高速公路下厚煤層條帶充填開采技術(shù)研究

馬 璐

高速公路下厚煤層條帶充填開采技術(shù)研究

馬 璐

(山西蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦有限責(zé)任公司，山西 晉城市 048200)

為了保證玉溪煤礦礦井正常生產(chǎn)和接續(xù)，結(jié)合高速公路壓煤情況，借鑒以往“三下”采煤案例，充分汲取“連采連充”工藝的施工經(jīng)驗，根據(jù)庫倫?納維爾破壞準(zhǔn)則，計算出了條帶先期開采寬度和留寬，利用跳躍式開采順序，在煤層頂板周期來壓前及時充填和注漿凝固，有效控制了煤層頂板上覆巖層變形和破壞，從而減低了開采區(qū)域地表路基和附近建筑物的變形下沉量，大幅提高高速公路下壓煤采出率，緩解接續(xù)緊張的現(xiàn)狀，延長礦井服務(wù)年限近8 a，取得了顯著的社會和經(jīng)濟效益。

“三下”開采;條帶充填;厚煤層開采;連采連充

高速公路下壓煤直接影響到礦井正常部署，造成礦井生產(chǎn)接續(xù)緊張，可采儲量和服務(wù)年限大幅縮減，資源大量浪費。蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦位于山西省沁水縣胡底鄉(xiāng)境內(nèi)，2009年開工建設(shè)，設(shè)計生產(chǎn)能力240萬t/a，礦井原服務(wù)年限50.7 a，原設(shè)計可采儲量142.29 Mt。2011年山西省規(guī)劃的高速公路網(wǎng)“三縱十二橫十二環(huán)”中第十一橫，高沁高速公路自東向西橫穿玉溪井田全境。玉溪煤礦所處的沁水煤田3號無煙煤屬于國寶級稀缺煤種，為了提高稀缺煤種的可采率，避免優(yōu)質(zhì)資源浪費，保證礦井的正常生產(chǎn)和接續(xù)，對高速公路下壓煤開采研究尤為重要。

采用條帶充填式開采既能有效減少地表變形，又能解決矸石山治理的環(huán)境難題，同時可以明顯提高高速公路下壓煤采出率，屬真正意義上的煤炭綠色開采。

1 工程概況

蘭花科創(chuàng)玉溪煤礦地面標(biāo)高約+759.1～+1223.1 m，區(qū)內(nèi)地形總體為東高西低，高沁高速自東向西穿越井田全境長約5.3 km，面積4.2 km2；壓覆煤炭資源儲量約18.11 Mt，造成礦井服務(wù)年限縮短近8 a。井田內(nèi)3號煤層結(jié)構(gòu)簡單，賦存穩(wěn)定，埋深450～880 m，煤層厚度5.12～7.20 m，平均5.85 m。煤層頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，局部有細(xì)粒砂巖。底板均為泥巖，頂?shù)装鍘r性特征見表1。

玉溪煤礦采用條帶矸石充填采煤法，經(jīng)反復(fù)測算、試驗，初步確定采寬50 m，留寬50 m；待矸石充填已采區(qū)域并注漿加固穩(wěn)定后，再將留寬50 m煤柱采出，然后用矸石充填采出區(qū)域并注漿加固，最終實現(xiàn)矸石置換煤炭，從而防止地表塌陷和 變形。

表1 3#煤層頂?shù)装鍘r性

2 條帶充填設(shè)計方案

高速公路下壓煤，選用條帶充填開采，首先要保證已采區(qū)充填前，上覆巖層的變形率在允許范圍內(nèi)且不會波及地表，因此條帶充填開采所確定的采寬、留寬等技術(shù)參數(shù)十分重要。

2.1 條帶采寬、留寬計算

2.1.1 根據(jù)條帶式采煤經(jīng)驗，采寬小于采深的1/3時，地表不會出現(xiàn)明顯波浪狀下沉。一般取＝(0.1～0.25)。高沁高速壓覆玉溪井田區(qū)域平均采深450 m，根據(jù)上式計算采寬的合理尺寸為45～110 m。具體實施采寬尺寸，還要考慮來壓步距和極限采寬。

（1）來壓步距：玉溪煤礦高速公路壓覆區(qū)域3#煤層頂板初次來壓步距為68.5 m，周期來壓步距為34 m。按照頂板管理經(jīng)驗，條帶采煤采寬一般情況下，應(yīng)小于初次來壓和周期來壓步距之和，即102.5 m。

（2）極限采寬：“三下”條帶式采煤，合理確定條帶寬度，可有效防止煤層頂板覆巖中的關(guān)鍵巖層不破斷，從而控制地表沉陷和變形。將位于煤層頂板上方1處的地表移動控制層看作一個彈性梁，設(shè)巖梁的極限跨距為。巖體破裂范圍與水平線之間具有一定夾角，當(dāng)采寬為時，巖梁實際跨距為1：

