大采高條帶膏體充填采煤技術(shù)研究

鄭帥亮,李 春,冉德旺

(1.山西高河能源有限公司，山西 長治 046100; 2.山西中礦充填科技有限公司，山西 長治 046699)

隨著我國煤炭資源的大量開采，“三下”壓煤問題越來越突出，因此如何實(shí)現(xiàn)對(duì)其安全有效開采成為了制約礦井可持續(xù)發(fā)展的一大難題。隨著這些問題的產(chǎn)生，煤礦充填開采得到了長足發(fā)展，該技術(shù)不僅可以高采出率回收 “三下”壓煤，延長礦井服務(wù)年限，還能大量消耗矸石及建筑垃圾，節(jié)約土地，有效減輕地表沉陷，保護(hù)水資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，對(duì)于促進(jìn)煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義[1-2]。

1 高河充填開采條件

高河能源全礦“三下”壓煤總量多達(dá)3.72億t，為了解決“三下”壓煤問題，高河能源積極籌建膏體充填項(xiàng)目，并于2020年順利投產(chǎn)了第一個(gè)綜采膏體充填面，年充填采煤能力達(dá)到60萬t/a，為了充分利用充填系統(tǒng)富裕能力，將在工廠邊角壓煤區(qū)域進(jìn)行條帶充填開采。

該區(qū)域煤層平均厚度為6.6 m，埋深平均470 m，煤層傾角在1～4°，區(qū)域內(nèi)未發(fā)現(xiàn)陷落柱及斷層等構(gòu)造，煤層賦存條件較好。老頂為粉砂巖-細(xì)粒砂巖-粉砂巖，厚度為8.15 m。直接頂為細(xì)粒砂巖-粉砂巖，厚度為7.51 m。偽頂為泥巖，厚度0.34 m。直接底為泥巖，厚度0.45 m。老底為粉砂巖-泥巖-粉砂巖-砂質(zhì)泥巖-粉砂巖，厚度為14.95 m。其中，3號(hào)煤層直接頂板在水飽和條件下單軸抗壓強(qiáng)度11.7～12.5 MPa，平均為12.2 MPa，抗拉強(qiáng)度0.4～2.6 MPa，平均1.4 MPa；在天然狀態(tài)下，單軸抗壓強(qiáng)度18.1～42.2 MPa，平均為27.4 MPa。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告及該區(qū)域內(nèi)的1605等鉆孔資料，預(yù)計(jì)該巷道掘進(jìn)過程中煤層夾矸隨煤層傾伏變化穩(wěn)定。褶皺兩翼煤層傾伏角度較大，地應(yīng)力集中，煤層裂隙發(fā)育，易伴生斷層構(gòu)造。

2 條帶膏體充填開采方法

條帶膏體充填開采，就是使用連續(xù)采煤機(jī)或者綜掘機(jī)每采完一個(gè)適當(dāng)長度和適當(dāng)寬度的窄條帶，封堵隔離窄條帶兩端頭，再用膏體材料充滿該采空區(qū)。采完一個(gè)條帶，間隔一定寬度的煤柱再開采下一個(gè)條帶并充填，當(dāng)完成一輪開采后再返回到起點(diǎn)處對(duì)剩余煤柱實(shí)施下一輪開采并充填，直至采出所有煤炭資源[3]。

按照高河能源現(xiàn)有掘進(jìn)設(shè)備參數(shù)，每個(gè)條帶分為4個(gè)窄條帶，分4輪間隔開采，每個(gè)窄條帶寬度為5.3 m，條帶高度為6.6 m，采3.6 m，臥底3 m。每個(gè)條帶的充填開采過程見圖1，具體充填方法如下：

第一步：掘頂，見圖1(a)。條帶面沿煤層頂板掘進(jìn)，由于條帶面煤層整體為東北部高、西南低，因此充填管路布設(shè)在E1309條帶切眼。條帶開采采用二步一次采全高辦法回采。

根據(jù)榆林充填實(shí)踐和高河E1302充填面充填情況，合理的料漿配比，一個(gè)出口可在100～150 m，可以保障整個(gè)條帶充實(shí)充滿，因此設(shè)計(jì)在條帶最高處均勻布設(shè)3～4根充填管和1根排氣管，各高處的排氣管聯(lián)通，同時(shí)每個(gè)充填管距離充填出口每隔20 m左右在高點(diǎn)開2～3個(gè)出料口，提高充填接頂效果。

