厚煤層短壁分層跳采矸石膠結(jié)充填技術(shù)應(yīng)用研究

文/葛金福 左文強(qiáng)

相關(guān)統(tǒng)計(jì)表明，我國建（構(gòu)）筑物下壓煤炭多達(dá)94.68億t，充填采煤不僅是提高煤炭資源回收率和安全生產(chǎn)的一項(xiàng)重要舉措，也是解決矸石污染及處理城市固體垃圾的一個(gè)新方法。目前我國部分礦井通過矸石、膏體、似膏體、高水、超高水、城市垃圾等材料成功實(shí)施充填開采，最大限度“置換”壓煤的同時(shí)有效控制了地表沉陷。內(nèi)蒙古裕興煤礦因棋盤井生態(tài)園壓覆所采16號(hào)煤，故提出厚煤層短壁分層跳采矸石膠結(jié)充填綠色采煤法，實(shí)現(xiàn)了采充作業(yè)平行、工程造價(jià)低、現(xiàn)場施工高效、地表沉陷控制良好等效果，為類似建（構(gòu)）筑物壓煤條件開采提供了有益參考。

一、工程概況

裕興煤礦11601充填面主采16號(hào)煤，工作面傾斜長約80m，煤厚約6m，煤層傾角平均8°，埋深約291m，普氏系數(shù)f=2.4，該煤層結(jié)構(gòu)簡單，無地質(zhì)構(gòu)造且夾矸較少；直接頂為2m厚的細(xì)粒砂巖，基本頂為6.22m厚泥砂巖互層，直接底為2.5m厚的炭質(zhì)頁巖，其下部為2m厚的細(xì)粉砂巖。

16號(hào)煤南部資源均壓覆在棋盤井生態(tài)園之下，總壓煤量達(dá)10Mt，在不影響正常開采部署、提高“三下”壓煤資源采出率的同時(shí)，如何有效保護(hù)地表建（構(gòu)）筑物是裕興煤礦亟待解決的問題。

二、11601工作面設(shè)計(jì)

1. 11601工作面支巷寬度合理計(jì)算

通過實(shí)驗(yàn)對(duì)A.H.Wilson煤柱兩區(qū)約束理論經(jīng)驗(yàn)公式作進(jìn)一步完善，得出煤柱處于三向應(yīng)力時(shí)可承受的極限覆巖重力為：

式中：σs為煤柱承受的極限覆巖重力，MPa；c為粘聚力，MPa；φ為內(nèi)摩擦角，°；λ為側(cè)向壓力及應(yīng)力集中系數(shù)，取0.6；γ為覆巖平均容重，kN/m3；L為工作面長度，m；H為采深，m；a為煤柱留設(shè)寬度，m；M為煤層采厚，m。

11601工作面上分層初次短壁跳采后呈現(xiàn)留-采間隔布局，此時(shí)留設(shè)煤柱承擔(dān)上方所有覆巖重力。考慮到開采范圍較小及煤柱對(duì)頂板的夾持，直接頂不會(huì)冒落，故留設(shè)煤柱實(shí)際承受的覆巖重力為：

式中：σp為煤柱承受的實(shí)際覆巖重力，MPa；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；L為工作面長度，m；H為采深，m；a為煤柱開采寬度，m；b為煤柱留設(shè)寬度，m。

考慮到EBH200懸臂式掘進(jìn)機(jī)最大截割寬度為5.5m，為方便工作面施工，保證設(shè)備靈活運(yùn)行，確定煤柱留設(shè)寬度與開采寬度均為5m。

2. 11601工作面布置

結(jié)合長壁工作面的通風(fēng)管理和短壁工作面采掘一體的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了全負(fù)壓連采連充工作面。工作面巷道布置為一進(jìn)一回，主巷、切眼形成工作面時(shí)采用全負(fù)壓通風(fēng)。運(yùn)輸平巷與16煤集中運(yùn)輸上山相連進(jìn)風(fēng)，回風(fēng)平巷通過車場與16煤回風(fēng)上山相連回風(fēng)，支巷回采時(shí)采用局部供風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)，支巷臥底時(shí)采用全負(fù)壓通風(fēng)，支巷充填時(shí)采用局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)。保證工作面具有兩個(gè)安全出口。

工作面走向長度232m，支巷長度80m，支巷寬度5m，高度6m。支巷分兩次回采，第一次回采上分層3.5m，第二次采用臥底的方式回采下分層2.5m，相鄰支巷之間留設(shè)5m的煤柱。工作面的上、下平巷和聯(lián)巷巷道寬度為5m，巷道高度為3.5m，回采上分層時(shí)采用玻璃鋼單體支柱和木板坯做臨時(shí)支護(hù)，實(shí)現(xiàn)掘支平行作業(yè)。

