原生矸石置換開采控制頂板技術(shù)研究

肖金杰 徐東康

（1.山東能源臨沂礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 臨沂 276017；2.山東盟魯采礦工程有限公司，山東 濟(jì)寧 272103；3.山東東山古城煤礦有限公司，山東 濟(jì)寧 272100；4.山東東山王樓煤礦有限公司，山東 濟(jì)寧 272063）

由于國內(nèi)可采煤量逐年減少，部分資源枯竭礦井在村莊下壓煤?jiǎn)栴}上急需一個(gè)合理的解決辦法[1]，開采技術(shù)的研究解決壓煤?jiǎn)栴}是一個(gè)傳統(tǒng)課題。就不同的充填方式來看，原生矸石充填開采與注漿、高水、膏體等工藝相比，工藝簡(jiǎn)單，充填能力大，充填體形成容易，初期投入少，可創(chuàng)造的價(jià)值較高。選擇原生矸石充填技術(shù)，是瀕臨資源枯竭、薄及中厚煤層開采、巖石掘進(jìn)量大等類型礦井進(jìn)行綠色充填開采的第一選擇。

1 古城煤礦充填開采區(qū)域采礦條件

古城煤礦從2001 年投產(chǎn)至今，基本都是在村莊、建（構(gòu)）筑物下開采，自建礦以來，礦井基本全部使用條帶開采回收村莊壓煤，實(shí)現(xiàn)了安全經(jīng)濟(jì)開采，而且對(duì)地表建筑物的保護(hù)效果較好。但是這種方法其采出率較低，僅能達(dá)到45%。礦井在2010 年采取巷道矸石充填置換的方式部分回收條帶煤柱，在小部分井田范圍內(nèi)煤炭采出率上升到65%，但仍然難以全面提高采出率。

考慮實(shí)際生產(chǎn)需求，古城煤礦提出原生矸石井下置換開采技術(shù)并予以實(shí)踐，充填工藝采用傳統(tǒng)支架后懸皮帶的機(jī)械充填聯(lián)合風(fēng)動(dòng)力輔助充填工藝，在工業(yè)廣場(chǎng)煤柱的邊緣地帶布置了兩個(gè)回采工作面回收煤炭、充填矸石。充填法開采1209、1210 面如圖1 所示。

圖1 充填法開采1209、1210 面

充填開采工作面在井田標(biāo)高-505 m 以上范圍，區(qū)域內(nèi)煤層賦存比較穩(wěn)定，無斷層等構(gòu)造，礦井主采煤層3 煤為厚煤層，平均煤厚為9 m。3 煤層基本底和老頂均是砂巖，受老空積水影響也較小。一般地質(zhì)條件對(duì)采掘工程影響較小，但采掘作業(yè)時(shí)也應(yīng)注意對(duì)破碎帶的控制。充填區(qū)域內(nèi)的某鉆孔柱狀如圖2 所示。

圖2 區(qū)域內(nèi)某鉆孔柱狀圖

2 矸石充填下上覆巖層的運(yùn)動(dòng)特征

2.1 運(yùn)動(dòng)特征分析

工作面開采后進(jìn)行充填并結(jié)束，采空區(qū)由于被矸石充實(shí)，因此對(duì)因回采導(dǎo)致的待冒落頂板施加反作用力，達(dá)到限制頂板圍巖趨向破碎、阻止巖塊滑移趨勢(shì)的需求，因此能夠使圍巖松動(dòng)圈減小，降低地面沉降的速度和程度。伴隨采空區(qū)體積不斷增大，矸石充填越來越多，未充實(shí)部分也逐漸增大，當(dāng)圍巖自承能力達(dá)到極值，工作面上覆巖層才會(huì)錯(cuò)動(dòng)，地面開始發(fā)生沉降。工作面進(jìn)行回采后充填時(shí)，被充填物料的主要作用[2-3]表現(xiàn)為以下幾點(diǎn)：

（1）被充填物料屬于被動(dòng)支護(hù)，類似于支架（柱）對(duì)頂?shù)装寮皟蓭彤a(chǎn)生作用力，對(duì)于采動(dòng)影響范圍內(nèi)圍巖的自承能力，減小支護(hù)單元的支護(hù)壓力，同時(shí)對(duì)沖擊地壓防治工作有利，從某種意義上說，可以增大支護(hù)材料的承載能力，減少采場(chǎng)內(nèi)礦山壓力顯現(xiàn)。