第二步：拉底，見圖1(b)。第一步完成后，進(jìn)行拉底采煤，同時(shí)支護(hù)兩幫，完成條帶一次采全高。

第三步：隔離，見圖1(c)。條帶掘進(jìn)完成后，在掘出條帶的上下端頭處支設(shè)隔離墻，并將條帶內(nèi)充填管與布料閥連接。由于條帶長度大、高度高，根據(jù)充填空間采取分步充填2～3次，因此隔離墻高度及強(qiáng)度要求降低，提高了充填安全性。

第四步：充填，見圖1(d)。隔離完成后，將該條帶充填滿膏體，以排氣管出口出漿作為充填接頂標(biāo)志，完成該條帶采充工作。

圖1 E1309條帶每個(gè)條帶充填開采過程

3 條帶充填體強(qiáng)度研究

3.1 膏體材料組成及力學(xué)性質(zhì)

高河能源膏體充填選用的充填材料為矸石、粉煤灰、膠結(jié)料、水、PA貝福劑、HA貝福劑。其中膏體材料的強(qiáng)度與不同膠結(jié)料的用量以及不同粉煤灰摻量和種類有關(guān)。

膏體試件的抗壓強(qiáng)度采用軸心受壓形式。利用WDW-2000萬能壓力測試機(jī)測定其單軸抗壓強(qiáng)度。測試機(jī)在測定試塊的單軸抗壓強(qiáng)度的同時(shí)，自動(dòng)繪制試塊的應(yīng)力-應(yīng)變曲線。

每齡期強(qiáng)度測試3塊，如果2個(gè)試塊強(qiáng)度值誤差小于10%，取其平均值；反之，則測定第3個(gè)試塊，取3個(gè)試塊中相近2塊的平均值，作為該齡期充填體的單軸抗壓強(qiáng)度值。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)在不同膠結(jié)料的用量以及不同粉煤灰摻量和種類的情況下，膏體材料的抗壓強(qiáng)度分別見圖2和圖3。

圖2 膏體強(qiáng)度與膠結(jié)料用量的關(guān)系

圖3 不同粉煤灰摻量對(duì)矸石基膏體早期強(qiáng)度的影響

3.2 膏體強(qiáng)度確定

3.2.1 充填體穩(wěn)定條件

條帶膏體充填開采需要充填體有足夠的強(qiáng)度來支撐上覆巖層重量，以控制巖層移動(dòng)，在充填體周邊發(fā)生塑性變形后，中間要有彈性變形區(qū)存在，以便長期有效地支撐上覆巖層[4]。

由圖4可知，第四輪采充過程最為危險(xiǎn)，充填體承受的壓力最大，充填體強(qiáng)度計(jì)算以此狀態(tài)為準(zhǔn)。

圖4 充填體與關(guān)鍵層關(guān)系

通過極限強(qiáng)度理論對(duì)充填體穩(wěn)定性進(jìn)行判別的方法為：第一步，求出充填體所受載荷；第二步，求出充填體的抗壓強(qiáng)度；第三步，進(jìn)行充填體穩(wěn)定性安全系數(shù)的校核。該理論認(rèn)為，要保證煤柱穩(wěn)定，一般應(yīng)有1.5～2.0倍的安全系數(shù)，即[5]：

(1)

式中：F為安全系數(shù)；σp為充填體強(qiáng)度，MPa；Pp為充填體承受載荷，MPa。

3.2.2 充填體載荷計(jì)算

根據(jù)高河能源工作面保護(hù)煤柱經(jīng)驗(yàn)，實(shí)體間隔50 m后，可再布置充填條帶，這樣關(guān)鍵層不會(huì)斷裂，充填體僅需支撐關(guān)鍵層以下的巖層重量即可。

充填體所受載荷計(jì)算模型見圖5，圖中陰影部分即為煤柱承受上覆巖層重力的計(jì)算范圍。

圖5 充填體受載計(jì)算模型

圖5(a)是按最危險(xiǎn)狀態(tài)考慮，即采空區(qū)上方至關(guān)鍵層底面的覆巖重力全部轉(zhuǎn)移到充填體上，充填體承擔(dān)其正上方及其兩側(cè)各一半采空區(qū)上的巖層重力。對(duì)于圖5(b)和(c)，充填體承擔(dān)其正上方及其兩側(cè)各一部分采空區(qū)上的巖層重力。為安全起見，按照?qǐng)D5(a)最危險(xiǎn)的狀態(tài)計(jì)算充填體強(qiáng)度，載荷計(jì)算式為：

