小煤礦破壞區(qū)關鍵承載層的構(gòu)建機理與應用

吳 銳 徐金海 王中亮 吳吉南，3 秦 帥

(1.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008；2.深部煤炭資源開采教育部重點實驗室， 江蘇 徐州 221008； 3.中煤平朔集團有限公司，山西 朔州，036006)

小煤礦破壞區(qū)關鍵承載層的構(gòu)建機理與應用

吳 銳1，2徐金海1，2王中亮1，2吳吉南1，2，3秦 帥1，2

(1.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇 徐州 221008；2.深部煤炭資源開采教育部重點實驗室， 江蘇 徐州 221008； 3.中煤平朔集團有限公司，山西 朔州，036006)

礦井井田開采范圍被小煤礦破壞的現(xiàn)象普遍存在，為避免煤炭資源的浪費，提出以構(gòu)建關鍵承載層為基礎的小煤礦破壞區(qū)先充填后復采的處理方法。建立了破壞區(qū)頂板垮冒沖擊關鍵承載層的力學模型，研究了破壞區(qū)關鍵承載層厚度的確定方法、充填材料的選擇及分層充填技術。結(jié)果表明：平朔井工二礦復采面關鍵承載層厚度達到5 m能保障頂板和煤壁的穩(wěn)定性；用無機材料對破壞區(qū)進行分層充填形成強度不同的截割層和關鍵承載層，使其達到正常煤層的回采要求并降低了成本。研究結(jié)果對類似條件下的煤層開采有理論價值和實際指導意義。

小煤礦破壞區(qū) 充填復采 關鍵承載層 人工頂板 分層充填

煤炭作為不可再生能源，其儲量是有限的，如何合理開采，減少資源浪費是不容忽視的問題。我國新疆、內(nèi)蒙古、山西和陜西煤炭資源豐富，占全國資源總量的81.3%，但是許多大的礦業(yè)集團的井田開采范圍都存在被小煤礦破壞的情況[1-4]，初步統(tǒng)計，我國受小煤礦破壞的煤層儲量達幾十億噸，如何開采這些煤層已成為目前煤炭資源整合企業(yè)迫切需要解決的問題。

小煤礦一般采用刀柱或倉房式等落后的采煤法，回采率極低[5-7]，如中煤平朔井工二礦開采范圍內(nèi)原有小煤礦煤炭資源回收率普遍在10%～15%之間。一經(jīng)小煤礦破壞后的煤層，難以布置常規(guī)的高產(chǎn)高效復采面，嚴重地影響了礦井的可采儲量和服務年限[8]，給國家煤炭資源帶來嚴重的破壞。復采面內(nèi)遇到小煤礦破壞區(qū)時，目前常用的辦法是采取跳面或刀把式回采，如大同燕子山礦采用小搬家及超前支護技術，繞過小煤礦破壞區(qū)，形成刀把式綜采復采面[9]。

對于小煤礦破壞區(qū)的煤炭資源，若在確保安全、保證經(jīng)濟效益的前提下，預先將原小煤礦破壞區(qū)充填密實，是完全可以布置正規(guī)綜放面進行復采的。小煤礦破壞區(qū)的復采能增加煤炭采出率，從而延長礦井的服務年限。

目前小煤礦破壞區(qū)的復采尚處于探索階段，如紅會一礦采用鉆孔灌注黃泥漿充填小煤礦破壞區(qū)[10]；邯鄲云駕嶺煤礦運用高水材料對小煤礦采動破壞區(qū)域充填注漿[11]?，F(xiàn)有的小煤礦破壞區(qū)復采技術尚不能形成系統(tǒng)的研究成果去指導生產(chǎn)實踐，因此，研究小煤礦破壞區(qū)復采技術具有重要的現(xiàn)實意義和推廣應用價值。

1 工程概況

中煤平朔井工二礦主采煤層為4號煤和9號煤，2層煤平均間距為36 m。B909工作面長度為300 m，推進長度為1 570 m，煤層平均厚度為12.4 m，平均傾角為2.3°，煤層頂板以中粗砂巖為主，局部為細砂巖和灰黑色泥巖，抗壓強度為10～12 MPa。采用綜放采煤法，ZFY12000/23/40D型液壓支架。

