薄煤層墩柱充填采煤試驗研究

王向宏 王撈撈

（1.淄博市王莊煤礦有限公司，山東 淄博 255400； 2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116）

1 墩柱充填法采煤技術(shù)原理

關(guān)鍵層控制著局部和整體覆巖的破斷運動，軟弱巖層隨關(guān)鍵層破斷回轉(zhuǎn)同步協(xié)調(diào)運動，主關(guān)鍵層破斷將導致整體運動下沉，采動裂隙貫通至地表并形成地表沉陷。所以若能控制關(guān)鍵層的破斷運動將可以控制整體覆巖的運移，墩柱充填開采技術(shù)[1]就是基于此理念設(shè)計的。

堅硬頂板條件下采空區(qū)后留有較長懸頂，緊跟工作面推進速度，按設(shè)計間隔在采空區(qū)安置充填布袋，然后在布袋內(nèi)充填漿體膨脹材料使其與頂板充分接觸。在充填材料凝固后形成主動支承的密集墩柱群，墩柱群與堅硬頂板共同承載上覆載荷，保證關(guān)鍵層不破斷。如圖1 所示。

由于采動裂隙由煤層頂板向上逐層發(fā)育，覆巖在關(guān)鍵層控制作用下呈臺階式破斷下沉，所以當墩柱群支承頂板不破斷時，采動裂隙將不會繼續(xù)向上延伸，覆巖也因無下沉空間而保持穩(wěn)定，從而控制地表沉陷。為實現(xiàn)王莊煤礦地表減沉控制，特在該礦區(qū)應用墩柱充填開采技術(shù)。

圖1 墩柱充填開采技術(shù)原理示意圖

2 試驗礦井概況

王莊煤礦位于我國山東省淄博市臨淄區(qū)，在采煤層為4號煤層，煤層厚度為0.7～0.86m，平均0.82m，埋深為127m，煤層傾角約為6°，屬于近水平煤層。由采區(qū)內(nèi)8～15 號鉆孔柱狀圖判別關(guān)鍵層賦存層位，如表1 所示。煤層頂板為厚度1.36m 的細砂巖，經(jīng)判別為亞關(guān)鍵層，覆巖中共有四層亞關(guān)鍵層，一層主關(guān)鍵層。

表1 關(guān)鍵層判別結(jié)果

3 墩柱充填開采的物理模擬試驗

為研究墩柱充填開采技術(shù)用于王莊煤礦地表減沉的可行性，本章將通過二維物理模擬試驗模擬墩柱充填時的覆巖下沉量。

試驗設(shè)計尺寸相似比為1:50，所鋪設(shè)模型尺寸為160cm×40cm×120cm，模擬走向推進方向320m范圍內(nèi)的地表下沉。模型的容重相似比為1:1.56，應力相似比為1:1.78。配料以河沙為骨料，與碳酸鈣、石膏和水按照一定比例均勻混合制成。

開挖模型前，在各巖層上各布置一條測線，分 別 編 號 為CX-KS1、CX-KS2、CX-KS3 和CXPKS，與各關(guān)鍵層編號相對應。每條測線上每隔5cm 布置一個測點，單條測線上共布置31 個測點，如圖2 所示。開挖過程中用高速攝像機拍攝記錄每次開挖步距結(jié)束后的關(guān)鍵層位移狀態(tài)，將開挖模型時的照片導入DigiMetric 三維攝影測量系統(tǒng)與未開挖時的照片做圖像對比，計算出每個測點的位移變化量，然后繪出每層關(guān)鍵層的位移曲線。

圖2 測線布置圖

測量系統(tǒng)調(diào)試無誤后開始回采模型。在模型兩側(cè)各留15.5cm 邊界煤柱，以6cm 為開挖步距從左向右逐步開挖。首先從模型左端開挖12cm 的開切眼，然后開挖7.5cm，在緊靠工作面處安置預制好的墩柱模塊。接下來重復以上開挖步驟，即開挖6cm →開挖6cm →靜置20min →開挖7.5cm →靜置20min →安置墩柱模塊。

由 文 獻[2-3]計 算 得 出 墩 柱 尺 寸 為7.5cm×7.5cm×2.0cm，單次充填墩柱個數(shù)為2 個，平行于工作面方向排開，墩柱傾向間距為12.0cm，走向間距為12cm，墩柱距離工作面端頭6.5cm。

按照以上開采步驟回采至左端煤柱邊界后，共充填了6 組墩柱。將巖層基本下沉穩(wěn)定后的照片與未開挖時的照片導入測量系統(tǒng)計算各巖層下沉值，繪制巖層下沉曲線，如圖3 所示。關(guān)鍵層4 的最大下沉值為2.5mm，其下沉系數(shù)為0.125，小于一級農(nóng)村建筑物破壞標準0.15。