(2)

式中：Pp為充填體平均應(yīng)力，MPa；γ為充填體至關(guān)鍵層之間巖層平均容重，MN/m3；H為充填體至關(guān)鍵層底面間距，m；We為充填體采出條帶寬度，m；WP為充填體寬度，m。

3.2.3 關(guān)鍵層位置確定

首先分析煤巖柱狀圖并參考各巖層巖石力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，其次根據(jù)關(guān)鍵層判別的剛度條件，對(duì)厚度較大，強(qiáng)度較大的巖層進(jìn)行剛度條件檢驗(yàn)，確定關(guān)鍵層，最后根據(jù)關(guān)鍵層判別的強(qiáng)度條件對(duì)其極限破斷距進(jìn)行計(jì)算分析，區(qū)分主關(guān)鍵層和亞關(guān)鍵層。

1) 上覆巖層組合結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵層剛度判別；關(guān)鍵層的剛度計(jì)算則運(yùn)用公式(3)進(jìn)行計(jì)算：

(3)

式中:qn|m為第m層巖石對(duì)n層巖層的載荷，kN；En為第n層巖石彈性模量，MPa；hn為第n層巖石的厚度，m；γi為第i層巖石的容重，kN/m3；hi為第i層巖石的厚度，m。

根據(jù)關(guān)鍵層理論：

qn|m+1

第m+1層巖層載荷小于第m層，則第m+1層位堅(jiān)硬巖層可初步確定為關(guān)鍵層，之后的計(jì)算從m+2層開始，計(jì)算對(duì)第m+1層的載荷，即：

qm+1|m+22)

否則計(jì)算第m+2層對(duì)第n層的載荷，即qn|m+2，以此類推。

通過剛度計(jì)算可得，初步確定關(guān)鍵層，是否主、亞關(guān)鍵層還需進(jìn)行關(guān)鍵層的強(qiáng)度計(jì)算。

2) 上覆巖層組合結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵層強(qiáng)度計(jì)算。假設(shè)第m、n都是關(guān)鍵層，破斷距分別為lm、ln，主關(guān)鍵層的強(qiáng)度判別見下式。

關(guān)鍵層的破斷距采用以下兩種方法計(jì)算，分別是：

按固支梁:

按簡支梁：

式中：lm為第m層巖層極限斷裂步距，m；hm為第m層巖層厚度，m；σt為第m層巖層的抗拉強(qiáng)度，MPa；qm為作用于第m層巖層上的載荷，MPa。

3) 上覆巖層組合結(jié)構(gòu)中關(guān)鍵層計(jì)算匯總。選取高河能源條帶首充區(qū)附近的1602號(hào)鉆孔柱狀圖，分析巖層柱狀圖、計(jì)算剛度和強(qiáng)度，經(jīng)過一系列的判別，最終由計(jì)算得出：第3層、第16層巖層為亞關(guān)鍵層，第28層為主關(guān)鍵層，充填體強(qiáng)度按照主關(guān)鍵層進(jìn)行計(jì)算，以增加安全系數(shù)，根據(jù)1602鉆孔柱狀圖，主關(guān)鍵層底面深度為346.30 m，3號(hào)煤層頂面所在深度為430.25 m，因此充填體至關(guān)鍵層底面間距H為84 m。則根據(jù)公式2，圖5(a)充填體所受載荷為：

Pp=0.025×84×(1+5.3/15.9)=2.80 MPa

3.2.4 條帶煤柱強(qiáng)度確定方法

大量的實(shí)驗(yàn)研究表明，充填體強(qiáng)度與充填體的形狀，即充填體的寬高比有關(guān)。參照煤柱強(qiáng)度計(jì)算公式，目前應(yīng)用較多且實(shí)用性較強(qiáng)的為比涅烏斯基(Bieniawski)公式，其具體計(jì)算公式為：

σp=σc(0.64+0.36a/h)n

(4)

式中：σp為充填體實(shí)際強(qiáng)度，MPa；σc為充填體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；a為充填體寬度，m；h為充填體采高，m；n為當(dāng)a/h>5時(shí)，n=1.4；當(dāng)a/h<5時(shí)，n=1。

