露天煤礦邊幫壓煤充填開采技術(shù)研究

蔣紅軍，董 輝

(內(nèi)蒙古煤礦設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古 呼和浩特 010010)

煤炭作為我國(guó)的主體能源，在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中占70%左右，在國(guó)家能源安全戰(zhàn)略中，煤炭工業(yè)處于主體工業(yè)的重要位置。

在我國(guó)露天煤礦數(shù)量占全國(guó)煤礦總數(shù)額的6%，但產(chǎn)能卻占全國(guó)煤炭產(chǎn)能總量的20%左右，年產(chǎn)能約9.5億t。露天煤礦具有原煤生產(chǎn)成本低、工藝簡(jiǎn)單、安全系數(shù)高、生產(chǎn)能力大等諸多優(yōu)點(diǎn)，在煤層賦存條件允許的前提下備受企業(yè)青睞。但露天煤礦采用拉鉤方式開采，在露天拉溝后采坑工作幫和非工作幫四周壓覆大量的煤炭資源，為保證露天工作面正常拉溝，采坑內(nèi)需及時(shí)內(nèi)排，內(nèi)排后采坑四周壓覆的煤炭資源無法進(jìn)行回收，導(dǎo)致礦井資源采出率低；據(jù)統(tǒng)計(jì)，邊幫壓覆資源占礦井總資源儲(chǔ)量40%左右[1]。同時(shí)，壓覆的煤炭資源極易引起自燃，造成環(huán)境污染。如何對(duì)露天礦邊幫壓覆資源進(jìn)行回收、解決棄煤自燃問題已成為露天礦山急需解決的技術(shù)難題。

以烏蘭煤礦為例，采用力學(xué)模型計(jì)算和數(shù)值分析相結(jié)合的研究方法開展露天煤礦邊幫壓煤充填開采技術(shù)研究。

1 工程概況

烏蘭煤礦采用露天開采方式，井田內(nèi)含3#、4#、5-1下#及5-2#等4層可采煤層，其中：3#煤層厚度0.54～5.50m，平均4.25m，最大埋深136m。

4#煤層厚度3.86～4.58m，平均4.22m；5-1下#煤厚度0.70～0.97m，平均0.92m；5-2#煤厚度0.66～1.80m，平均1.39m。各煤層頂、底板以灰白色細(xì)粒砂巖為主，局部為深灰色砂質(zhì)泥巖，屬軟弱-堅(jiān)硬巖層。

目前，烏蘭煤礦正剝離開采上部3#、4#煤層，下部煤層尚未剝離。全礦保有資源儲(chǔ)量44.75Mt，邊幫壓覆資源儲(chǔ)量15.94Mt，壓覆資源儲(chǔ)量占全井田保有資源儲(chǔ)量的35.62%。

為提高邊幫壓覆煤炭資源回收率同時(shí)確保邊幫的穩(wěn)定性，礦井已采用留煤柱的方式對(duì)邊幫煤進(jìn)行回收，其中：3#煤層相鄰采硐之間留設(shè)臨時(shí)煤柱寬度1.5m，每隔20個(gè)煤柱留設(shè)一個(gè)永久煤柱，永久煤柱寬度5.0m；4#煤層相鄰采硐之間留設(shè)臨時(shí)煤柱寬度2.5m，每隔20個(gè)煤柱留設(shè)一個(gè)永久煤柱，永久煤柱寬度5.0m。3#、4#煤層邊幫壓煤回收率68.75%、56.90%。雖然已采取留煤柱邊幫采煤工藝對(duì)邊幫壓煤進(jìn)行了一定程度上的回收，但相鄰采硐之間留設(shè)煤柱，仍造成大量煤炭資源損失，邊幫壓煤資源回收率較低。邊幫壓煤開采煤柱留設(shè)如圖1所示。

