充填采礦法在某煤礦的應(yīng)用

郭健偉

(棗莊市工業(yè)設(shè)計(jì)院)

充填采礦法在某煤礦的應(yīng)用

郭健偉

(棗莊市工業(yè)設(shè)計(jì)院)

借鑒金屬礦山充填采礦法，研究回收某礦“三下”壓煤的可能性及具體充填方案；利用FLAC軟件進(jìn)行方案對(duì)比，最終確定充填方案。充填開(kāi)采后，地表村莊建筑物的采動(dòng)影響均控制在Ⅰ級(jí)范圍內(nèi)，地表沉陷量較小，可以保證村民正常、安全地生產(chǎn)生活，提高了煤炭資源回收率，延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限，保持了礦井可持續(xù)發(fā)展，從根本上消除了條帶采空區(qū)內(nèi)煤柱失穩(wěn)造成的地表塌陷、建筑物破壞等潛在的重大災(zāi)害的隱患，達(dá)到合理、安全開(kāi)采的目的。

充填開(kāi)采 頂板管理 采動(dòng)影響 地表下沉

隨著煤炭資源的不斷開(kāi)采，很多礦區(qū)特別是老礦區(qū)正面臨著資源枯竭的考驗(yàn)。為此很多煤礦企業(yè)聯(lián)合科研院所共同研究新技術(shù)、新方法來(lái)緩解煤礦企業(yè)面臨的壓力，借鑒金屬礦山充填采礦法的經(jīng)驗(yàn)，充填采礦法在不少煤礦生產(chǎn)中得到了應(yīng)用。本文以棗莊滕北井田某煤礦為例，研究利用充填采礦法回收已采區(qū)域的呆滯煤柱和未采區(qū)域煤層，為煤礦安全開(kāi)采提供了技術(shù)方案和決策依據(jù)。

1 礦井概況

井田內(nèi)地形平坦，地勢(shì)由東向西逐漸降低，地面坡度約千分之一，屬濱湖沖積平原，海拔標(biāo)高為+39～+35 m，工業(yè)廣場(chǎng)及井口標(biāo)高分別為+38和+39.5 m。礦井采用一對(duì)立井開(kāi)拓，為單一水平上下山開(kāi)采，礦井東翼以-88 m、西翼以-127 m作為主要開(kāi)采水平。采用中央并列抽出式通風(fēng)，主井進(jìn)風(fēng)，副井回風(fēng)。

本次設(shè)計(jì)范圍為礦井西翼村莊下16煤已開(kāi)采部分(包括西翼一采區(qū)、二采區(qū)、三采區(qū))和東翼一采區(qū)。東翼一采區(qū)位于-88 m水平，位于B15斷層以南到-88 m水平大巷范圍內(nèi)；西翼3個(gè)采區(qū)位于-127 m水平。其中東翼一采區(qū)無(wú)村莊及建筑物，西翼煤層全部位于村莊下面。設(shè)計(jì)區(qū)域已經(jīng)部分進(jìn)行條帶開(kāi)采，從1992年起，井田西翼村下壓煤全部采用條帶采煤法開(kāi)采，采10 m留10 m。到目前為止16煤共采出條帶655個(gè)，采出煤量80.7萬(wàn)t，保留條帶564個(gè)，保留儲(chǔ)量71.7萬(wàn)t。

該煤礦資源已接近枯竭，剩余儲(chǔ)量基本都在村莊建筑物下，“三下”壓煤量較大，建筑物下壓煤開(kāi)采是礦井的一項(xiàng)常態(tài)工作。同時(shí)，山東省煤炭工業(yè)局(2012)58號(hào)文件要求：年產(chǎn)量小于30萬(wàn)t/a的礦井必須在2015年底前關(guān)閉。因此，為了擴(kuò)大產(chǎn)能、保證可持續(xù)發(fā)展，根據(jù)該煤礦現(xiàn)有的開(kāi)拓布局和采區(qū)接續(xù)計(jì)劃，開(kāi)采西翼一采區(qū)西部的16煤資源勢(shì)在必行。

2 充填采礦方案設(shè)計(jì)

