建筑群下構(gòu)造帶傾斜條帶充填開采實(shí)踐

汪華君，陳善樂,2

(1.畢節(jié)學(xué)院資源與安全工程學(xué)院， 貴州 畢節(jié)市 551700；2.遼寧工程技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程學(xué)院， 遼寧 阜新市 123000)

南下冶煤礦開采煤層可采煤量82.9%位于村莊建筑物下，傳統(tǒng)條帶開采損失大量煤炭資源，影響礦井可持續(xù)發(fā)展與服務(wù)年限。為提高回采率，降低經(jīng)濟(jì)損失，進(jìn)行了充填條帶開采技術(shù)的探索與實(shí)踐。

1 開采條件概況

1.1 煤層條件

南下冶煤礦主采煤層為3、4、19煤層，基礎(chǔ)儲(chǔ)量340.3萬t。3、4煤層間距11.6 m，4、19煤層間距187.9 m。其中3、4煤層為薄煤層，平均煤層厚度分別為0.9,0.89 m，19煤層為中厚煤層，平均厚度為2.02 m。煤層總體構(gòu)造形態(tài)為一走向105°～285°左右，傾向15°，傾角20°～25°，平均22°的單斜構(gòu)造，煤層傾角平均24°。

1.2 地質(zhì)構(gòu)造情況

斷裂構(gòu)造比較發(fā)育，落差10 m以上的斷層計(jì)22條，均為正斷層。其中一采區(qū)主要斷層的產(chǎn)狀、落差詳見表1。

表1 南下冶煤礦一采區(qū)斷層

1.3 地面建筑情況

井田范圍內(nèi)地面村莊稠密，建筑主要為住宅樓、學(xué)校和村莊民房等?；A(chǔ)儲(chǔ)量中村莊等建筑物下壓煤總量占82.9%，因此初步設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量?jī)H為154.3萬t。其中一采區(qū)上西溝新村，共有5層住宅樓7座，長(zhǎng)度均超過20 m，占地面積約19000 m2，人口1500人；學(xué)校占地面積約33000 m2，有3層樓4座，4層樓2座，長(zhǎng)度均超過20 m；另一壓煤村莊顏莊村人口3100人左右，建筑有沿街樓和民房，其中沿街樓為2層，大約40余座，長(zhǎng)度均小于20 m；民房均為磚瓦結(jié)構(gòu)，約計(jì)8萬m2。

2 傾斜條帶充填開采方案

依據(jù)煤礦實(shí)際回采區(qū)域、開采情況以及井上下相對(duì)位置關(guān)系，結(jié)合該區(qū)域的實(shí)際地層結(jié)構(gòu)，按照國(guó)家煤炭工業(yè)局制定的《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》(以下簡(jiǎn)稱“三下”規(guī)程)的規(guī)定，參照長(zhǎng)壁開采條件下地表移動(dòng)與變形預(yù)計(jì)方法-概率積分法對(duì)南下冶煤礦地下開采引起的地表移動(dòng)變形進(jìn)行計(jì)算[1-6]。

計(jì)算參數(shù)參考臨近礦井南冶煤礦、潘西煤礦，結(jié)合本區(qū)的具體覆巖巖性、地質(zhì)采礦條件和開采方法及采空區(qū)處理方法，分別對(duì)以下3種情況進(jìn)行地表移動(dòng)與變形預(yù)測(cè)：

(1) 3、4煤層垮落法開采時(shí)地表變形量；

(2) 3煤層垮落法開采，4煤層充填條帶開采時(shí)地表變形量；

(3) 3、4煤層全部充填條帶開采時(shí)地表變形預(yù)計(jì)。

參數(shù)選擇見表2～表4，計(jì)算變形指標(biāo)主要有：地表下沉、地表水平變形、地表傾斜、地表水平移動(dòng)。計(jì)算結(jié)果見表5。

從表2～表5分析可知，3、4煤層全垮落法開采后，走向方向傾斜變形、傾向方向地表水平變形和傾斜變形值都超過了破壞等級(jí)III級(jí)；全垮落法開采3煤層、充填開采4煤層后，地表變形預(yù)計(jì)傾向方向地表水平變形和傾斜變形值都超過了破壞等級(jí)II級(jí)；充填法開采3、4煤層后，地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)每個(gè)指標(biāo)都小于破壞等級(jí)I級(jí)的指標(biāo)，地表變形控制程度較好。