對B909工作面小煤礦破壞區(qū)探測，發(fā)現(xiàn)工作面共有7個小煤礦破壞區(qū)，其分布如圖1所示。B909工作面揭露的小煤礦采空區(qū)有少量水，無瓦斯等有害氣體，破壞區(qū)的跨度為10～25 m，長度為20～60 m，高度為8～18 m。小煤礦破壞區(qū)影響范圍約28 000 m2，占整個工作面47 hm2的5.96%，用較低的充填費用即可實現(xiàn)復采。

圖1 B909工作面小煤礦破壞區(qū)分布

2 小煤礦破壞區(qū)關鍵承載層的構(gòu)建機理

2.1 充填體關鍵承載層的提出

小煤礦破壞區(qū)治理的目的是通過灌漿、充填等手段，構(gòu)建人工截割層和人工頂板，使得復采工作面安全推過小煤礦破壞區(qū)。為達到充填效果與成本的最優(yōu)化，充填時不充滿整個采空區(qū)，并且采用分層充填的技術治理破壞區(qū)，即從下到上分別構(gòu)筑強度不同人工截割層和承載頂板。截割層是指位于小煤礦破壞區(qū)底部需被采煤機截割的充填層，其厚度與采高相同，強度無須達到煤層的強度，便于采煤機截割、保證煤壁不片幫即可。

承載頂板是指在截割層之上的，能減緩小煤礦破壞區(qū)頂板垮落的煤巖層對工作面頂板沖擊影響和起主要承載作用的充填體，此承載頂板的穩(wěn)定性關系到工作面能否安全通過小煤礦破壞區(qū)，因此，承載頂板又稱為關鍵承載層，如圖2所示。只要小煤礦破壞區(qū)頂板垮落的煤巖層產(chǎn)生的沖擊力不會造成復采時綜放工作面的液壓支架和人工頂板的失穩(wěn)，工作面就可以安全通過破壞區(qū)，因此確定關鍵承載層的厚度與充填材料至關重要。

圖2 小煤礦破壞區(qū)關鍵承載層的構(gòu)建

2.2 小煤礦破壞區(qū)關鍵承載層厚度的確定

為節(jié)約充填成本，充填時不充滿破壞區(qū)，回采過程中破壞區(qū)頂板將垮落沖擊關鍵承載層，并傳遞至液壓支架，因此構(gòu)筑的關鍵承載層需達到一定強度和厚度，避免壓垮支架；另外，復采工作面過小煤礦破壞區(qū)時，采煤機截割充填體后3架液壓支架未及時移架，端面距較大，如此時小煤礦破壞區(qū)未充填上部出現(xiàn)大面積垮落，工作面端面距頂板將受到較大的沖擊，可能引起關鍵承載層失穩(wěn)，并導致工作面端面大面積垮落。關鍵承載層厚度的確定方法即是根據(jù)以上的沖擊問題建立力學模型，計算得到關鍵承載層失穩(wěn)的臨界厚度。

2.2.1 液壓支架不壓垮情況下關鍵承載層厚度M

破壞區(qū)頂板未垮落時，支架受到關鍵承載層的靜載作用力

P=ρblgM,

(1)

式中，P為支架受到關鍵承載層的靜載力；ρ為關鍵承載層的密度；b為單架液壓支架的寬度；l為液壓支架的長度；g為重力加速度；M為關鍵承載層的厚度。

垮落煤巖層沖擊關鍵承載層和液壓支架時，液壓支架受承載的力學模型見圖3。

圖3 液壓支架受承載的力學模型

當垮落的煤巖層沖擊單個液壓支架上方的關鍵承載層時，所產(chǎn)生沖擊載荷為

(2)

式中，P′為垮落的煤巖層重量，Kd為動載因素。

由材料力學知：

(3)

(4)

式中，H為小煤礦破壞區(qū)頂板至關鍵承載層的距離；Δ為煤巖層靜止載荷作用在關鍵承載層上時，關鍵承載層的變形量；k為關鍵承載層和支架的組合剛度。

根據(jù)震動的相關理論：

(5)

式中，k1和k2分別為關鍵承載層和支架的剛度，k1=(Elb)/M，E為關鍵承載層的彈性模量。

由式(3)、(4)和(5)得：

(6)

則液壓支架受沖擊載荷不壓垮的條件是：

(7)

式中，F(xiàn)j為液壓支架極限載荷。

2.2.2 復采面端面距不破壞情況下關鍵承載層厚度M1

如圖4所示，若復采面內(nèi)未及時移架的液壓支架處的端面距頂板發(fā)生剪切破壞，則端面距頂板側(cè)向所受的剪應力：

圖4 小煤礦破壞區(qū)充填復采剖面圖

(8)

