條帶采空區(qū)穩(wěn)定性分析與治理對策研究

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(1.煤炭科學研究總院 礦山安全技術研究分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京 100013)

條帶采空區(qū)穩(wěn)定性分析與治理對策研究

劉義新1,2，黎靈1,2

(1.煤炭科學研究總院礦山安全技術研究分院，北京100013；2.煤炭資源高效開采與潔凈利用國家重點實驗室(煤炭科學研究總院)，北京100013)

采用安全系數(shù)法，結合條帶煤柱最小寬度、寬高比、采出率等對條帶采空區(qū)內遺留煤柱穩(wěn)定性進行分析、評價；在綜合分析國內外采空區(qū)治理技術、經(jīng)驗的基礎上，根據(jù)具體的地質采礦條件，提出了采用條帶煤柱充填回收治理對策，并結合具體實例進行了可行性論證，結果表明采用條帶煤柱充填回收治理條帶采空區(qū)技術可行、經(jīng)濟效益顯著。

條帶采空區(qū)；穩(wěn)定性分析；采空區(qū)治理；充填開采

條帶開采作為“三下”壓煤開采中一種控制覆巖破壞和減少地表沉陷的有效技術途徑，在國內外得到了廣泛應用[1-6]。該方法的本質是利用留設一定寬度的條帶煤柱支撐住上覆巖層，從而使地表產(chǎn)生較少的移動和變形。通常留設的條帶煤柱面積約占總開采面積的30%～60%，并且被永久地遺留在條帶采空區(qū)內，因而，造成了大量煤炭資源的浪費。同時，如果留設煤柱不合理，煤柱存在失穩(wěn)的可能，從而導致地表突然塌陷甚至誘發(fā)礦震。此外，條帶采空區(qū)的存在還會帶來一些其他安全隱患，例如采空區(qū)內遺煤自然發(fā)火、采空區(qū)積水等?？梢?，條帶采空區(qū)的存在一定程度上將會給煤礦的安全開采和采空區(qū)上方地表及一些受護對象(建筑物、水體等)帶來一些影響和隱患，從而制約著企業(yè)和地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，亟待對條帶采空區(qū)進行治理。目前缺少此方面的治理經(jīng)驗可供參考或借鑒[7-9]，因此，對條帶采空區(qū)的治理進行研究是非常必要的。

本文以榆林市榆陽區(qū)某煤礦條帶采空區(qū)為例[10]，在對條帶采空區(qū)穩(wěn)定性分析的基礎上，進行了條帶采空區(qū)遺留煤柱一旦失穩(wěn)的采動影響分析；根據(jù)已有的國內外采空區(qū)治理技術和經(jīng)驗，結合該礦的實際條件，提出了條帶采空區(qū)的治理對策，并進行了可行性分析。研究為類似條件下的采空區(qū)治理提供了參考和借鑒。

1 礦井概況

榆林市榆陽區(qū)某煤礦地處榆陽區(qū)水源地保護區(qū)，采用一斜兩立綜合開拓，開采標高為+1075～+1094m，開采3號煤層，條帶式開采，生產(chǎn)規(guī)模為0.60Mt/a。采用中央并列抽出式通風系統(tǒng)。巷道一般采用錨桿支護。據(jù)鉆孔揭露，礦區(qū)基巖地層有新近系上新統(tǒng)靜樂組、侏羅系中統(tǒng)延安組、下統(tǒng)富縣組，地表絕大部分被第四系全新統(tǒng)風積沙所覆蓋，厚度0～10m。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，煤厚6.55～8.85m。該煤層頂板以細砂巖為主，次為粉砂巖、泥巖等；底板以泥巖為主，次為粉砂質泥巖、粉砂巖。

為保護水源地，該煤礦一直采用采12m留8m的壁式條帶炮采。工作面寬約75m，采厚約6.5m，留設厚約1.2m頂煤，開采深度為130～160m。2008年4月開采至今，地下形成了一定范圍的采空區(qū)，采空區(qū)面積約為0.865km2，采空區(qū)內頂板暫時未垮落，基本完好，無積水，也沒有發(fā)現(xiàn)煤炭自燃現(xiàn)象，采空區(qū)上方地表也暫無塌陷區(qū)域。