回采支巷采用EBZ-160綜掘機(jī)自行裝煤，通過刮板輸送機(jī)（開門點(diǎn)拐彎選用防爆轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)煤）與布置在運(yùn)輸平巷中的運(yùn)煤膠帶機(jī)搭接，最后與運(yùn)輸上山搭接構(gòu)成運(yùn)煤系統(tǒng)?；仫L(fēng)上山與回風(fēng)平巷布置運(yùn)矸膠帶機(jī)和輸漿管路，矸石和漿料在充填支巷的上口充分混合，通過高壓漿料直沖法或耙裝機(jī)耙裝推入采空區(qū)進(jìn)行充填作業(yè)，充填時(shí)采取自上而下的方式充填，形成充填系統(tǒng)。兩套系統(tǒng)互不影響，分工明確，提高了運(yùn)煤和充填的工作效率，實(shí)現(xiàn)采充平行作業(yè)。

3. 11601工作面采充順序

支巷回采采用跳躍后退開采方式，分上下分層兩次回采。自開切眼起劃分多個(gè)5m寬的條帶支巷并依次編號(hào)，先開采上分層奇數(shù)支巷，開采后續(xù)奇數(shù)支巷的同時(shí)對(duì)已采支巷進(jìn)行充填作業(yè)直到奇數(shù)號(hào)支巷全部完成充填；待奇數(shù)號(hào)支巷充填體穩(wěn)定后開采上分層遺留偶數(shù)號(hào)支巷，同樣在開采剩余偶數(shù)號(hào)支巷的同時(shí)充填已采偶數(shù)支巷。下分層采充順序同上分層。

三、膏體連采連充工藝系統(tǒng)

裕興煤礦井底煤矸分離系統(tǒng)及地面洗煤廠每年產(chǎn)生矸石約20萬t，同時(shí)棋盤井附近存在大量的粉煤灰和砂石資源，為求效益最大化，充填方式確定應(yīng)用比較簡單的機(jī)械輸送方式，采用皮帶機(jī)運(yùn)輸矸石，地面制漿站制漿（水泥粉煤灰漿）。在順槽和支巷交叉口設(shè)置攪拌槽，在下巷設(shè)置擋漿板，洗煤廠矸石經(jīng)地面鉆孔和煤矸分離矸石混合與地面制漿站產(chǎn)生的水泥粉煤灰漿在順槽和支巷三岔門口專門混合池混合，攪拌后矸石漿通過高壓漿料直沖法或耙裝機(jī)充填支巷。矸石膠結(jié)充填系統(tǒng)流程如圖1所示。

圖1 矸石膠結(jié)充填系統(tǒng)流程示意圖

1. 料漿制備系統(tǒng)

膏體料漿制備配比：普通42.5#水泥25%、粉煤灰25%、水50%，料漿濃度控制在50%左右，比重控制在1.25～1.35，設(shè)計(jì)28d充填體強(qiáng)度不小于2MPa。

料漿制備站制漿能力60m3/h，采取地面制漿方式，通過管道輸送，主要包括地面制備站、鉆孔工程、井下充填管路等。為了便于集中管理、減少設(shè)備和運(yùn)輸環(huán)節(jié)，合理利用現(xiàn)有場地，達(dá)到降低費(fèi)用的目的，將地面設(shè)施和設(shè)備集中布置，建成集中的地面充填站，即將集料場、料倉、微機(jī)配比系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)（泵送系統(tǒng)）、監(jiān)測系統(tǒng)等集中布置，將水泥、粉煤灰、膠結(jié)料配比、攪拌后利用靜壓（或充填泵加壓）通過充填管路輸送至充填工作面，利用2.5～3.0Mpa高壓漿料與現(xiàn)場矸石充分?jǐn)嚢杌旌?，采用高壓直沖法或耙礦機(jī)充填巷道，充填用水泥、粉煤灰由自卸汽車運(yùn)至充填站儲(chǔ)料灌。

2.矸石輸送系統(tǒng)

（1）地面洗選矸石輸送流程：地面洗選矸石→專用溜矸孔（直徑500mm，垂深240m）→矸石緩沖倉(500m3的平巷矸石緩沖倉)→倉下膠帶輸送機(jī)→矸石運(yùn)輸下山膠帶機(jī)→順槽膠帶輸送機(jī)→待充巷道混合漿體攪拌→充填支巷，通過高壓漿料直沖法或耙裝機(jī)耙裝推入采空區(qū)進(jìn)行充填作業(yè)。

（2）井下煤矸分離系統(tǒng)主要產(chǎn)生粒徑大于15mm的矸石顆粒，煤矸分離系統(tǒng)矸石輸送流程：分選矸石→矸石緩沖倉→矸石運(yùn)輸下山皮帶機(jī)→矸石運(yùn)輸2#皮帶→矸石運(yùn)輸下山皮帶→待充巷道混合漿體攪拌→充填支巷。

四、充填體應(yīng)力-變形監(jiān)測與分析

膏體連采連充技術(shù)作為一種新的采煤方法，雖然在采空區(qū)進(jìn)行實(shí)物充填，接頂效果較好，但上覆巖層仍會(huì)隨著煤層的采出及充填體的緩慢壓實(shí)變形而受到影響，從而產(chǎn)生礦壓顯現(xiàn)及地表緩慢變形。因此，在充填開采的同時(shí)需要對(duì)頂板活動(dòng)規(guī)律進(jìn)行觀測和分析。故在支巷12、20、28的25m和55m分別布置應(yīng)力和位移傳感器。