（2）空區(qū)被充實(shí)后可以改變采場(chǎng)的應(yīng)力分布狀態(tài)，減小圍巖的應(yīng)力變化范圍，充填物料在頂板下沉后被壓實(shí)成為整體，成為被動(dòng)承載結(jié)構(gòu)，因此可以阻止、抵抗頂板繼續(xù)下沉。

（3）回采工作面結(jié)束循環(huán)后進(jìn)行不斷地充填銜接，采空區(qū)充填體、支架、煤壁（煤幫）共同配合，構(gòu)成一套相對(duì)固定的支撐體系。在該體系施加的作用力下，上覆巖層較未充填時(shí)變形程度較小，頂板下沉量減小，基本頂基本不會(huì)出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象。

采煤面回采及充填期間，支架后的充填體、液壓支架和煤體支撐著工作面范圍內(nèi)的覆巖，阻止其運(yùn)動(dòng)發(fā)生巖梁斷裂。當(dāng)工作面未進(jìn)行充填時(shí)，由工支架（柱）柱提供回采空間，外加煤柱抵抗頂板，架后頂板巖梁及時(shí)冒落，難以實(shí)現(xiàn)有效支撐，導(dǎo)致地面發(fā)生沉降；工作面充填作業(yè)并且逐步充實(shí)后，覆巖運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的動(dòng)壓及靜壓主要作用于工作面兩側(cè)及支架前方煤柱和采空區(qū)充實(shí)的物料上，支架的作用反而被減小，起臨時(shí)支護(hù)及提供通道的作用。參考工作面覆巖位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，工作面充填后上覆巖層運(yùn)動(dòng)過程和支承壓力作用曲線如圖3 所示。

如圖3（a）所示，回采及充填作業(yè)剛剛進(jìn)行時(shí)，上覆巖層基本未發(fā)生運(yùn)動(dòng)。之后回采及充填范圍逐漸增大，直接頂會(huì)發(fā)生初次來壓，此時(shí)覆巖運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象較小，未發(fā)生大的離層現(xiàn)象，如圖3（b）所示。隨著回采及充填范圍的不斷增大，基本頂同樣會(huì)發(fā)生周期來壓，如圖3（c）所示。區(qū)別于未充填的工作面，其頂板會(huì)發(fā)生下沉，不會(huì)發(fā)生冒落，礦山壓力顯現(xiàn)同樣較弱。隨著采空區(qū)頂板逐漸下沉，充填物料會(huì)逐漸被壓實(shí)，上覆巖層就會(huì)在工作面上方生成一個(gè)看不見的“裂隙拱、平衡拱”，在其結(jié)構(gòu)內(nèi)覆巖會(huì)有大小不一的裂隙發(fā)育，并隨著工作面不斷向前推采持續(xù)跟進(jìn)[4-5]。

圖3 工作面充填后上覆巖層運(yùn)動(dòng)模型支承壓力分布圖

結(jié)合圖3（a）～3（c），對(duì)應(yīng)圖3（d）來看采煤工作面充填后的頂板支承壓力分布狀態(tài)，圖中上方實(shí)線代表其應(yīng)力分布規(guī)律，峰值到煤體是彈性區(qū)范圍，峰值到煤壁是極限平衡區(qū)的范圍[6]。一般來說，采空區(qū)尚未冒落的頂板主要是靠充填的矸石和煤壁支撐，工作面空間上的外露頂板巖層主要由煤壁端支承著，所以其值正常情況下只能恢復(fù)到γh 且上下浮動(dòng)，但達(dá)不到前方煤壁的支承壓力。

結(jié)合《中國煤礦采場(chǎng)圍巖控制》，極限平衡區(qū)在支承壓力下的寬度由下式計(jì)算得出[7]：

式中：X0為極限平衡區(qū)寬度；pɑ為支架對(duì)煤壁的反力；M為開采厚度；H為開采深度；K為應(yīng)力集中系數(shù)；c1為接觸層間內(nèi)聚力；γ為上覆巖層的平均容重；σc、σt為煤的單軸抗壓及抗拉強(qiáng)度；σy為極限平衡區(qū)內(nèi)垂直應(yīng)力；f1為接觸面內(nèi)摩擦系數(shù)；c2為煤體的粘聚力；f2為煤體內(nèi)摩擦系數(shù)。

