薄煤層巷式充填開(kāi)采應(yīng)用研究

米亞衛(wèi)

（山西焦煤集團(tuán)店坪煤礦，山西 呂梁 033199）

1 工程概況

隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的快速推進(jìn)，“三下”壓煤的問(wèn)題已成為許多礦區(qū)特別是衰老礦區(qū)發(fā)展的桎梏，嚴(yán)重制約著礦井的可持續(xù)發(fā)展[1-2]。充填采煤是控制巖層移動(dòng)及地表沉陷的有效技術(shù)手段，其中巷式充填開(kāi)采是全部充填或條帶充填開(kāi)采的重要方式。巷式開(kāi)采揭露頂板面積小，且開(kāi)采過(guò)程中均采用錨桿索對(duì)頂板進(jìn)行及時(shí)支護(hù)，圍巖擾動(dòng)極小，采用充填材料充填入掘出的煤巷中實(shí)現(xiàn)置換開(kāi)采，可以消除地表沉降，消耗工業(yè)廢棄物，加快煤礦企業(yè)的循環(huán)發(fā)展，提高煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，是實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開(kāi)采的理想途徑和關(guān)鍵技術(shù)[3-4]。

店坪煤礦152302 工作面主采15#煤，工作面布置如圖1。井下位置處于15#煤層二盤(pán)區(qū)中部，其西部為二盤(pán)區(qū)軌道巷、膠帶巷和回風(fēng)巷，東部是東翼膠帶巷、軌道巷和回風(fēng)巷，北部為152304 工作面，南面為152301 工作面。工作面走向長(zhǎng)788.6 m，傾向長(zhǎng)為180 m，工作面埋深約231 m。工作面煤炭?jī)?chǔ)存量約為29.5 萬(wàn)t，其中村莊壓煤量占總量的55%。為解決壓煤?jiǎn)栴}，結(jié)合地質(zhì)條件，礦方計(jì)劃在152302 工作面采用巷式充填開(kāi)采工藝。

圖1 工作面巷道布置示意圖

2 充填體合理強(qiáng)度分析

充填體的合理強(qiáng)度直接影響了充填開(kāi)采的效果，如果充填材料的強(qiáng)度不足，充填體承載受壓后極易發(fā)生結(jié)構(gòu)性失穩(wěn)而失去對(duì)頂板的有效支撐；材料強(qiáng)度過(guò)高，雖提高了充填體的穩(wěn)定性，但無(wú)效的富余強(qiáng)度，間接地增加了材料成本。因此，在開(kāi)展充填材料配比試驗(yàn)前確定合理的材料強(qiáng)度很有必要。選用FLAC3D有限元數(shù)值模擬軟件，分析不同充填材料強(qiáng)度對(duì)充填開(kāi)采圍巖控制效果的影響。

為了降低模型構(gòu)建難度，節(jié)省運(yùn)算時(shí)間，在構(gòu)建模型時(shí)將采場(chǎng)巷道簡(jiǎn)化為垂直于區(qū)段平巷的布置形式，同時(shí)省去采場(chǎng)支巷，但在采充工藝上仍保留“采一留一、隨采隨充”的作業(yè)方式，整個(gè)區(qū)段的回采和充填分兩個(gè)階段相繼完成。通過(guò)以上模擬實(shí)現(xiàn)不同的充填體強(qiáng)度對(duì)采場(chǎng)圍巖應(yīng)力分布及覆巖下沉影響的定性分析。