根據(jù)公式(1)，取安全系數(shù)為2，則要求的充填體實(shí)際強(qiáng)度σp=2×2.80=5.60 MPa。

根據(jù)公式(4)，算得充填體單軸抗壓強(qiáng)度σc=5.60/(0.64+0.36×15.9/6.6)=3.72 MPa。

因此，高河能源條帶充填開采前三輪充填體強(qiáng)度不得低于3.72 MPa，如果進(jìn)行第四次充填，第四輪充填體強(qiáng)度要求也可以選擇較低強(qiáng)度，單軸抗壓強(qiáng)度滿足1.0 MPa即可。

4 地表沉降預(yù)測分析

礦區(qū)沉陷預(yù)測預(yù)報(bào)是礦山開采沉陷學(xué)科的核心內(nèi)容之一，它對(duì)開采沉陷的理論研究和生產(chǎn)實(shí)踐都有重要的意義。利用預(yù)測的結(jié)果可以定量地研究受開采影響的巖層與地表移動(dòng)在時(shí)間上和空間上的分布規(guī)律。預(yù)測所得的結(jié)果常被用來判別建筑物是否受開采影響，作為受影響建筑物進(jìn)行維修、加固、就地重建或采取地下開采措施的依據(jù)；可以根據(jù)預(yù)測所得的結(jié)果判斷建筑物、鐵路、水體下開采的可能性；可以根據(jù)預(yù)測的結(jié)果全面掌握礦區(qū)土地的塌陷情況。預(yù)測結(jié)果偏大將導(dǎo)致花費(fèi)不必要的保護(hù)費(fèi)用；預(yù)測結(jié)果偏小可能導(dǎo)致保護(hù)措施不足，使保護(hù)對(duì)象受到破壞，造成經(jīng)濟(jì)損失。長期的實(shí)踐證明，該系統(tǒng)的預(yù)測預(yù)報(bào)結(jié)果是準(zhǔn)確和可靠的。

目前地表沉陷預(yù)計(jì)采用概率積分法原理，相應(yīng)的原件主要針對(duì)長壁工作面開采，由于窄條帶充填開采目前還沒有有效地表沉陷預(yù)測軟件，因此采用類比法對(duì)該區(qū)域開采后地表沉陷情況進(jìn)行分析。

條帶開采該區(qū)域煤層為一次采全高，高河目前進(jìn)行的E1302工作面長壁膏體充填開采，經(jīng)方案論證，上分層開采后地表最大下沉為220 mm，最大傾斜變形為0.75 mm/m，最大水平變形為0.5 mm/m。下分層開采后地表最大下沉為435 mm，最大傾斜變形為1.5 mm/m，最大水平變形為1.0 mm/m。該區(qū)域采用條帶開采，圍巖擾動(dòng)性小，一次采全高，地表下沉遠(yuǎn)小于長壁膏體充填面，這一點(diǎn)在其他礦實(shí)踐中已經(jīng)驗(yàn)證，因此條帶開采后地表變形應(yīng)遠(yuǎn)小于高河E1302工作面上分層開采后的變形值，即，地表最大下沉為220 mm，最大傾斜變形為0.75 mm/m，最大水平變形為0.5 mm/m。

因此該區(qū)域地表建筑物變形值均可控制在變形要求范圍內(nèi)，開采影響范圍內(nèi)所有建筑物均得到可靠保護(hù)，不會(huì)影響地面建筑物安全和正常使用。

5 經(jīng)濟(jì)效益

2019年噸煤平均售價(jià)526.69元/t，成本272.94元/t，利潤253.75元/t。年產(chǎn)煤約15萬t，每年產(chǎn)值7 900萬元，預(yù)計(jì)利潤達(dá)3 806萬元。

按目前地面充填站的位置，充填站5 km服務(wù)范圍內(nèi)，可采用綜采充填開采的儲(chǔ)量約4 100萬t，可創(chuàng)收效益104億元，采用條帶充填開采的邊角煤儲(chǔ)量約520萬t，可創(chuàng)收效益13億元。

6 結(jié) 語

1) 我國礦井“三下”壓煤問題逐漸突出，厚煤層條帶膏體充填開采是必要的，是未來解放“三下”壓煤和邊角煤的好方式。

2) 經(jīng)過計(jì)算高河能源條帶強(qiáng)度為2.8 MPa，根據(jù)比涅烏斯基公式，在充填膏體強(qiáng)度達(dá)到3.72 MPa的要求下，可以滿足頂板長期穩(wěn)定。

3) 條帶膏體充填地表下沉量與變形量小，不影響地面建筑物的安全，膏體充填開采年利潤豐厚，經(jīng)濟(jì)效益顯著。