式中，M1為關鍵承載層厚度，F(xiàn)1為小煤礦破壞區(qū)上部垮落的煤巖體對端面距上方關鍵承載層的沖擊力，l1為液壓支架至煤壁的距離即端面距，b1為未及時移架的液壓支架寬度。

關鍵承載層所受的沖擊載荷：

(9)

式中，P1為垮落的煤巖層重量，Kd1為動載荷因素。

由材料力學知：

(10)

(11)

式中,H1為小煤礦破壞區(qū)頂板與關鍵承載層的距離；Δ1為矸石靜止載荷壓縮作用在充填體時充填體的變形量；E為關鍵承載層的彈性模量。

由式(10)和(11)得：

(12)

廣義胡克定律：

(13)

式中，μ為泊松比。

邊界條件

(14)

(15)

代入式(13)得

(16)

根據(jù)摩爾庫倫破壞準則

(17)

式中，c為黏聚力，φ為內(nèi)摩擦角。

由式(3)-(8)和(3)-(17)得

(18)

所以

(19)

若復采面端面距頂板不破壞，則

(20)

2.2.3 B909工作面關鍵承載層厚度的計算

B909工作面內(nèi)小煤礦破壞區(qū)高度8～18 m，計算關鍵承載層厚度時高度取其最大值18 m，由于采高為3.5 m，因此H為14.5-M，H1為14.5-M1。支架的型號為ZFY12000/23/40D，其極限載荷Fs為12 000 kN，b為1.8 m，l為5 m，l1為1.2 m，b1為3架液壓支架的寬度5.4 m，ρ為2 300 kg/m3，ρ1為2 500 kg/m3，g為10 m/s2。通過計算和實驗室試驗得出P為1 375 kN，P1為972 kN，E為1.5 GPa，k2為2×107N/m，μ為0.19，c為3.05 MPa，φ為18°。

根據(jù)液壓支架受沖擊載荷不壓垮的條件，用Mathcad軟件計算出Z(M)=P+F-Fj的曲線圖,見圖5,即求出關鍵承載層的厚度需滿足M>3 m。

圖5 Mathcad計算結(jié)果

同樣，根據(jù)工作面端面距不破壞的條件，將參數(shù)代入式(20)，可得M1為3.215 m。

因此，理論推導結(jié)果為取兩種情況下的最大值，為3.215 m。取1.5倍的安全系數(shù)關鍵承載層的厚度為4.823 m，將其取整數(shù)為5 m。即B909工作面內(nèi)小煤礦破壞區(qū)關鍵承載層的厚度達5 m可確保充填區(qū)頂板的穩(wěn)定，復采工作面可安全通過小煤礦破壞區(qū)。

3 小煤礦破壞區(qū)灌漿充填技術

3.1 工作面遇小煤礦破壞區(qū)處理方法

針對不同類型的小煤礦破壞區(qū)采取不同的處理方法：無垮落矸石煤堆的小煤礦破壞區(qū)，采用充填方法處理；存在已垮落的矸石煤堆的小煤礦破壞區(qū)，采用灌漿加固的方法處理矸石煤堆，防止復采過程中破碎的矸石煤堆發(fā)生片幫事故；同時，利用灌漿漿液滲透性強的特點，加固小煤礦破壞區(qū)灌漿范圍內(nèi)的圍巖裂隙。

3.2 灌漿與充填材料的選擇

灌漿與充填材料性能要求與選擇原則：強度易于調(diào)節(jié)、較好的流動性和滲透性、具可截割性、無毒環(huán)保、不易水化、可洗選、充填設備易操作。

目前國內(nèi)大量使用的材料中，灌漿充填主要有高水材料、發(fā)泡水泥和瑞米材料。由于高水材料不易洗選，只能排除。實驗室測出發(fā)泡水泥抗壓強度為5.59～6.43 MPa，瑞米Ⅱ號的抗壓強度為1.93～4.10 MPa，瑞米具有更好的流動性和滲透性，且強度更易調(diào)節(jié)，因此選擇瑞米Ⅱ號作為灌漿充填材料。