依據(jù)以上采充工藝，控制其他因素保持不變，選取采場(chǎng)巷道充填與未充填條件下的頂?shù)装宕怪睉?yīng)力以及不同充填體強(qiáng)度下的頂板垂直應(yīng)力、隔離煤柱水平應(yīng)力、“兩階段”（第一和第二采充階段）直接頂下沉量等作為考量指標(biāo)。通過(guò)對(duì)比采場(chǎng)巷道頂?shù)装宕怪睉?yīng)力在充填與未充填條件下的分布特征，可以明確充填體改善覆巖承載環(huán)境中的作用機(jī)制，而通過(guò)對(duì)第一階段頂板垂直應(yīng)力、隔離煤柱水平應(yīng)力進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以研究不同強(qiáng)度的充填體影響圍巖應(yīng)力分布的一般性規(guī)律；選擇兩階段直接頂下沉量可以研究不同材料強(qiáng)度條件下充填體的覆巖減沉效果。充填體材料的強(qiáng)度值分別設(shè)定為1 MPa、3 MPa、5 MPa、7 MPa、9 MPa，模擬上述各項(xiàng)指標(biāo)在不同條件下的變化規(guī)律。采充方式完全按照巷采充填工藝進(jìn)行，即巷道開(kāi)挖后經(jīng)過(guò)一定步數(shù)的運(yùn)算即對(duì)其進(jìn)行回填，再進(jìn)行下一條巷道的開(kāi)挖。

根據(jù)152302 工作面實(shí)際情況建立計(jì)算模型，工作面尺寸為長(zhǎng)×寬×高=120 m×60 m×56 m，煤層厚度為1.5 m，頂板取12 層巖層，共計(jì)41 m，底部取2 層巖層，共計(jì)13.5 m，模型左右兩端各保留15 m 的煤柱。巖層力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。模型共劃分有190 800 個(gè)單元體，202 554 個(gè)網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)。模型施加邊界設(shè)計(jì)位移約束，并施加上覆巖層自重的等效載荷，模型選用莫爾—庫(kù)侖屈服準(zhǔn)則進(jìn)行計(jì)算。

表1 圍巖力學(xué)參數(shù)表

第一采充階段結(jié)束以后，充填體強(qiáng)度一定時(shí)，充填體上方的頂板下沉量較隔離煤柱上方的頂板下沉量顯著增加，煤層頂板的移動(dòng)下沉表現(xiàn)出明顯的“區(qū)域性”，如圖2。這主要是因?yàn)槌涮铙w的力學(xué)特性較原位煤體的力學(xué)特性差，在承受相同的載荷后前者上覆巖層的運(yùn)移表現(xiàn)出更高的“活躍性”，表現(xiàn)為充填體上方的頂板下沉量較隔離煤柱上方的頂板下沉量大很多；充填體強(qiáng)度逐漸增加時(shí)，充填體上方的頂板下沉量逐次降低，隔離煤柱上方的頂板下沉量變化幅度不大，這表明在第一采充階段，隔離煤柱仍是覆巖支撐體系中的主體，控制頂板下沉的關(guān)鍵在于提高充填體的強(qiáng)度；當(dāng)充填體強(qiáng)度為5 MPa 時(shí)，煤層頂板的最大下沉值為24.8 mm，此后隨著充填體強(qiáng)度的提高，頂板最大下沉量的下降幅度逐漸減小，說(shuō)明繼續(xù)增加材料強(qiáng)度對(duì)改善覆巖控制的作用不明顯。

圖2 第一階段采充后頂板位移特征

第二采充階段結(jié)束以后，在以充填體為主構(gòu)成的覆巖支撐體系中，煤層頂板移動(dòng)下沉的“區(qū)域性”基本消失，頂板下沉趨勢(shì)趨于一致，下沉曲線的基本形態(tài)近似為碗形。第二階段采充后頂板位移特征如圖3。

圖3 第二階段采充后頂板位移特征

煤層頂板下沉量隨著充填體強(qiáng)度增加而逐漸降低，當(dāng)充填體強(qiáng)度為3～7 MPa 時(shí)，煤層頂板的最大下沉值為47.88～43.3 mm，此后隨著充填體強(qiáng)度的提高頂板最大下沉值的降低速率趨于平緩，頂板下沉控制效果變化不明顯。因此，綜合充填材料成本和充填效果，確定充填體合理強(qiáng)度為3～7 MPa。

3 條帶式采充工藝設(shè)計(jì)