圖3 巖層下沉位移曲線

以上試驗結(jié)果表明，采用墩柱充填開采控制王莊煤礦地表減沉是可行的，特在王莊煤礦27401 工作面開展工業(yè)試驗。

4 工業(yè)性試驗

4.1 漿體膨脹材料性質(zhì)

充填材料凝固膨脹是墩柱充填開采技術(shù)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，該技術(shù)對充填材料特性有如下要求：（1）在充填前能以水為載體運輸至采空區(qū)；（2）能在充填后短時間內(nèi)凝固并達到支承強度要求；（3）充填后能夠自發(fā)膨脹使墩柱與頂板充分接觸。以下將介紹漿體膨脹充填材料的配料組成和膨脹原理。

充填材料由石膏、石灰、水泥、粉煤灰、水和添加劑制成，添加劑的主要成分是氧化鈣和氧化鋁。首先按設(shè)計比例將石膏、石灰、水泥、粉煤灰和水混合攪拌均勻制成漿體，然后在充填漿體中混入定量的添加劑制成充填材料，最后將充填漿體通過管路從井口運輸至采空區(qū)。

經(jīng)測試，漿體會在加入添加劑5h 后初步凝固，在14h 后幾乎完全凝固。因此，在加入添加劑后必須馬上將充填漿體運輸至采空區(qū)并充填進墩柱布袋中。在漿體和添加劑混合攪拌時會在漿體中生成氣體，由于漿體的流變特性，氣泡會懸浮于氣體生成位置，既不上浮逸出漿體，也不與其他氣泡匯合。因此，墩柱布袋體積在充填后會逐漸膨脹，從而充分支承頂板。

充填漿體凝固后其承載能力必須長期保持穩(wěn)定，從而消除工后災害隱患。因此，以下將對充填漿體試件的力學特性進行測試。按照建筑砂漿試件標準強度測試方法制作粉煤灰質(zhì)量濃度為45%的試驗樣品，分別灌制添加劑占比為8%、10%和12%的試件，其尺寸均為40mm×40mm×160mm，制成后密封養(yǎng)護。設(shè)計測定齡期為1d、3d、7d、14d、28d、60d，分別測試三種試件的抗壓強度變化，測試結(jié)果如圖4 所示。

圖4 充填漿體試件抗壓強度測試曲線

由圖4 可知，三種試件的抗壓強度在60d 后能達到8MPa 以上且保持穩(wěn)定。經(jīng)計算，工作面覆巖載荷為2.81MPa，故以上三種配比的墩柱均能與關(guān)鍵層共同支承覆巖載荷和控制地表下沉。

4.2 墩柱充填開采現(xiàn)場試驗

試驗地點27401 工作面寬度為80m，在采空區(qū)沿工作面傾向方向每排布置15 個墩柱，墩柱尺寸為6m×2m×1m，墩柱間隔為4m。

首先在采空區(qū)內(nèi)布置單體支柱和頂梁支撐頂板，然后按設(shè)計布局布置充填布袋，并向布袋內(nèi)充填漿體，漿體粉煤灰濃度為45%，添加劑濃度為12%。在墩柱內(nèi)漿體凝固膨脹后回撤立柱，至此，一個充填循環(huán)結(jié)束。

工作面回采前在其對應地表布置兩條測線，用于監(jiān)測墩柱充填開采后的地表下沉。一條測線沿工作面走向布置，共設(shè)置22 個觀測點，編號分別為N0、N1、……、N21，基準點間距50m，測點間距約25m，測線總長度約575m。另一條測線沿工作面傾向布置，共設(shè)置15 個觀測點，編號分別為E0、E1、……、E14，基準點間距50m，測點間距約25m，測線總長度約400m。

在工作面充填開采6 個月后地表已經(jīng)穩(wěn)沉，測量各個測點位移變化并繪制位移曲線，如圖5 所示。地表最大下沉值為48mm，地表下沉系數(shù)為0.057。

圖5 地表移動值監(jiān)測結(jié)果

磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞一級標準為地表下沉系數(shù)小于0.15。以上工程試驗表明，各項地表移動值均符合建筑物損壞等級一級規(guī)定值，墩柱充填開采技術(shù)有效控制了地表移動變形。

5 結(jié)論

（1）模擬試驗和現(xiàn)場試驗均表明墩柱充填開采能夠有效控制地表沉陷，其地表移動變形值均小于變形允許值。這對薄煤層堅硬頂板條件下的地表減沉具有參考價值。

（2）墩柱充填開采技術(shù)有效控制了王莊煤礦地表下沉，之后將在27403 工作面和27404 工作面繼續(xù)應用墩柱充填開采技術(shù)，進一步研究其地表控制作用。