圖1 邊幫壓煤開采煤柱留設(shè)示意圖

2 邊幫壓煤充填采煤工藝

邊幫壓煤充填采煤工藝主要由連續(xù)采煤機(jī)、帶式輸送機(jī)、集中控制系統(tǒng)及充填系統(tǒng)組成。根據(jù)煤層賦存條件，為減少各采硐空頂時(shí)間，減少采硐對(duì)邊幫圍巖的影響，減少邊幫壓煤對(duì)采坑內(nèi)排的影響盡快進(jìn)行內(nèi)排，盡早對(duì)已采采硐進(jìn)行充填，各煤層邊幫采硐采用分組開采，各組內(nèi)采硐采用間隔跳采[2]。

沿采坑推進(jìn)方向以10個(gè)采硐寬度劃分為1組，每組內(nèi)依次對(duì)采硐進(jìn)行1#、2#……10#編號(hào)，邊幫壓煤開采時(shí)先以順序開采1#、3#……9#奇數(shù)編號(hào)采硐，留設(shè)2#、4#……10#偶數(shù)編號(hào)采硐為煤柱，奇數(shù)采硐開采完成一定數(shù)目采硐后開始對(duì)1#采硐進(jìn)行充填，待相鄰奇數(shù)采硐充填體達(dá)到一定抗壓強(qiáng)度以后，再對(duì)已充填奇數(shù)采硐間的偶數(shù)采硐煤柱進(jìn)行回收，偶數(shù)采硐開采完成后不充填。

為縮短邊幫采煤對(duì)采坑內(nèi)排的影響，采-充平行作業(yè)，但為確保邊幫圍巖的穩(wěn)定性，掘進(jìn)采硐和充填采硐之間至少要有1個(gè)以上的采硐煤柱作為支撐煤柱。

各采硐采用連采機(jī)掘進(jìn)出煤，連采機(jī)后采用帶式輸送機(jī)運(yùn)輸，在采硐外采坑內(nèi)設(shè)集中控制室，采硐開采、運(yùn)輸采取自動(dòng)化控制、采硐內(nèi)無人作業(yè)。

為確保采硐開采后邊幫的穩(wěn)定性，對(duì)已開采的奇數(shù)采硐進(jìn)行充填。在采坑內(nèi)布置移動(dòng)充填站，充填站由矸石破碎站、帶式輸送機(jī)、原料倉(cāng)、移動(dòng)攪拌站、充填泵等組成。

矸石經(jīng)破碎后通過提升機(jī)提升至攪拌池，原料倉(cāng)內(nèi)水泥、水經(jīng)倉(cāng)下口管道輸送至攪拌池與破碎后矸石攪拌后形成充填體[3]，充填體經(jīng)充填泵加壓后經(jīng)管道輸送至采硐內(nèi)，各充填管路經(jīng)管路運(yùn)輸牽引車進(jìn)入采硐后退式充填。

在各邊幫壓覆煤層底板布置邊幫采煤設(shè)備，邊幫采煤作業(yè)最低需留設(shè)80m寬的作業(yè)平盤，同時(shí)留設(shè)10m寬邊幫保安片盤。

為盡快實(shí)現(xiàn)采坑內(nèi)排，保證礦井正常接續(xù)，邊幫壓煤可實(shí)現(xiàn)多煤層同時(shí)開采。烏蘭煤礦邊幫壓覆3#、4#煤層，在空間層面上先開采下部4#煤層，后期采坑回填至3#煤層底板標(biāo)高時(shí)，再對(duì)3#煤層邊幫壓煤進(jìn)行回收，3#、4#煤層在水平層面上滿足50m安全距離的前提下同時(shí)開采。

邊幫壓煤采煤設(shè)備布置及多煤層開采順序如圖2、圖3所示。采坑充填站布置如圖4所示。

圖2 邊幫壓煤采煤設(shè)備布置示意

圖3 邊幫壓煤多煤層開采順序示意

3 邊幫壓煤采煤工藝參數(shù)

3.1 采硐寬度

在頂板巖層未支護(hù)的情況下，頂板巖層極限懸露跨度L0決定了邊幫壓煤各采硐寬度L。邊幫采煤采硐頂板破壞形式為彎拉破壞[4]。以彎拉破壞運(yùn)動(dòng)形式對(duì)采硐寬度進(jìn)行了力學(xué)分析。采硐寬度力學(xué)模型如圖5所示。