2 條帶采空區(qū)穩(wěn)定性分析

理論分析和生產(chǎn)實踐證明，采用煤柱法控制頂板的采空區(qū)經(jīng)過一定的時間，在受到各種內外因素的影響后，可能發(fā)生煤柱失穩(wěn)，使頂板和地表產(chǎn)生破壞和移動變形。因此，對條帶開采形成的采空區(qū)內遺留煤柱穩(wěn)定性進行分析、評價是必要的。目前主要采用安全系數(shù)法對條帶煤柱穩(wěn)定性進行評價[1-3]。此外，為確保煤柱的穩(wěn)定性還需對條帶煤柱需要的最小寬度、煤柱寬高比、煤柱采出率等進行檢核。

2.1 安全系數(shù)法

當煤柱應力超過煤柱強度時，煤柱將失穩(wěn)破壞，因此煤柱的穩(wěn)定性主要用安全系數(shù)來評定，即煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)=煤柱強度/煤柱應力，安全系數(shù)一般應在1.5～2.0之間。在實際應用中，常采用A.H.Wilson計算公式，由于其簡單易行獲得了廣泛的應用。

長煤柱的極限承載能力為：

P長極=40γH(a-4.92×M×H×10-3)

留設長煤柱的實際載荷值為：

則煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)：

將留寬a=8m，采寬b=12m，最大采深H=160m，采厚M=6.5m，覆巖平均容重γ=22.5kN/m3代入上述計算公式，經(jīng)計算得到安全系數(shù)F=0.6?？梢?，條帶煤柱不能滿足煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)大于1.5的技術要求。

2.2 其他方面驗算

2.2.1 條帶煤柱需要的最小寬度驗算

根據(jù)A.H.Wilson核區(qū)計算公式計算得，留設條帶煤柱的寬度a≥2×0.00492MH+8.4m，得出煤柱寬度a≥18.6m，即條帶應留設煤柱最小寬度為18.6m。而該礦采空區(qū)條帶煤柱留寬a=8m，不滿足煤柱最小寬度要求。

2.2.2 煤柱寬高比驗算

留設條帶煤柱寬度為8m，平均采厚M=6.5m，故條帶煤柱寬高比a/M=1.2，不能滿足垮落條帶開采煤柱寬高比大于3～5的要求。

2.2.3 采出率驗算

條帶開采面積采出率為12/(8+12)=60%，能滿足采出率小于68%的要求。

可見，該礦采用采12m留8m的條帶開采法在煤柱安全系數(shù)、條帶煤柱需要的最小寬度、煤柱寬高比等方面均不能滿足條帶煤柱穩(wěn)定性的要求，不能保證煤柱的長期穩(wěn)定性，采空區(qū)條帶煤柱今后有可能發(fā)生失穩(wěn)。

2.3 條帶采空區(qū)煤柱失穩(wěn)采動影響分析

條帶采空區(qū)內煤柱不能保證長期穩(wěn)定，一旦失穩(wěn)垮塌地表將產(chǎn)生較大的移動變形，采用了概率積分法預計得出：地表最大下沉值2593mm，最大水平移動778mm，最大傾斜變形為47.9mm/m，最大曲率變形為1.34×10-3/m，最大水平變形為21.8mm/m；地表沉陷面積為145hm2?？梢?，條帶采空區(qū)失穩(wěn)可對地表水源地和地表建(構)筑等產(chǎn)生一定影響，必須對條帶采空區(qū)進行治理。