由式可知，工作面開采高度與極限平衡區(qū)范圍存在正相關(guān)的關(guān)系，將架后空間進(jìn)行矸石充填后，將等同于改變其開采高度而其他參數(shù)不變，采空區(qū)后方頂板不再垮落，從而使極限平衡區(qū)范圍減小，兩順槽受動(dòng)壓影響范圍減小。采煤工作面可以將支架（柱）的工作阻力、錨桿（索）支護(hù)強(qiáng)度及密度降低，同時(shí)可縮短超前支護(hù)長度、減小超前支架（柱）密度，因此可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，有利于高效采煤技術(shù)的發(fā)展。

2.2 生產(chǎn)中工作面及超前支護(hù)實(shí)踐

同時(shí)，由于此處采場(chǎng)深度達(dá)到500 m，隨工作面支架的向前推移，充填作業(yè)不及時(shí)造成頂板緊接著垮落，容易形成可充填空間變小，充實(shí)率達(dá)不到理想效果，頂板進(jìn)一步冒落形成惡性循環(huán)。為了更好地對(duì)工作面開采后進(jìn)行充填工作，工作面架前錨網(wǎng)臨時(shí)支護(hù)控制回采空間的頂板，避免空區(qū)頂板超前垮落，決定對(duì)工作面支架前方掛金屬網(wǎng)并在支架間適當(dāng)間距補(bǔ)打錨桿，金屬網(wǎng)及錨桿隨支架前移進(jìn)入架頂、架后，進(jìn)一步控制頂板，減緩架后頂板下沉速度，方便后續(xù)的充填作業(yè)，工作面達(dá)到理想的充填效果。

圖4 頂板支護(hù)示意圖

圖5 架前支護(hù)工藝現(xiàn)場(chǎng)

針對(duì)古城煤礦超前支護(hù)的現(xiàn)狀，為實(shí)現(xiàn)對(duì)矸石充填工作面超前支護(hù)段頂板的有效控制，提高頂板控制效果，在超前支護(hù)范圍內(nèi)逐步采用補(bǔ)強(qiáng)錨索支護(hù)替代原有被動(dòng)支護(hù)形式。先期將順槽原超前支護(hù)長度由70 m 減小到30 m 再到20 m，單體支柱排距由1 m 增大至2 m，后逐漸全部取消超前支柱，使用補(bǔ)強(qiáng)錨索代替。

工作面生產(chǎn)期間在距工作面70 m 處向外施工，非生產(chǎn)期間在距工作面70 m 處向里施工，直至將工作面70 m 范圍內(nèi)的兩順槽超前支護(hù)段頂板全部支護(hù)完畢，后期隨著工作面充填循環(huán)步距逐步跟進(jìn)主動(dòng)支護(hù)。在順槽中心線兩側(cè)0.7 m 處各支護(hù)一排錨索，縱向布置排距為1 m，每根錨索配2 卷MSCK2570 錨固劑。T 型鋼帶平行于順槽施工，兩根錨索一組，如此使用鋼帶的目的是護(hù)頂面積基本等于原支護(hù)頂板使用的π 型長鋼梁。超前支護(hù)平面及斷面示意圖如圖6 所示。

圖6 超前支護(hù)平面及斷面示意圖

3 結(jié)論

（1）原生矸石充填開采要分析覆巖運(yùn)動(dòng)理論，進(jìn)一步應(yīng)用于現(xiàn)場(chǎng)，為充填開采的工程實(shí)踐提供技術(shù)支撐。

（2）采煤工作面薄及中厚煤層采用長壁采煤法、矸石充填法管理頂板情況時(shí)，生產(chǎn)工藝可采用原矸充填開采工藝。在同等的地質(zhì)采礦條件下，矸石充填開采相對(duì)于垮落法開采可以一定程度減小礦山壓力顯現(xiàn)的程度，對(duì)于沖擊地壓防治及頂板管理具有一定積極意義。

（3）原生矸石充填開采工藝簡(jiǎn)單、操作方便，而且可以處理礦井自身產(chǎn)生的矸石，實(shí)現(xiàn)矸石不升井，而且可以減少地面下沉量及下沉速率。

（4）原生矸石充填開采要不斷更新工藝、優(yōu)化系統(tǒng)以使充填率不斷提高，以保證實(shí)現(xiàn)預(yù)期的減沉效果。