近幾年井下采空區(qū)充填控制地表沉陷逐漸被重視，主要有矸石充填、膏體充填等開(kāi)采工藝。該煤礦已在東翼一采區(qū)進(jìn)行了膏體充填開(kāi)采實(shí)踐，取得了成功的經(jīng)驗(yàn)。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)開(kāi)采條件及地表移動(dòng)變形的基本規(guī)律，結(jié)合建筑物下壓煤開(kāi)采技術(shù)特點(diǎn)，該煤礦建筑物下壓煤采用條帶充填法開(kāi)采。

采用條帶充填體置換條帶開(kāi)采留設(shè)的煤柱，只要保證未充填采空區(qū)的寬度小于覆巖主關(guān)鍵層的初次破斷跨距，覆巖主關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定，且充填條帶能全部承擔(dān)上覆巖層的重量并保持長(zhǎng)期穩(wěn)定，就可有效控制地表沉陷。

2.1 初次裂斷步距計(jì)算

按照嵌固梁計(jì)算直接頂(關(guān)鍵層)初次裂斷步距：

(1)

式中，mz為直接頂厚度，4.33 m；σc為直接頂巖層抗拉強(qiáng)度，石灰?guī)r為 4.9 MPa；ρ為直接頂巖層密度，2.5 t/m3。

計(jì)算得出Lz=41.19 m。

按照經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算直接頂(關(guān)鍵層)初次裂斷步距：

Lz=0.8M+25.7 ,

(2)

式中，M為石灰?guī)r厚度，m。

計(jì)算得出Lz=29.16 m。

級(jí)索煤礦實(shí)測(cè)16煤頂板初次裂斷步距為23～45 m。

綜合考慮,確定初次裂斷步距Lz=20 m。

2.2 充填體寬度計(jì)算

西翼一采區(qū)西部16煤?jiǎn)挝煌七M(jìn)距離所需充填條帶總寬度：

(3)

式中，H為工作面采深，150 m；L為工作面長(zhǎng)度，80 m；ρ為巖層密度，2.5 t/m3；σt為充填體強(qiáng)度，7.5 MPa。

計(jì)算得出Wz=40 m。

工作面推進(jìn)20 m范圍內(nèi)充填12 m，充填率為60%，相當(dāng)于80 m工作面長(zhǎng)度范圍內(nèi)總的充填寬度為48 m，充填條帶間距為8 m，即充填間距(Sc=8 m)小于直接頂初次垮落步距(Lz=20 m)，充填體支撐能力大于上覆巖層的重力，安全系數(shù)為1.2。最終確定條帶充填開(kāi)采方案為充12 m空8 m。

3 地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)

根據(jù)充填開(kāi)采沉陷控制的基本原理，采空區(qū)內(nèi)充填體占據(jù)了上覆巖層的下沉空間，相當(dāng)于大幅減小了開(kāi)采高度；充填開(kāi)采引起的地表沉陷就相當(dāng)于充填體經(jīng)充分壓實(shí)后的等價(jià)采高所引起的地表沉陷。因此，可采用基于等價(jià)采高的常規(guī)垮落法進(jìn)行地表沉陷預(yù)測(cè)。

概率積分法的移動(dòng)變形計(jì)算主要公式[1]：

(4)

式中,x為計(jì)算點(diǎn)的坐標(biāo)，m；坐標(biāo)原點(diǎn)為計(jì)算邊界(考慮拐點(diǎn)偏距)在地表的投影。

移動(dòng)和變形的最大值及其位置：

(5)

地表移動(dòng)變形計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。由預(yù)計(jì)結(jié)果可以看出，采用充12 m空8 m，所有地面房屋遭受的最大移動(dòng)變形值在Ⅰ級(jí)損壞程度下限以內(nèi)，受采動(dòng)影響很小，滿足安全開(kāi)采及保護(hù)建筑物的要求。

表1 充12 m空8 m地表村莊移動(dòng)變形計(jì)算結(jié)果

注：W為地表下沉量；ε為水平變形；I為傾斜變形；K為曲率變形。

根據(jù)預(yù)計(jì)結(jié)果，該煤礦采用上述充填開(kāi)采方案能夠滿足安全開(kāi)采的要求，對(duì)地表建筑物的影響能夠完全控制在設(shè)計(jì)范圍以內(nèi)。

