.4 MPa，超過承載能力后，充填體會被破壞。

2.3 充填體容許載荷計算

膏體充填開采后，充填體處于單向受力狀態(tài)。理論上，單軸應(yīng)力狀態(tài)下的煤體容許強度［σ］的計算公式有4種［6］:分別是 Obert－Kwvall/Wang公式(適用于寬高比為1～8的煤柱)、Holland公式(適用于寬高比為2～8的煤柱)、Salamon－Mnuro公式以及Bienia wski公式。

由Bienia wski公式可知，滯留條帶煤柱開采后，充填體容許強度［σ］的可由下式計算:

w/h——煤柱寬高比;

n當(dāng) w/h＞5時取1.4。

根據(jù)2811工作面條件，膏體充填工作面寬度為48 m，采高為6.4 m 計算，w/h=7.5 ＞5，n 取1.4，參照條帶煤柱強度穩(wěn)定性評價方法［7］，所以充填體容許強度計算公式為:

按照Bienia wski計算式，代入1312工作面充填開采條件參數(shù)，即煤層埋深平均390 m，厚度平均3.2m，煤柱寬度為60 m，充填體最小寬度44 m，按照保守估計取1312工作面左右兩側(cè)采空區(qū)寬度50 m，得出充填開采時充填材料的28 d強度大于2.0 MPa即可實現(xiàn)充填體的長期穩(wěn)定，此時安全系數(shù)達到3.0。

3 膏體配比及強度試驗

3.1 膏體材料的抗壓強度

選用合理的矸石破碎設(shè)備，使得矸石的破碎粒徑小于10 mm，其中小于4.75 mm顆粒含量占80%以上，80 μm以下的顆粒含大于15%，根據(jù)膏體輸送性能及充填體強度設(shè)計要求，破碎的矸石中細(xì)粒度物料可取代粉煤灰做集料，所以只需將破碎的煤矸石、膠凝結(jié)料和水按比例混合攪拌即可得到合格的充填膏體。

圖3(a)、(b)分別是膏體膠結(jié)料和在普通水泥不同用量的條件下煤矸石膏體充填材料強度實驗結(jié)果。膏體膠結(jié)料的摻量在120～240 kg/m3之間，普通水泥的摻量在240～400 kg/m3之間，摻量越大，充填材料各齡期抗壓強度越高。對比膏體膠結(jié)料與普通水泥作為膠凝材料的膏體強度，兩者用量相同時(240 kg/m3)，膏體膠結(jié)料8 h強度達到0.10 MPa以上，普通水泥8 h無法拆模，無強度，而膏體膠結(jié)料的28 d強度是普通水泥的2.09倍，達到了8.39 MPa。再比較兩者的各齡期強度，膏體膠結(jié)料用量在普通水泥一般的情況下即達到了與普通水泥膏體材料相同的強度。

圖3 各材料用量與充填材料抗壓強度關(guān)系

3.2 煤矸石膏體材料的應(yīng)力－應(yīng)變特征

圖4是不同膏體膠結(jié)料用量下的試件28 d單軸應(yīng)力－應(yīng)變曲線。試件的一般破壞機理可以概括為:首先是粗骨料和膠結(jié)材料的界面及膠結(jié)材料的內(nèi)部形成微裂紋;應(yīng)力增大后，微裂紋逐漸的延伸和擴展，并連通成宏觀裂紋，試件承載力大大下降［8］。從圖4的應(yīng)力應(yīng)變曲線可以看出，試件具有良好的彈性變形能力，煤矸石膏體材料破壞前的變形很小，不超過2%，壓縮率不大于3%。

為保證充填體抗壓強度能滿足工程需要，相應(yīng)的配比為:膏體膠結(jié)料200～250 kg/m3;煤矸石1100～1300 kg/m3;煤礦井水400～420 kg/m3。

4 工程實踐

開采煤層平均厚為6.8 m，而充填支架的最大高度為3.8 m，因此需分層充填開采。確定2811工作面分2層充填開采，分層采厚為3.2 m。先采頂分層，后采底分層。

根據(jù)2811工作面的特點，設(shè)立2條觀測線來監(jiān)測地表沉降。

圖4 試塊28 d應(yīng)力－應(yīng)變曲線

對應(yīng)的參數(shù)為:地表下沉系數(shù)q=0.08;水平移動系數(shù)b=0.24;主要影響角正切 tanβ=1.67;開采影響傳播角 θ=86.6°，見圖5。

圖5 傾向剖面示意

經(jīng)過觀測確定，2811面充填開采期間地表變形最大值為115 mm。

5 結(jié)論

(1)“三下”壓煤時，易留設(shè)條帶煤柱。進行條帶充填開采時，滯留條帶煤柱寬度要大于安全開采寬度，以保證其穩(wěn)定性。

(2)充填體承受上覆巖層的部分壓力，所受載荷必須介于容許載荷與最大承受載荷之間，才能保證其安全性。

(3)破碎煤矸石、膠凝結(jié)料和水按比例混合攪拌成的充填膏體抗壓強度大，彈性變形強，優(yōu)于普通水泥膠結(jié)充填料，且取料方便、操作簡單。

(4)充填開采，既減小開采對地表沉陷的影響，又提高資源利用率。

［1］錢鳴高，石平五.礦山壓力與巖層控制［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［2］何國清，楊 倫，等.礦山開采沉陷學(xué)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

［3］孫希奎.利用矸石充填置換開采條帶煤柱的新技術(shù)［J］.煤炭學(xué)報，2008，33(3):259-263.

［4］劉同有.充填采礦技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2001.

［5］趙才智.煤礦新型膏體充填材料性能及其應(yīng)用研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)，2008.

［6］許家林，軒大洋，朱衛(wèi)兵.充填采煤技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］.采礦技術(shù)，2010，11(3):24-29.

［7］李興尚.建筑物下條帶開采冒落區(qū)注漿充填減沉技術(shù)的理論研究［D］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)，2008.

［8］徐乃忠，張玉卓.覆巖離層注漿控制地表沉陷技術(shù)的應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2000，28(9):1-3.