式中，為采寬；1為地表移動控制層距煤層頂板的高度；為控制層覆巖破裂范圍角。

當(dāng)1＜時，巖梁控制層不斷裂，地表變形量小，因此條帶開采的極限采寬為：

根據(jù)玉溪煤礦高速公路壓覆區(qū)域附近的鉆孔窺視柱狀圖，在3#煤層頂板上方2.4 m處為5.3 m厚的中砂巖，按照錢鳴高院士的關(guān)鍵層理論，經(jīng)計算確定該層中砂巖為關(guān)鍵層，控制著自身及上覆巖層的變形和移動。該區(qū)域關(guān)鍵層彈性巖梁的極限跨距為68.5 m。根據(jù)庫倫?納維爾破壞準(zhǔn)則，巖體剪切破壞面與水平面夾角為：

經(jīng)計算，極限采寬＝71 m。

玉溪煤礦高速公路壓覆區(qū)域平均采深450 m，參考村莊壓煤開采經(jīng)驗，條帶采寬取50 m。

2.1.2 留寬確定

高速公路壓覆區(qū)域3#煤層平均厚5.85 m，直接頂為2.4 m的泥巖，基本頂為5.3 m的中砂巖。條帶開采留寬應(yīng)從寬高比、寬煤柱和三向應(yīng)力狀態(tài)等3個方面確定。

（1）寬高比：

（2）寬煤柱：

（3）三向應(yīng)力狀態(tài)分析：

式中，為3#煤層厚，取5.85 m；為3#煤層埋深，取450 m；為條帶采寬，取50 m。

根據(jù)以上公式計算，經(jīng)綜合分析，決定條帶開采留寬取50 m。

2.2 充填工藝設(shè)計

將高速公路壓覆區(qū)域拆分為開切眼凈長為50 m的若干個區(qū)段，分別編號為1，2，3，4等區(qū)塊，開采順序依次為1，3，2，4。條帶開采模塊見圖1。

圖1 條帶開采模塊示意

（1）采用傳統(tǒng)的短壁式綜采工藝首先開采第1區(qū)段。當(dāng)綜采工作面推過后，及時在采場后方鋪設(shè)注漿管，煤層頂板周期來壓前，通過布置在工作面膠帶順槽中的拋矸機，向采空區(qū)拋矸直至充滿為止，然后啟動注漿工藝至矸石堆積區(qū)域凝結(jié)具備承壓載荷能力。矸石充填見圖2。

（2）待第1區(qū)塊開采、矸石充填和注漿完畢后，第3區(qū)塊作為接續(xù)工作面進行回采，暫留第2區(qū)塊作為保安煤柱支撐煤層頂板上覆巖層受力重新分布。

圖2 矸石充填示意

（3）待1，3區(qū)塊矸石充填和注漿工藝全部完成，上覆巖層受力分布穩(wěn)定后，開采第2區(qū)塊。以此類推，將高速公路壓煤區(qū)域煤炭全部采出為止。

3 地表移動實測

為了檢驗本次高速公路下條帶充填開采設(shè)計的合理性，確保路面行車安全，試驗選取先期回采的第1 區(qū)塊所對應(yīng)地表建筑（高速公路臨近建筑）變形情況進行實測。第1區(qū)塊先期回采充填長200 m，正好處于高速公路鄰側(cè)高層建筑下方。按照沁水地區(qū)巖層破裂角和煤層埋深估算，地表影響范圍=258 m，根據(jù)影響范圍均勻布置15個觀測點（耗時6個月）。其地表變形結(jié)果見表2。

表2 高速公路附近地表變形實測結(jié)果

根據(jù)表2數(shù)據(jù)分析，高速公路附近監(jiān)測點地表下沉量及其它參數(shù)均在允許范圍內(nèi)，第1區(qū)塊先期回采充填段基本沒有對路面基層和附近建筑造成損壞。

4 經(jīng)濟效益分析

對高速公路下壓煤采用條帶充填開采，取得較好的地表變形控制效果，地面路基和附近建筑均未損壞，同時大幅提高“三下”采煤采出率，特別是稀缺煤種，延長了礦井服務(wù)年限，為煤礦取得較好的經(jīng)濟效益。通過高速公路壓煤條帶充填開采的成功應(yīng)用，將逐步延伸至村莊壓煤和鐵路壓煤開采，進一步提高稀缺煤種的采出率，緩解工作面接續(xù)緊張的現(xiàn)狀。

成本方面：排除充填和注漿工藝成本，按照目前無煙煤種的市場價格，每個區(qū)段將直接產(chǎn)出近1億元的經(jīng)濟效益。

5 結(jié) 論

（1）高速公路下壓煤區(qū)域的安全高效綠色開采，必須保證路基和附近建筑物等下沉量在允許變形范圍內(nèi)，按照沁水地區(qū)的巖層特性，方案中條帶寬度和先期保留寬度均為50 m，通過6個月的監(jiān)測點實測數(shù)據(jù)顯示，地表變形在允許范圍內(nèi)，未對高速公路路基和附近建筑造成損壞。

（2）本次條帶充填開采采取跳躍式回采（即1，3，2，4順序開采），對周圍緩采工作面未造成明顯的采動影響，充填注漿工藝在煤層頂板周期來壓前全部完成，減緩了應(yīng)力重新分布范圍，使巖層變形下沉量在控制范圍內(nèi)，取得了明顯的社會和經(jīng)濟效益。

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(2019-03-20)

馬 璐(1988—)，男，山西長冶人，本科，工程師，主要從事煤礦安全生產(chǎn)技術(shù)工作，Email:352212575@ qq.com。