似膏體材料巷式充填地表減沉試驗分析

張 帥

（山西焦煤集團店坪煤礦，山西 呂梁 033199）

1 工程概況

充填采煤是解決我國“三下”壓煤問題的有效方法，符合國家倡導(dǎo)綠色礦山的概念，因而在我國煤礦被廣泛應(yīng)用[1-2]。根據(jù)充填材料的不同，現(xiàn)有的充填方式主要有膏體充填、似膏體充填以及高水材料充填。充填材料是影響充填效果的關(guān)鍵，其中粉煤灰膏體充填材料獲取廣泛，強度高，地表控制效果比矸石充填顯著，但粉煤灰的漿體質(zhì)量濃度高，管道輸送困難，需要高壓泵體輸送，不適合在地表下沉控制要求極高的地區(qū)使用[3-5]。為了避免這些缺點，以店坪煤礦152304 工作面巷式充填為背景，展開以粉煤灰為主料且能夠自流輸送的高流態(tài)似膏體材料的研究。

店坪煤礦152304 工作面走向長約290 m，平均傾向長約160 m，埋深近235 m，煤層厚約2.5 m，傾角較小，為近水平煤層。通過對國內(nèi)部分充填開采的工程實例分析，提出該工作面采用似膏體巷式充填開采具備以下技術(shù)優(yōu)勢：（1）短壁式充填開采一次揭露頂板面積小，圍巖閉合量??；（2）15#煤層的頂板為9 m 厚的穩(wěn)定灰?guī)r，頂板管理難度低；（3）工作面采用連采機，掘進速度快，效率高，極大程度縮減工期；（4）巷式充填的采、充工序可以實現(xiàn)平行作業(yè)，施工效率較高；（5）粉煤灰取自礦方自產(chǎn)，有助于降低充填成本；（6）高性能充填材料，在簡化充填工藝的同時確保有良好的充填效果；（7）相鄰周邊礦井（某煤礦高水巷式充填開采）已有的成功實踐為店坪煤礦巷式充填開采的順利實施提供了寶貴經(jīng)驗。綜合考慮，決定在152304 工作面采用巷式充填開采，自主研發(fā)高性能的似膏體充填材料，并在工業(yè)性試驗前通過相似模擬展開似膏體充填的地表減沉效果分析。

2 似膏體充填材料配比試驗

似膏體充填材料配比試驗中，固定水料比為0.7，其中粉煤灰的質(zhì)量比例為80%，激發(fā)劑A1 為1%，礦粉和生石灰的百分比總和固定為20%，變化二者的比例，對比二者比例變化對充填材料的擴展度以及抗壓強度的影響。試驗結(jié)果見表1。

根據(jù)試驗過程和試驗結(jié)果可知，隨著礦粉的質(zhì)量比例減小，生石灰質(zhì)量比例增大，粉煤灰似膏體充填材料的流動擴展性能逐漸降低，即生石灰比例越小，礦粉比例越大，材料的流動性能越好。隨著礦粉摻量增大，生石灰減小，似膏體材料的單軸抗壓強度先增大后減小。最后確定，在實際應(yīng)用中，礦粉的比例在5%～10%之間，生石灰的質(zhì)量比例在15%～10%之間。

3 似膏體巷式充填相似模擬試驗

確定好似膏體充填材料礦粉和生石灰的比例后，在進行工業(yè)試驗前，以實際工作面地質(zhì)條件為基礎(chǔ)，展開相似模擬試驗，分析似膏體巷式充填的效果。根據(jù)工作面實際條件，選用4 m×0.3 m×2.5 m（長×寬×高）規(guī)格的鋼模型架進行試驗，如圖1。綜合考慮模型架尺寸及其他相關(guān)因素，得出其幾何相似比為1:100，時間相似比0.1，容重比為0.6，強度比0.006，彈模比0.006，泊松比1。

圖1 相似模擬試驗?zāi)Ｐ?/p>

本次試驗選取沙子、石膏、碳酸鈣、水和硼砂為相似模擬材料，依據(jù)被模擬巖層的物理力學(xué)性質(zhì)及試驗設(shè)計的相似系數(shù)確定其各自的配比號。相似模擬試驗中采用經(jīng)緯儀進行巖層位移觀測。巖層位移觀測點的布置方式如下：沿巖層方向從下至上布置6 條觀測線，每條測線布置19 個觀測點，總計114 個。1～6 號測線分別距煤層頂板3 cm、19 cm、36 cm、52 cm、125cm、210 cm，每條測線上相鄰兩測點間水平間距為20 cm。各位移測點布置如圖2。

