巷式充填采煤技術(shù)研究

姜 波

(同煤集團(tuán)云岡礦綜采二隊(duì)，山西 大同 037017)

引 言

“三下”壓煤指的是在建筑物，水體和鐵路下的壓煤現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)探明的“三下”壓煤總量為141億t。其中，65%為建筑物下壓煤，約為91.6億t[1]。與鐵路壓煤和水體壓煤相比較，建筑物下壓煤的開(kāi)采更為復(fù)雜。建筑物下壓煤大部分為村莊下壓煤，我國(guó)煤炭開(kāi)采起步晚，分布零散，目前國(guó)內(nèi)大部分礦區(qū)都存在村莊下壓煤的現(xiàn)象。特別是在山西、河南和河北這些人口密度大的省份，由于村莊眾多，人口密集，村莊下壓煤已經(jīng)占到總儲(chǔ)量的20%以上。此外，一些老舊礦區(qū)也面臨著采區(qū)資源枯竭的問(wèn)題，需要開(kāi)發(fā)新的工作面來(lái)延長(zhǎng)礦井的工作年限。鑒于此，村莊下壓煤開(kāi)采技術(shù)已經(jīng)成為了“三下”壓煤開(kāi)采中的重要研究對(duì)象，包括如何最大限度地開(kāi)采村莊下煤炭資源，保護(hù)地面環(huán)境和建筑物，提高煤炭企業(yè)物料資源的利用率和增加礦區(qū)使用壽命等。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外建筑物下煤炭開(kāi)采技術(shù)經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，根據(jù)它們本國(guó)煤礦的自身情況，主要有以下一些開(kāi)采方式：

1) 填充開(kāi)采。包括風(fēng)力填充、密實(shí)水砂填充和煤矸石填充[2]。該技術(shù)是利用其他物質(zhì)對(duì)采取巷道進(jìn)行填充，達(dá)到減輕開(kāi)采沉降，提高采取穩(wěn)定性和增加資源回收率的目的。采用煤矸石填充還可以起到減少煤礦開(kāi)采廢棄物排放的作用。該項(xiàng)技術(shù)效果好，節(jié)能環(huán)保，但是需要高效的填充設(shè)備和成熟的填充工藝，目前采用這項(xiàng)技術(shù)的國(guó)家有波蘭和英國(guó)。

2) 協(xié)調(diào)開(kāi)采。該技術(shù)主要通過(guò)搭建巷道防變形建筑物來(lái)防止采區(qū)沉降。包括在巷道建設(shè)液壓千斤頂，對(duì)已有的建筑物進(jìn)行澆灌加固和設(shè)置變形縫等措施。協(xié)調(diào)開(kāi)采效果好，成本較低但是對(duì)采區(qū)地質(zhì)條件要求較高，部分英國(guó)煤礦企業(yè)和大部分德國(guó)企業(yè)使用該項(xiàng)技術(shù)。

3) 房柱式開(kāi)采，目前國(guó)外大部分國(guó)家包括美國(guó)、澳大利亞、印度等國(guó)采用該項(xiàng)技術(shù)。其原理是在采煤區(qū)進(jìn)行作業(yè)時(shí)，留設(shè)煤柱作為作業(yè)面支撐頂板。該項(xiàng)措施成本低、工期短，可以有效地防止地面沉降。但是煤柱的位置和煤柱的尺寸如何選取是一個(gè)關(guān)鍵性的問(wèn)題，不合理的設(shè)計(jì)將存在安全隱患和開(kāi)采率不高的問(wèn)題。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國(guó)建筑物下壓煤開(kāi)采技術(shù)自20世紀(jì)60年代開(kāi)始，經(jīng)過(guò)60年的研究實(shí)踐，現(xiàn)已發(fā)展為開(kāi)采沉陷學(xué)這門(mén)學(xué)科[3]。目前國(guó)內(nèi)村莊下壓煤開(kāi)采主要基于采區(qū)的實(shí)際情況，根據(jù)不同開(kāi)采條件和地面設(shè)施，采用填充開(kāi)采、協(xié)調(diào)開(kāi)采、房柱式開(kāi)采和覆巖離層注漿法開(kāi)采等技術(shù)。