為保護(hù)地表建筑物，同時(shí)提高煤炭回采率，確定采用充填法開采3、4層煤炭。

城市燃?xì)饧词侵柑烊粴?，主要是通過城市燃?xì)夤倬W(wǎng)進(jìn)行輸送，結(jié)合相關(guān)調(diào)查研究來看，輕微的燃?xì)庑孤恫⒉粫?huì)帶來負(fù)面影響，但當(dāng)其燃?xì)庑孤兜臐舛瘸^15%之后，就會(huì)對(duì)人體造成危害，具體表現(xiàn)為因缺氧引起的中樞神經(jīng)損害，進(jìn)而出現(xiàn)昏迷或是死亡。同時(shí)，燃?xì)庖兹家妆ǖ奶匦允沟闷淙細(xì)庑孤冻蔀槌鞘谢馂?zāi)的主要引發(fā)原因之一。此外，燃?xì)庑孤哆€會(huì)對(duì)大氣環(huán)境造成一定的污染。

表2 3、4煤層全跨落地表移動(dòng)與變形計(jì)算參數(shù)

注：q-煤層開采下沉系數(shù)；tgβ-影響角正切；b-水平移動(dòng)系數(shù)；θ-開采影響傳播角；S—拐點(diǎn)平移距。

表3 3煤層全跨落開采、4煤層充填開采地表移動(dòng)與變形計(jì)算參數(shù)

表4 3、4煤層充填開采地表移動(dòng)與變形計(jì)算參數(shù)

3 充填條帶開采方案設(shè)計(jì)[7-9]

3.1 工作面布置及回采順序

根據(jù)地質(zhì)資料和以往開采資料及經(jīng)驗(yàn)，3、4煤層的直接頂為穩(wěn)定的粉砂巖或中砂巖，不易垮落，初跨距離達(dá)到25～30 m。因此，回采條帶寬度最佳寬度為15～20 m，采區(qū)條帶劃分見圖1。工作面走向布置，長(zhǎng)度60 m，回采方法和普通垮落法相同。在一個(gè)條帶采完后，撤出設(shè)備，進(jìn)入相隔條帶回采，留下的空區(qū)隨后充填。待已采的兩側(cè)條帶空區(qū)充填完畢并固化后，再采所留條帶，隨后充填空區(qū)。開采順序?yàn)橄纫来位夭散?、Ⅲ、Ⅴ條帶，充填完成后，再依次回采Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ條帶。

3.2 充填工藝設(shè)計(jì)

為保證條帶回采第二個(gè)循環(huán)(兩個(gè)充填條帶之間的條帶)回采安全，第一次條帶采空區(qū)充填的強(qiáng)度要高一些。參照以往礦山充填經(jīng)驗(yàn)，充填體強(qiáng)度可取2.0 MPa左右。第二次條帶采空區(qū)充填的強(qiáng)度可以低一些，只要達(dá)到固化要求就行，可取0.3～0.5 MPa。

表5 不同開采方案地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)

圖1 條帶采充工序

充填條帶開采關(guān)鍵技術(shù)是條帶回采之后的空區(qū)頂板保護(hù)，特別是下部擋墻和上部充填口附近的頂板保護(hù)要解決好，否則將造成充填的困難，影響充填接頂。因此，在回采過程中，隨著工作面的前移，采用粉煤灰加氣混凝土砌塊砌筑上下?lián)鯄Γ訌?qiáng)和維護(hù)上下?lián)鯄Ω浇捻敯?。設(shè)計(jì)下部擋墻寬0.9 m，上部擋墻0.6 m。上部擋墻留出充填口，下部擋墻預(yù)埋排水管(見圖2、圖3)。

充填之前，采空區(qū)可能局部冒落?？紤]到煤層傾角達(dá)到24°，直接頂4～5 m，只要上下?lián)鯄ζ鲋皶r(shí)保證質(zhì)量，配合進(jìn)風(fēng)回風(fēng)巷已有的維護(hù)措施，充填口近距離內(nèi)不會(huì)發(fā)生大的冒落，可以保證充分接頂。

為保證濾水效果，在工作面推進(jìn)過程中，間隔4～5 m預(yù)置一根濾水管。

3.3 充填材料選擇

充填主料：利用井下所產(chǎn)矸石(廢石)和當(dāng)?shù)胤勖夯摇Ｆ渲许肥吓c粉煤灰所占比例為2∶1。矸石(廢石)加工后粒度不大于10 mm，小于5 mm的粒度應(yīng)占50%以上。