4 充填采礦工藝

工作面采用傾斜長(zhǎng)壁后退式采煤，膏體充填管理頂板[2-3]，上下面對(duì)拉生產(chǎn)，一次采全高，見(jiàn)頂見(jiàn)底，循環(huán)進(jìn)尺為1.5 m，兩面錯(cuò)距為3～6 m。采用單體液壓支柱全斷面支護(hù)頂板，柱距為1.5 m，排距為1.5 m。

在正常推采時(shí)，按照采4.5 m充4.5 m的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，即上面開(kāi)采煤層進(jìn)尺達(dá)到4.5 m時(shí)，停止推采，充填4.5 m。同時(shí)，下面開(kāi)始推采，待進(jìn)尺達(dá)到4.5 m時(shí)，停止推采，充填4.5 m，上面繼續(xù)推采。如此循環(huán)作業(yè)，將采面推至停采線位置結(jié)束。

充填前，沿第三排支柱打設(shè)隔離墻，待充填區(qū)長(zhǎng)度約90 m。隔離墻采用單體支柱及竹膠板打設(shè)，柱間距不大于500 mm，竹膠板用14#細(xì)鐵絲固定在待充填區(qū)的密集點(diǎn)柱內(nèi)側(cè)，并緊貼支柱。隔離墻要與頂?shù)装褰佑|嚴(yán)密，防止?jié){液泄漏，保證接頂效果。

隔離墻打設(shè)好后，用塑料編織布在待充填區(qū)內(nèi)構(gòu)筑半封閉充填空間。塑料編織布規(guī)格為120 m×2.0 m(長(zhǎng)×寬)。塑料編織布依次鋪設(shè)，頂?shù)撞扛髁?.35 m，底部向待充區(qū)折后用浮矸壓住，頂部向待充區(qū)折后，沿折邊用單體支柱加木板帽擠住，布邊用水泥藥卷和14#鐵絲每0.5 m固定在頂板上。鋪設(shè)在待充填區(qū)內(nèi)的塑料編織布留有適當(dāng)余量。

工作面由低處向高處充填。第一布料管充填5～10 min后，打開(kāi)第二充填管，當(dāng)?shù)诙剂瞎艹隽虾?，關(guān)閉第一布料管。第二布料管充填5～10 min后，再打開(kāi)第三布料管，關(guān)閉第二布料管。依此類推，如此輪流切換充填。充填隔離示意見(jiàn)圖1。

圖1 充填隔離示意

該煤礦地面充填站布置有建筑垃圾(煤矸石)破碎系統(tǒng)、上料計(jì)量系統(tǒng)和攪拌系統(tǒng)以及充填工業(yè)泵。充填站平面布置見(jiàn)圖2。

5 結(jié) 論

(1)通過(guò)計(jì)算分析，按照礦方提出的地表民房最大移動(dòng)變形值在Ⅰ級(jí)損壞程度范圍內(nèi)的要求，采用充填采礦法，地表移動(dòng)變形值均在限值以下，符合煤礦安全開(kāi)采的要求，保證村民正常、安全的生產(chǎn)生活，達(dá)到合理、安全開(kāi)采的目的。

(2)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間觀測(cè)，該充填工藝能夠有效控制地表沉陷，滿足地面建筑物最大變形值的要求，同時(shí)能夠充分利用煤矸石和地表建筑垃圾作為充填材料，既保護(hù)了環(huán)境，又降低了充填成本，為煤礦企業(yè)解決“三下”壓煤?jiǎn)栴}提供了很好的方法和經(jīng)驗(yàn)。

圖2 充填站平面布置

[1] 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(kāi)采規(guī)程[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2000.

[2] 周華強(qiáng),侯朝炯,孫?？?等，固體廢棄物膏體充填不遷村采煤[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004(2):154-158.

[3] 黃玉誠(chéng),孫恒虎,時(shí)召兵,等，似膏體充填建筑物下采煤可行性探討[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2003(10):51-53.

2015-05-05)

郭健偉(1980—)，男，工程師，277100 山東省棗莊市。