巷式填充采煤技術(shù)是當(dāng)前國(guó)內(nèi)外使用最為廣泛的村莊下壓煤開(kāi)采技術(shù)。與其他建筑物下煤炭開(kāi)采技術(shù)相比較，該技術(shù)可以維持煤層地面地壓的穩(wěn)定，防止地面塌陷事故的發(fā)生，減少煤礦開(kāi)采對(duì)環(huán)境的破壞。此外，還可以顯著提升煤礦開(kāi)采率，增加煤礦企業(yè)得經(jīng)濟(jì)效益，保證礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。但是該技術(shù)有較高的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)要求，目前在我國(guó)還沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用。這也是筆者進(jìn)行巷式充填采煤技術(shù)研究的原因。

2 巷式充填采煤技術(shù)研究

本文以山西某礦采區(qū)為例，對(duì)其采區(qū)內(nèi)的村莊下壓煤開(kāi)采技術(shù)作分析研究。

2.1 采區(qū)工作面開(kāi)采方案

該采區(qū)工作面的巷道分布如圖1所示。該采區(qū)一共設(shè)有23條支巷，每支巷的高度為2.5 m，寬度為6 m，每隔6 m設(shè)置一根保護(hù)煤柱。在進(jìn)行開(kāi)采工作時(shí)，巷道開(kāi)口開(kāi)采角度為60°，使用連續(xù)采煤機(jī)對(duì)工作面進(jìn)行開(kāi)采。

圖1 采區(qū)工作面巷道分布

對(duì)巷道采取錨索和錨桿聯(lián)合防護(hù)的加固措施[4]。使用高強(qiáng)度螺紋鋼，在巷道內(nèi)每2 m裝置3根錨桿。錨索沿巷道中心線設(shè)置，采用高強(qiáng)度絞線。其設(shè)置圖如圖2所示。在設(shè)置完成后，對(duì)巷道頂板進(jìn)行觀察，若有構(gòu)造損壞和崩裂現(xiàn)象，在該區(qū)域內(nèi)改為間隔為1.2 m的錨桿分布，并且設(shè)置兩條錨索。在進(jìn)行開(kāi)采工作時(shí)，采用支巷掘進(jìn)技術(shù)和連采機(jī)開(kāi)采工藝，具體配備設(shè)備包括連續(xù)采煤機(jī)、皮帶傳送機(jī)和鏟用車。

圖2 巷道支護(hù)裝置設(shè)計(jì)圖(mm)

2.2 巷式充填工藝

為了滿足工作面的壓力要求，結(jié)合該煤礦的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際狀況使用高水膨脹材料作為填充物。該材料是以粉煤灰為主料，結(jié)合固化劑、膨脹劑和水進(jìn)行攪拌后制成的漿狀充填物。填充材料需要具備以下特性：

1) 凝固時(shí)間短，要求初凝時(shí)間大于1.5 h，在10 h內(nèi)達(dá)到完全凝固。

2) 具有膨脹性，膨脹率不得低于0.02。

3) 流動(dòng)性強(qiáng)，初始流動(dòng)速度不得低于280 mm/h，平均速度不得低于220 mm/h。

4) 擴(kuò)展性能強(qiáng)，但是沁水率必須小于0.03。

井下巷式充填工藝的流程如圖3所示，在充填物準(zhǔn)備完畢后，井下的充填工作需要和采煤工作相結(jié)合同步進(jìn)行。充填工藝包括：

圖3 充填工藝流程

1) 充填的循環(huán)方式，使用兩條巷道充填一條巷道的模式。

2) 充填的管道鋪設(shè)，充填主料管道采用強(qiáng)度大的鋼材料，在出料口為了減輕對(duì)頂板的壓力同時(shí)也方便搬運(yùn)移動(dòng)，采用輕型的PE管。