（1）巷采工作面布置方式

152302 工作面主采15#煤，煤層均厚1.5 m，選用巷式充填采煤工藝，工作面布置方式如圖4。首先，自開(kāi)切眼中部位置起沿煤層走向開(kāi)掘采場(chǎng)支巷直至接通1523021 輔助巷，采場(chǎng)支巷可用作整區(qū)段的集中運(yùn)輸巷；其次是將支巷兩側(cè)的煤體劃分成若干尺寸一定的采場(chǎng)巷道，采場(chǎng)巷道與支巷之間留有55°～60°的夾角以便連采機(jī)等機(jī)械行走；最后，通過(guò)合理的采充配合完成整個(gè)區(qū)段煤體的回收和空巷充填作業(yè)。

圖4 巷式充填工作面布置

（2）采煤工藝流程

采場(chǎng)巷道選用連采機(jī)割煤、多臺(tái)梭車交替運(yùn)煤的回采方式，巷道斷面形狀為矩形，斷面尺寸寬×高=6 m×1.5 m。連采機(jī)割煤時(shí)，從采場(chǎng)支巷起沿煤層傾向逐漸掘至1523021 巷，掘巷過(guò)程中的落煤經(jīng)梭車運(yùn)離工作面。運(yùn)煤系統(tǒng)：采場(chǎng)巷道→采場(chǎng)支巷→1523021 輔助巷→610 東翼皮帶巷；通風(fēng)系統(tǒng)：1523021 材料巷→1523021 巷→1523022 巷→15#煤層專用回風(fēng)巷；運(yùn)料系統(tǒng)：1523021 材料巷→1523022 巷運(yùn)料橫川→1523022 巷；工作面廢水、充填廢棄漿液→1523021 輔助巷→東翼盤(pán)區(qū)膠帶巷等一側(cè)的水溝。

（3）巷采充填工藝流程

選用“采一留一、隨采隨充”的采充作業(yè)方式，分兩個(gè)階段完成整個(gè)區(qū)段的回采與充填任務(wù)。第一條采場(chǎng)巷道回采完畢之后，隨即對(duì)其進(jìn)行充填作業(yè)，同時(shí)，間隔一定寬度的隔離煤柱進(jìn)行下一條采場(chǎng)巷道的掘進(jìn)工作，以此為循環(huán)完成第一階段的采充任務(wù)。第二階段主要是對(duì)上階段遺留的隔離煤柱進(jìn)行回收，同樣采用隨采隨充的作業(yè)方式完成所有隔離煤柱的回收和充填任務(wù)。采場(chǎng)巷道充填時(shí)，首先在貫通后的回采巷道兩端砌筑隔離擋墻，擋墻上部留設(shè)注漿管，充填料漿自地面制漿站起經(jīng)管道輸送系統(tǒng)輸送至充填地點(diǎn)。

根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，考慮頂板下沉量和充填開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)效益，最終充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)為5 MPa。在工作面施工后，為了監(jiān)測(cè)充填效果，在1523021 順槽內(nèi)共布置了5 個(gè)巷道表面位移測(cè)站，每隔40 m設(shè)計(jì)一個(gè)，距離回風(fēng)巷分別為10 m、50 m、90 m、130 m、170 m。根據(jù)采場(chǎng)巷道的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，巷道頂板和兩幫均出現(xiàn)變形，但整體變形量較小。巷道最大頂板下沉量在巷道的中部，為58 mm，兩幫移近量最大為55 mm，最大底鼓量為40 mm。

4 結(jié)論

（1）通過(guò)FLAC3D數(shù)值模擬，對(duì)5 種充填體強(qiáng)度進(jìn)行模擬，結(jié)果表明，對(duì)于15#煤采用巷式充填開(kāi)采來(lái)說(shuō)，充填體材料強(qiáng)度為3～7 MPa 可以有效控制巷道頂板下沉。

（2）根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)了巷式充填開(kāi)采的工藝，通過(guò)監(jiān)測(cè)巷道變形發(fā)現(xiàn)，工作面巷道變形量小，充填體強(qiáng)度為5 MPa 的設(shè)計(jì)合理。