圖4 邊幫壓煤采坑充填站布置

圖5 采硐寬度力學(xué)模型

經(jīng)力學(xué)分析，在最不理想情況下，即采硐寬度等于頂板巖層極限懸露跨度時(shí)，采硐寬度計(jì)算公式如式(1)所示：

式中，L為采硐寬度，m；m為直接頂厚度，m；γ為直接頂容重，kN/m3；σt為直接頂單軸抗拉強(qiáng)度，MPa；

烏蘭煤礦頂板巖層巖石力學(xué)參數(shù)及采硐寬度計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 采硐寬度計(jì)算結(jié)果表

3.2 采硐煤柱深度

采硐開采過后，形成采硐-煤柱間隔分布格局，此時(shí)煤柱受力最大[5]，煤柱承擔(dān)上部全部巖層應(yīng)力，采硐煤柱力學(xué)模型如圖6所示。

圖6 采硐煤柱受力分析模型

由于采硐寬度小于巖層斷裂步距，頂板不垮落，等效為“橋墩”，一條煤柱相當(dāng)于承受自身寬度a和左右各一半采硐寬度L上的覆巖應(yīng)力[6]。采硐煤柱承受的垂直應(yīng)力如公式(2)所示：

P=γH(a+L)/a

(2)

式中，P為煤柱承受垂直應(yīng)力，kN/m2；H為煤層埋藏深度，m；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；a為煤柱寬度，m。

為確保采硐煤柱的穩(wěn)定，采硐煤柱最大承受的垂直應(yīng)力應(yīng)小于等于煤體單軸抗壓強(qiáng)度[7，8]，即P=σ時(shí)，可求得采硐煤柱最大寬度計(jì)算公式如式(3)所示：

a=γHL/(σ-γH)

(3)

烏蘭煤礦采硐煤柱寬度計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 采硐煤柱寬度計(jì)算結(jié)果表

4 采硐圍巖變形破壞特征分析

4.1 數(shù)值模型的建立

結(jié)合烏蘭煤礦3#、4#煤層邊幫壓煤實(shí)際參數(shù)，利用邁達(dá)斯GTS NX巖土通用有限元分析軟件建立數(shù)值模型，對(duì)烏蘭煤礦邊幫壓覆充填開采圍巖變形特征進(jìn)行數(shù)值分析[9]。鑒于文章篇幅，僅以4#煤層為例對(duì)邊幫壓煤采硐開采、采硐充填及采硐煤柱開采階段進(jìn)行圍巖分析[10]。邊幫壓煤開采數(shù)值模型如圖7所示。

圖7 邊幫壓覆充填開采數(shù)值分析模型

4.2 采硐開采階段圍巖特征分析

根據(jù)力學(xué)分析計(jì)算，4#煤層采硐寬度3.44m，采硐煤柱寬度3.58m，為便于數(shù)值開挖，均取值3.30m。該階段通過數(shù)值模型對(duì)4#煤層邊幫壓煤進(jìn)行開挖計(jì)算，開挖數(shù)值模型、計(jì)算平衡后圍巖位移及應(yīng)力分布特征如圖8所示。

圖8 采硐開采階段圍巖特征

通過數(shù)值分析計(jì)算，4#煤層各采硐開采對(duì)邊坡擾動(dòng)較小，各采硐開采后邊幫整體處于穩(wěn)定狀態(tài)，4#煤層頂板垂直位移最大區(qū)域位于邊幫中部，最大下沉量為17.9mm，由邊幫中部至左右兩側(cè)、由邊幫中部至邊幫頂部位移下沉量呈遞減趨勢(shì)。同時(shí)，4#煤層邊幫底板整體出現(xiàn)應(yīng)力集中，采硐煤柱承受的最大垂直壓應(yīng)力3.43×105Pa，邊幫底板向外出現(xiàn)泄壓區(qū)，頂板局部區(qū)域出現(xiàn)泄壓區(qū)。該階段邊幫整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

4.3 采硐充填階段圍巖特征分析

該階段對(duì)4#煤層已采采硐進(jìn)行充填，充填后通過數(shù)值軟件分析邊幫圍巖特征。采硐充填數(shù)值模型、計(jì)算平衡后圍巖位移及應(yīng)力分布特征如圖9所示。