圖2 相似模型測點布置示意圖

（1）開挖參數(shù)

現(xiàn)場施工時，采場巷道和隔離煤柱的尺寸選為6 m×1.5 m（寬×高），采用“采一留一、隨采隨充”的作業(yè)方式，掘進面日進尺為15 m/d。模擬試驗中，相似模擬試驗設(shè)計，取幾何相似比為1/100，時間相似系數(shù)為0.1，據(jù)此折合計算后的模型中采場巷道尺寸為6×1.5 cm（隔離煤柱尺寸與之一致），每間隔1 h 推進6.3 cm，單條采場巷道開挖完畢需4.8 h。此外，模型兩端各留出50 cm 的隔離煤柱以降低其邊界效應(yīng)。

（2）充填材料的制備

以試件1-4為參照，以其最終強度（90 d）為依據(jù)，選定合適的材料配比號。以沙子為骨料，石灰、石膏為膠凝材料，用事先做好的模具（模具規(guī)格與模型中的采場巷道一致）將充填體提前制備成型并晾干，待采場巷道開挖完畢后再將其回填至采出空間。

（3）開挖及回填過程

在距模型左邊界500 mm 處開挖第一條采場巷道，巷道貫通后隨即進行回填，同時間隔一定距離開挖下一條采場巷道，以此為循環(huán)直至距模型右邊界500 mm的位置完成第一階段的開挖和回填工作。第一階段回采和充填完成后，模型中共開挖采場巷道23 條，回填23 條，遺留隔離煤柱22 條，至此間隔一定時間待覆巖達到充分采動之后，使用全站儀觀測各測點的坐標(biāo)值，整理數(shù)據(jù)繪制圖。

由圖3 可知，巷式充填的第一采充階段完成后，下沉盆地中部各測點垂直位移大小的分布表現(xiàn)出明顯的“區(qū)域性”。其中，煤層上方的1#測線中的1-8號測點的下沉量達0.23 mm，為該條件下的最大下沉值，發(fā)生在距模型左邊界1600 mm。此外，模型從上至下各測線的垂直位移逐漸減小，其中5#、6#測線的測點下沉值為零，說明在充填體和隔離煤柱形成的覆巖支承體系中，開采擾動引發(fā)的巖層移動只波及到煤層上方4#測線位置。

圖3 第一采充階段后測點位移曲線

從圖4 可知，完成第二采充階段后，各測線的下沉量較第一階段有顯著增加，其中距離煤層較近的1#測線最大下沉值達0.52 mm，發(fā)生在距離模型左邊界1500 mm 處。此外，隨著遠離工作面各測線的下沉量逐漸降低，但6#測線較第一階段已經(jīng)產(chǎn)生較為明顯的移送下沉，最大下沉值為0.132 mm，說明二次采動進一步加深了采動影響程度，擴大了采動影響范圍，覆巖運移表現(xiàn)得更為活躍；下沉盆地中部各測點垂直位移分布的“區(qū)域性”消失，轉(zhuǎn)而表現(xiàn)為下沉盆地中部各測點垂直位移近似相等；巖層間的下沉趨勢表現(xiàn)出明顯的“一致性”，下沉曲線的形態(tài)都近似為碗形。

圖4 第二采充階段后測點位移曲線

綜合所述，采用似膏體材料充填，煤層上覆巖移動穩(wěn)定后，工作面處地表的最大水平變形率為0.011 mm/m，最大傾斜值0.06 mm/m，工作面的地表建筑在Ⅰ級損害范圍內(nèi)。該相似模擬試驗表明，店坪煤礦15#煤采用巷式似膏體充填開采能取得較理想的地表保護效果。

4 結(jié)論

（1）形成了以粉煤灰為主料，礦粉、生石灰和石膏為膠凝材料的似膏體充填材料體系，確定了似膏體材料配比，粉煤灰比例為80%，礦粉為5%～10%，生石灰為10%～15%。粉煤灰似膏體材料的研發(fā)為152304 工作面開展充填開采提供了基礎(chǔ)。

（2）似膏體巷式充填開采地表減沉相似模擬試驗結(jié)果表明，第一階段采充后煤層上覆巖層移動較為“輕緩”，頂板最大下沉值為0.23 mm，第二階段巖層移動相對劇烈，下沉曲線的形態(tài)近似為碗形，垂直位移最大值0.52 mm。結(jié)果表明巷式充填開采能高效回收煤炭資源，有效控制工作面地表的下沉，確保地表建筑破壞在I 級損害范圍，為152304 工作面展開巷式充填開采提供理論指導(dǎo)。