充填輔料：減水劑。

膠結(jié)材料：高水速凝型膠固料。

圖2 條帶采空區(qū)充填

圖3 充填擋墻設(shè)計(jì)

3.4 充填體強(qiáng)度試驗(yàn)

料漿固化強(qiáng)度試驗(yàn)采用建筑材料試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，試塊尺寸7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm，在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室養(yǎng)護(hù)。試驗(yàn)齡期分3,7,28 d三種。選取試塊脫模質(zhì)量和試驗(yàn)結(jié)果較好的3塊試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，各種配比和齡期的強(qiáng)度值見表6。

表6中的“粉石比”指粉煤灰與碎石之比，濃度為質(zhì)量百分比。考慮到破碎成本問題，試驗(yàn)主要采用粗粒碎石，也給出了部分細(xì)粒碎石的試驗(yàn)結(jié)果。

由表6可見，采用2號(hào)膠固料，灰料比1∶10，粉煤灰與碎石之比1∶2，料漿28 d的固化強(qiáng)度即超過3.0 MPa，滿足前期條帶空區(qū)充填要求。對(duì)于后期空區(qū)充填，采用1∶40的灰料比強(qiáng)度即達(dá)到0.38 MPa，完全滿足要求。

3.5 分布充填工藝設(shè)計(jì)

(1) 第一步回采的條帶充填料配比及充填體強(qiáng)度。根據(jù)采煤工藝要求，回采時(shí)采用條帶式二步開采法，第一步對(duì)劃分的采煤條帶進(jìn)行間隔式回采，嗣后進(jìn)行一次性充填。該條帶充填后，對(duì)第二步回采相鄰條帶時(shí)要起支撐作用，參照冶金礦山充填經(jīng)驗(yàn)[1]，充填體強(qiáng)度取2.0 MPa左右。

充填料配比為充填主料：高水速凝型膠固料=10∶1。充填輔料減水劑根據(jù)情況適當(dāng)加人，應(yīng)控制在高水速凝型膠固料用量的0.2%～0.5%。

表6 2號(hào)膠固料試塊抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

(2) 第二步回采的條帶充填料配比及充填體強(qiáng)度。第二步對(duì)剩下條帶回采后，對(duì)空區(qū)進(jìn)行一次性充填，充填體的強(qiáng)度可以低一些，只要達(dá)到固化要求就行，可取0.2～0.4 MPa。充填料配比為充填主料：高水速凝型膠固料=30∶1～40∶1。充填輔料減水劑根據(jù)情況適當(dāng)加人，應(yīng)控制在高水速凝型膠固料用量的0.2%～0.5%。

3.6 地表移動(dòng)觀測(cè)站設(shè)置

為了掌握一采區(qū)各煤層回采工作面開采引起的地表移動(dòng)變形的基本規(guī)律，監(jiān)測(cè)開采對(duì)地面村莊房屋的影響情況，在一采區(qū)開采過程中，沿近工作面走向和傾斜方向，在村莊公路和205國(guó)道上布置觀測(cè)線，并根據(jù)設(shè)計(jì)工作面的布置情況及開采順序，分別在開采影響村莊內(nèi)，尤其在一些主要建筑物上，布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)，嚴(yán)格按照《煤礦測(cè)量規(guī)程》的基本要求，定期進(jìn)行觀測(cè)和監(jiān)測(cè)，及時(shí)分析觀測(cè)資料。

4 結(jié) 論

(1) 條帶充填開采應(yīng)用效果明顯。對(duì)覆巖破壞較小，只引起開裂性破壞而無冒落性破壞，地表移動(dòng)變形監(jiān)測(cè)表明，3煤層使用條帶開采后，地表最大下沉值為50 mm，地表磚混結(jié)構(gòu)建筑物無開裂破壞現(xiàn)象，地表變形控制程度較好。

(2) 該技術(shù)應(yīng)用后，無地面建筑、人員搬遷，減少民、企之間的社會(huì)矛盾，較好地維護(hù)了礦區(qū)社會(huì)穩(wěn)定；

(3) 減少了地面矸石的堆放量，實(shí)現(xiàn)了“綠色開采”，保護(hù)了礦區(qū)生態(tài)環(huán)境；

(4) 延長(zhǎng)了礦井服務(wù)期，可多采煤20.41萬t,提高了煤炭資源回采率，直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)3212.53萬元，總體經(jīng)濟(jì)效益達(dá)1.38億元。

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