依據(jù)瑞米Ⅱ號的強度和綜放面支架對頂板比壓(約為1.25 MPa)，設計截割層的抗壓強度為2 MPa，關鍵承載層的抗壓強度為4 MPa。

3.3 小煤礦破壞區(qū)灌漿充填的實施

由于4號煤與9號煤間距小，平均間距為36 m，本次灌漿充填利用4號煤區(qū)段平巷向9號煤的小煤礦破壞區(qū)進行打鉆無壓灌漿方式充填。

3.4 小煤礦破壞區(qū)充填后的復采工藝

復采工作面內(nèi)小煤礦采空區(qū)充填后，工作面可正常推進，無需增補巷道，無需更改系統(tǒng)，復采工藝如下：

(1)放煤。為減少工作面采動對充填區(qū)域頂板和截割層穩(wěn)定性的影響，工作面在走向方向和傾向方向距小煤礦采空區(qū)10 m時停止放煤。

(2)降低采高。為更好的維護工作面截割層，在揭露小煤礦充填區(qū)域時降低采高，由正常采高3.8 m，降至3.5 m。

(3)超前移架及時支護。

(4)帶壓擦頂移架。

3.5 小煤礦破壞區(qū)充填復采效果

(1)通過在主運巷和小煤礦老巷內(nèi)布置礦壓觀測儀器，測出復采過程中主運巷和小煤礦老巷的表面位移和頂板離層變化小。

(2)灌漿充填材料與小煤礦破壞區(qū)周圍實體煤膠結(jié)良好，與實體煤形成了整體結(jié)構(gòu)，小煤礦破壞區(qū)充填后的人工假頂其強度和整體性都滿足了工作面頂板維護的需要，沒有發(fā)生片幫、支架端面漏冒的情況。

(3)工作面推進至充填區(qū)域時，液壓支架工作阻力出現(xiàn)波動，原因是支架受到了頂板冒落沖擊的作用，現(xiàn)場實測表明沖擊力未對支架的穩(wěn)定性造成影響。

4 結(jié) 論

(1)對已被小煤礦房柱式等開采方式破壞的煤層所形成的采空區(qū)或空洞，小煤礦充填復采技術采取先充后采的充填復采治理技術，即用無機材料對小煤礦破壞區(qū)進行充填，使其達到正常煤層的開采要求，從而實現(xiàn)安全高效開采。

(2)提出關鍵承載層概念，它是減緩小煤礦破壞區(qū)頂板垮落的煤巖層對工作面頂板沖擊影響和起主要承載作用的充填體，并通過理論計算和現(xiàn)場實踐表明，其厚度達到5 m就能滿足復采面頂板和煤壁的穩(wěn)定性。

(3)采用截割層與關鍵承載層強度不同的分層充填模式，達到充填效果與成本的最優(yōu)化。

(4)首次實現(xiàn)了厚煤層小煤礦破壞區(qū)域規(guī)?；踩咝筒?，多采出煤炭64萬t，新增利潤11 455萬元。

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(責任編輯 石海林)

Construction Mechanism and Application of Key Bearing Layer in Failure Area of Small Coal Mines

Wu Rui1,2Xu Jinhai1,2Wang Zhongliang1,2Wu Jinan1,2,3Qin Shuai1,2

(1.StateKeyLaboratoryofCoalResourcesandSafeMining，Xuzhou221008，China; 2.KeyLaboratoryofDeepCoalResourceMining，MinistryofEducation，Xuzhou221008，China; 3.ChinaCoalPingshuoGroupCo.，Ltd.，Shuozhou036800，China)

In the light of the fact that many underground mine fields are damaged by small coal mines，and in order to avoid serious damages to the limited coal resources，a secondary mining technology after backfilling was put forward based on building a key bearing layer in the failure area of small coal mines.The mechanical model of roof caving impacting on key bearing layer in destruction area was built，and the determining method of the thickness of key bearing layer in the failure area，the choice of backfilling materials，and the layered backfilling method were investigated respectively.The results showed that the key bearing layer with less than 5 m in thickness can ensure the stability of both roof and the coal walls in secondary mining of Pingshuo second coal mine.Inorganic materials were filled in failure areas of the small coal mines by levels to form cutting layer and key bearing layer with different strength，which made them meet the mining requirements of the normal coal seam and reduced the cost.The research results are of great theoretical and practical significance for the coal seam with similar conditions.

Failure area of small coal mines，Secondary mining with backfilling，Key bearing layer，Artificial roof，Layered backfilling method

2014-03-27

江蘇高校優(yōu)勢學科建設工程資助項目(編號：SZBF2011-6-B35)，國家重點實驗室自主課題項目(編號：SKLCRSM11X02)，江蘇省研究生培養(yǎng)創(chuàng)新工程項目(編號：CXZZ12_0953)。

吳 銳(1987—)，男，博士研究生。

TD853.39

A

1001-1250(2014)-08-148-05