3 條帶采空區(qū)治理對策研究

3.1 采空區(qū)治理技術

目前，國內外采空區(qū)治理技術主要有采空區(qū)地面注漿治理技術、采空區(qū)露天剝離治理技術以及采空區(qū)殘留煤柱充填回收技術等。每種技術都各有優(yōu)缺點，有自己的使用條件。結合煤炭科學研究總院多年的治理經(jīng)驗，一般來說，煤層埋深淺、地表無重要受護對象的下伏采空區(qū)，優(yōu)先考慮采用露天剝離的治理方案；對于地表存在重要受護對象的下伏采空區(qū)，適合采用注漿充填治理方案；對于巷道布置相對清楚、采空區(qū)頂板未大面積垮塌、無大量積水和有毒有害氣體且埋深相對較大，采空區(qū)上部巖層或地表存在含水層、水體、建(構)筑物等，不允許大的下沉或變形的采空區(qū)，可以考慮采用殘留煤柱充填回收的治理方案。

3.2 條帶采空區(qū)治理對策

按照榆林市水源地保護區(qū)的要求，礦井開采過程中及完成開采后均不允許地表有大的移動變形和破壞，更不允許采空區(qū)產(chǎn)生貫通地表的塌陷裂縫。同時，條帶采空區(qū)中存在大量煤柱，條帶采空區(qū)內頂板未垮落，基本完好，部分存在少量積水，也沒有發(fā)現(xiàn)煤炭自燃現(xiàn)象，采空區(qū)上方也無塌陷區(qū)域。因此，從優(yōu)先保護水源地，消除煤柱存在突然垮塌的安全隱患，以及提高煤炭資源采出率、充分利用資源等多方面考慮，建議對該煤礦條帶采空區(qū)采用煤柱充填回收進行治理。

條帶采空區(qū)煤柱充填回收治理的具體步驟為：首先對條帶采空區(qū)進行充填，盡量填滿，條帶采空區(qū)形成具有一定強度能支護住頂板的人為充填“條帶”；回收留設的條帶煤柱；完成條帶煤柱回收后，對煤柱采空區(qū)進行充填，形成充填“煤柱”，最終實現(xiàn)采空區(qū)完全充填。條帶采空區(qū)煤柱充填回收治理整個步驟可概括為充填→回收→充填，其示意如圖1所示。

圖1 條帶采空區(qū)煤柱充填回收治理示意

對條帶采空區(qū)進行煤柱充填回收治理實現(xiàn)了以充填體置換遺留的煤炭資源，既保證了煤炭資源高采出率，又不引起頂板和地表大幅度下沉，保護水源地水，更杜絕了頂板大面積突然垮塌引起的礦震。

4 條帶采空區(qū)治理對策可行性分析

4.1 充填方法的選擇

根據(jù)對煤層埋藏特點及條帶采空區(qū)特點分析，建議該煤礦采用膏體充填法進行煤柱充填回收治理。充填材料基本組成為風積砂(黃土)、粉煤灰、膠結料、外加劑和水，風積砂(黃土)可就地取材。

4.2 條帶采空區(qū)煤柱充填回收投資估算

膏體充填成本主要包括膏體充填材料用量與材料費、充填系統(tǒng)固定資產(chǎn)投入、充填電費、充填人工費，以及充填系統(tǒng)設備易損件費用、一般檢修費用和充填直接關系輔助材料費用與辦公費用等充填其他費用，根據(jù)各項工程量和費用單價計算，條帶采空區(qū)煤柱充填回收治理費為29306萬元。

條帶采空區(qū)完成煤柱充填回收后，能回收資源量為2.62Mt，延長礦井服務年限約4a，煤柱回收開采成本約57572萬元，按照調查當?shù)仄骄簝r計算，礦井條帶采空區(qū)煤柱充填回收可實現(xiàn)利潤12565萬元。

可見，條帶采空區(qū)煤柱充填回收治理工程技術可行，經(jīng)濟效益顯著。

5 結論和建議

(1)條帶采空區(qū)內遺留煤柱經(jīng)過一定時間，在受到各種內外因素的影響后，有可能發(fā)生煤柱失穩(wěn)，可采用安全系數(shù)法，并結合條帶煤柱需要的最小寬度、煤柱寬高比、煤柱采出率等對條帶采空區(qū)內遺留煤柱穩(wěn)定性進行分析、評價。

(2)從保護水源地，消除煤柱突然垮塌安全隱患，以及提高煤炭資源采出率等多方面考慮，條帶采空區(qū)可采用煤柱充填回收進行治理，治理工程技術可行，經(jīng)濟效益顯著。

(3)對條帶采空區(qū)進行煤柱充填回收治理時，建議做好相應的治理規(guī)劃，優(yōu)先治理遺留煤柱安全系數(shù)小的區(qū)域，且應盡快治理。

[1]吳立新，王金莊，劉延安，等.建(構)筑物下壓煤條帶開采理論與實踐[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，1994.