1. 充填體應(yīng)力監(jiān)測

充填體應(yīng)力監(jiān)測從2015年7月3日到8月30日，監(jiān)測共接近2個(gè)月時(shí)間。據(jù)充填體應(yīng)力變化與時(shí)間關(guān)系曲線可知，支巷12位置25、55m處壓力傳感器應(yīng)力值未發(fā)生變化，保持初始值狀態(tài)，這是由于頂板應(yīng)力變化不足以引起壓力計(jì)監(jiān)測精度（力大于0.1Mpa時(shí)，壓力值開始變化）的變化，說明巷道頂板保持穩(wěn)定。支巷20位置25m處壓力傳感器率先出現(xiàn)應(yīng)力升高現(xiàn)象，持續(xù)時(shí)間約為7天，隨著時(shí)間推移有所降低并趨于穩(wěn)定，推測頂板可能出現(xiàn)離層甚至下位頂板可能冒落，局部離層巖體厚度大約2m；此外支巷20位置55m處壓力始終處于初始值，說明巷道頂板基本保持穩(wěn)定。支巷28位置25、55m處壓力傳感器應(yīng)力值未發(fā)生變化，說明巷道頂板保持穩(wěn)定。

2. 充填體變形監(jiān)測

充填體變形監(jiān)測從2015年7月3日到8月30日，共監(jiān)測接近2個(gè)月時(shí)間。據(jù)充填體變形與時(shí)間關(guān)系曲線可知，支巷12位置25m處充填體在前6天之內(nèi)基本保持穩(wěn)定，隨著時(shí)間推移出現(xiàn)小幅度增加，但變形量增加很??；支巷12位置55m處充填體在前23天之內(nèi)基本保持穩(wěn)定，隨著時(shí)間推移出現(xiàn)小幅度增加，但變形量增加較小。支巷20位置25m處充填體在前15天之內(nèi)基本保持穩(wěn)定，隨著時(shí)間推移下沉量小幅度增加至1.8mm，變形量增加很??；支巷20位置55m處充填體在前15天之內(nèi)基本保持穩(wěn)定，隨著時(shí)間推移下沉量小幅度增加至0.9mm，但變形量增加較小。支巷28位置25mm處充填體在前5天之內(nèi)基本沒有變形，后期變形出現(xiàn)增加，頂板下沉約30mm左右；支巷28位置55mm處充填體基本沒有變形。

五、充填開采地表移動(dòng)變形分析

1. 概率積分法地表移動(dòng)變形預(yù)計(jì)

膏體充填采煤前地表沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果是評(píng)價(jià)“三下”采煤可行性的重要依據(jù)。目前預(yù)測礦山開采沉陷普遍使用的方法是概率積分法。

運(yùn)用山東科技大學(xué)研發(fā)的開采沉陷預(yù)計(jì)分析軟件得到的11601充填面采后生態(tài)園下沉、傾斜、曲率變形、水平變形結(jié)果顯示，該生態(tài)園各建（構(gòu)）筑物地表移動(dòng)變形均處于Ⅰ級(jí)損壞范圍內(nèi)，故11601工作面膏體充填開采后僅需對(duì)棋盤井生態(tài)園部分建（構(gòu)）筑物進(jìn)行簡單維修或不維修。

2. 地表巖移觀測與分析

為驗(yàn)證預(yù)計(jì)結(jié)果，將地表移動(dòng)觀測站設(shè)立于11601工作面的正上方，分別沿礦體走向和傾向主斷面垂直布設(shè)兩條觀測線并在11601充填面回采期間進(jìn)行巖移觀測。據(jù)地表移動(dòng)變形實(shí)測結(jié)果顯示，各地表移動(dòng)變形最值相差較小，表明應(yīng)用概率積分法預(yù)計(jì)得到的地表移動(dòng)變形是符合實(shí)際的。

六、 結(jié)論

1.結(jié)合11601工作面地質(zhì)采礦條件提出了厚煤層短壁分層跳采矸石膠結(jié)充填技術(shù)，工作面回采長為232m，設(shè)計(jì)支巷長為80m，通過A.H.Wilson煤柱兩區(qū)約束理論表明支巷合理留設(shè)寬為5m，分層連采連充。

2.現(xiàn)場應(yīng)力監(jiān)測表明充填體只有10號(hào)支巷25m處所受壓力最大，為0.2Mpa，原因可能局部偽頂?shù)袈?；位移監(jiān)測表明頂板下沉最大30mm。監(jiān)測表明11601充填面頂板基本穩(wěn)定。

3.將膏體充填采煤“等價(jià)采高”數(shù)學(xué)模型與開采沉陷預(yù)計(jì)分析軟件相結(jié)合，預(yù)計(jì)裕興煤礦11601膏體充填面采后地表移動(dòng)變形，觀測表明預(yù)計(jì)值與實(shí)測值相符，地表處于不充分采動(dòng)狀態(tài)，棋盤井生態(tài)園各建（構(gòu)）筑物變形控制在Ⅰ級(jí)損害范圍之內(nèi)，不影響正常使用。