經(jīng)數(shù)值分析計(jì)算，由于充填體強(qiáng)度大于煤體強(qiáng)度，各采硐充填后邊幫整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。充填體有效的緩解了采硐煤柱所承擔(dān)的壓力，起到了支撐作用。充填后4#煤層頂板下沉得到了有效的緩解，頂板最大下沉量8.4mm，較開采階段頂板下沉大大縮小。同時(shí)，由于充填體起到了良好的支撐作用，各采硐煤柱所承受的壓力也得到了緩解，采硐煤柱承受的最大垂直壓應(yīng)力為3.4×104Pa 。

4.4 采硐煤柱開采階段圍巖特征分析

該階段對(duì)已充填采硐間的煤柱進(jìn)行開采，開采后不充填。采硐煤柱開采數(shù)值模型、計(jì)算平衡后圍巖位移及應(yīng)力分布特征如圖10所示。

圖9 采硐充填階段圍巖特征

圖10 采硐煤柱開采階段圍巖特征

經(jīng)數(shù)值分析計(jì)算，采硐煤柱開采后采硐煤柱承擔(dān)的壓力迅速向左右的充填體轉(zhuǎn)移，導(dǎo)致充填體承擔(dān)的壓力增大，壓力最大值為5.67×105Pa；由于采硐開采及充填對(duì)上覆頂板引起二次采動(dòng)影響，圍巖進(jìn)一步破壞，圍巖承載結(jié)構(gòu)受損，導(dǎo)致充填體承受壓力較采硐開采階段煤柱承受的支撐壓力增大。

同時(shí)由于二次采動(dòng)影響，充填體頂板圍巖進(jìn)一步下沉，下沉量在原有的基礎(chǔ)上再增加11.9mm，最大下沉位置主要集中在邊幫兩側(cè)，對(duì)采硐煤柱開采影響較小。經(jīng)計(jì)算該階段邊幫頂板最大下沉量及垂直壓應(yīng)力均有所增加，但整體仍處于穩(wěn)定狀態(tài)[15]。

5 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐

烏蘭煤礦現(xiàn)場(chǎng)通過邊幫壓煤充填采煤工藝對(duì)該礦3#、4#煤層邊幫壓煤進(jìn)行了資源回收。通過建立力學(xué)模型理論計(jì)算了各煤層采硐及煤柱寬度，現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐過程中采硐及煤柱寬度均按3.30m進(jìn)行取值。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，該礦3#、4#煤層邊幫壓覆資源回收率由原留設(shè)煤柱開采的68.75%、56.90%提升至95%。

該礦原煤售價(jià)380元/t；生產(chǎn)成本220元/t，其中：回采成本70元/t，充填成本100元/t，間接生產(chǎn)成本50元/t；噸煤盈利160元/t。

6 結(jié) 論

1)通過建立力學(xué)模型分析計(jì)算了3#、4#煤層采硐及采硐煤柱寬度，經(jīng)計(jì)算3#煤層采硐寬度3.36m、采硐煤柱寬度3.18m；4#煤層采硐寬度3.44m、采硐煤柱寬度3.58m。現(xiàn)場(chǎng)施工過程中為便于統(tǒng)一管理，各煤層采硐及采硐煤柱寬度均取3.30m進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)施工。

2)利用邁達(dá)斯GTS NX巖土通用有限元分析軟件建立數(shù)值模型分析計(jì)算4#煤層邊幫壓煤采硐開采、采硐充填及采硐煤柱開采各階段圍巖分布特征，經(jīng)分析各階段邊幫均處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3)經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐，烏蘭煤礦3#、4#煤層邊幫壓覆資源回收率由原留設(shè)煤柱開采的68.75%、56.90%提升至95%，大大提高了煤炭資源回收率。

4)采用邊幫壓煤充填開采技術(shù)對(duì)露天礦邊幫壓煤進(jìn)行煤炭資源回收，具有較大的社會(huì)推廣價(jià)值，不僅為企業(yè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益，也有利于解決環(huán)境污染的自燃災(zāi)害問題。