3) 充填的空間封堵，兩側(cè)由預(yù)留煤柱進(jìn)行封堵，對(duì)于前后兩端可以采用強(qiáng)度較高的鋼材料板進(jìn)行封堵，在充填時(shí)由頂板上方注入充填材料以達(dá)到封堵效果。

4) 充填程序，在兩條巷道開(kāi)采完畢后，對(duì)第一條巷道進(jìn)行充填，通過(guò)相鄰巷道檢查煤柱的穩(wěn)定性，為之后留設(shè)煤柱提供經(jīng)驗(yàn)。

3 巷式充填采煤工作面上覆巖層變形規(guī)律模擬

為了研究巷式填充對(duì)覆巖層造成的影響，筆者根據(jù)該煤礦的地質(zhì)條件對(duì)進(jìn)行開(kāi)采作業(yè)后的巖層形變進(jìn)行了模擬研究。王臺(tái)鋪煤礦采區(qū)的巖層共分為26層，首先通過(guò)巖層荷載計(jì)算公式[4]，得到了關(guān)鍵層1(第1層)、關(guān)鍵層2(第15層)、關(guān)鍵層3(第22層)和主關(guān)鍵層(第25層)。根據(jù)固支梁理論公式，它們的破斷距分別為39.63 m、60.04 m、67.07 m和80.52 m。

根據(jù)上述關(guān)鍵層和層破斷距的數(shù)據(jù)，使用適當(dāng)材料對(duì)該煤礦進(jìn)行巖層模擬，模型如下圖4所示。

圖4 巖層模擬圖

圖4中白點(diǎn)代表煤柱，6條橫向白線代表6個(gè)測(cè)線，每條縱向白點(diǎn)代表巷道。在煤柱的上方設(shè)置了壓力傳感器，通過(guò)模擬軟件將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，輸出應(yīng)力值。將每5條巷道編為一組進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?zāi)M，共4輪。圖5為每輪模擬實(shí)驗(yàn)中巖層應(yīng)力的變化。

圖5 巖層模擬應(yīng)力變化圖

從模擬的巖層應(yīng)力變化圖中可以看出，在支巷開(kāi)始工作后，其周圍的煤柱產(chǎn)生較大應(yīng)力，但是對(duì)于遠(yuǎn)距離的煤柱幾乎沒(méi)有影響。煤柱的應(yīng)力變化是根據(jù)巷道的工作狀態(tài)分布，隨著巷道的不斷增多，巷道頂板對(duì)煤層的壓力越來(lái)越大，所以各個(gè)煤柱承受的應(yīng)力也隨之增大。但是在巷道挖掘的整個(gè)過(guò)程中，所有巷道煤柱的應(yīng)力值變化都不大。說(shuō)明巷式充填開(kāi)采可以有效緩解巷道煤柱受到的應(yīng)力，達(dá)到保護(hù)巷道、維持巖層穩(wěn)定的效果。

4 結(jié)語(yǔ)

巷式充填采煤技術(shù)作為一種新興的建筑物下壓煤開(kāi)采技術(shù)，目前在煤礦的實(shí)際開(kāi)采工作中還未得到廣泛的運(yùn)用。本文通過(guò)對(duì)該技術(shù)現(xiàn)場(chǎng)工藝的介紹和開(kāi)采實(shí)驗(yàn)的模擬，得出了巷式充填采煤技術(shù)有著工藝簡(jiǎn)單、開(kāi)采率高、保持巖層穩(wěn)定和保護(hù)地面建筑等優(yōu)點(diǎn)?？梢蕴岣吡嗣旱V的使用壽命，節(jié)約了能源消耗，減少了煤礦廢料的排放，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。