[2]郭文兵，鄧喀中，鄒友峰.條帶開采的非線性理論研究及應用[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2005.

[3]張華興，郭惟嘉.“三下”采煤新技術[M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社，2008.

[4]張華興，趙有星.條帶開采研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].煤礦開采，2000，5(3)：5-7.

[5]郭文兵，鄧喀中，鄒友峰.我國條帶開采的研究現(xiàn)狀與主要問題[J].煤炭科學技術，2004，32(8)：7-11.

[6]詹鳳平.長壁全垮法開采和限厚條帶開采對生態(tài)環(huán)境影響比較分析[J].煤礦開采，2013，18(3)：89-91，80.

[7]李家卓，馬學民，吳志堅，等.矸石充填置換條帶遺留煤柱技術[J].煤礦安全，2013，44(11)：94-97.

[8]李純青，姚 香.采空區(qū)處理新技術的理論研究及應用實踐[J].黃金，2004，25(3)：22-26.

[9]李俊平，肖旭峰，馮長根.采空區(qū)處理方法研究進展[J].中國安全科學學報，2012，22(3)：48-54.

[10]煤炭科學研究總院.榆陽區(qū)地方煤礦采空區(qū)綜合治理規(guī)劃[R].北京：煤炭科學研究總院，2013.

[11]朱萌萌，梁嘯塵，任 禹，等.綜放工作面膏體充填條帶開采研究[J].采礦技術，2013(6)：17-19，54.

[12]卜萬奎，李 強，徐 慧，等.條帶開采矸石充填控制變形的數(shù)值模擬研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2008，35(2)：4-7，91.

[13]劉鵬亮，胡炳南，張玉軍.條帶開采合理采留寬確定的FLAC3D數(shù)值模擬研究[J].煤礦開采，2006，11(3)：1-3.

[14]劉義新，戴華陽，董榮泉，等.建筑物下壓煤條帶煤柱支護設計[J].煤礦開采，2012，17(5)：67-69.

[15]劉義新.房柱式采空區(qū)遺留煤柱穩(wěn)定性綜合評價研究[J].煤礦開采，2013，18(3)：78-80.

[責任編輯：王興庫]

Analysis of Strip-mining Gob Stability and Treatment Countermeasure

LIU Yi-xin1,2, LI Ling1,2

(1.Mine Safety Technology Research Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China;2.State Key Laboratory of Coal Resource High-efficiency and Clean Utilization, Beijing 100013, China)

Applying safety efficient method and combining minimum width of strip coal-pillar, ratio of width and height, mining ratio, coal-pillar stability in gob was analyzed and evaluated.On the basis of comprehensively analyzing domestic and abroad gob treatment technology and experience, a countermeasure of applying mining strip coal-pillar with stowing was put forward.Feasibility of the method was discussed with actual example.Result showed that taking mining strip coal-pillar with stowing as gob treatment method was technically feasible and its economic profit was prominent.

strip-mining gob; stability analysis; gob treatment; stowing mining

2014-04-08

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.021

國家自然科學基金煤炭聯(lián)合基金項目(51174112)

劉義新(1980-)，男，山東棲霞人，博士研究生，從事礦山開采沉陷和“三下”采煤、采空區(qū)治理等方面的研究工作。

劉義新，黎 靈.條帶采空區(qū)穩(wěn)定性分析與治理對策研究[J].煤礦開采，2014，19(6)：81-83.

TD355

A

1006-6225(2014)06-0081-03