厚煤層留巷分層膏體充填開采技術(shù)研究

郭子程，宋光遠(yuǎn)，冉德旺，宋廣達(dá)

(1.山西高河能源有限公司，山西 長治 046100；2.徐州中礦大貝克福爾科技股份有限公司，江蘇 徐州 221116 ; 3.山西中礦充填科技有限公司，山西 長治 046699)

目前我國對于厚煤層的開采主要采用綜采放頂煤開采和一次采全高開采，但是無論是綜采放頂煤還是一次采全高都會對地表產(chǎn)生較大的采動影響，無法開采“三下”壓煤資源[1]。因此提出了厚煤層分層留巷膏體充填開采方法。

國內(nèi)外學(xué)者在沿空留巷技術(shù)上做了大量的研究，目前主要有巷旁支護(hù)、巷內(nèi)支護(hù)、加強(qiáng)支護(hù)以及最新的膏體充填技術(shù)[2]。目前分層膏體充填開采主要有上向充填開采和下向充填開采兩種順序，但是在現(xiàn)有的研究中還缺乏下向分層膏體充填和沿空留巷相結(jié)合的研究。

因此采用分層膏體充填開采技術(shù)和沿空留巷相結(jié)合的方式，從分層開采順序、分層工作面布置、沿空留巷布置方法等方面進(jìn)行研究，確定膏體材料的強(qiáng)度，從巷道圍巖變形和地表變形兩方面驗證了技術(shù)方案的可行性。

1 工程概況

高河能源有限公司于2012年建成投產(chǎn)，“三下”壓煤問題十分突出，全礦井田區(qū)域擁有保護(hù)村莊區(qū)域38處，長子縣宋村工業(yè)園，S326省道、太焦鐵路和高河運(yùn)煤鐵路專用線等建筑物散落在井田中間，全礦“三下”壓煤總量多達(dá)3.72億t。 E1302充填工作面走向長度為390 m，傾向長度為230 m。工作面煤層埋深約420 m，平均煤層厚度6.38 m，煤體普氏硬度系數(shù)f=0.7，3號煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為砂巖。底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、細(xì)粒砂巖砂巖。E1302充填工作面為原E1302綜放工作面的村莊邊界保護(hù)煤柱區(qū)域，為了保證技術(shù)的可行性，先在此區(qū)域進(jìn)行充填試驗，取得成功后再在其他壓煤區(qū)域進(jìn)行推廣。

2 分層充填開采方案

2.1 分層開采順序

分層充填開采按照以往的厚煤層開采經(jīng)驗可以分為上向充填開采和下向充填開采兩種順序[3-4]。

高河能源3號煤層普氏硬度系數(shù)f=0.7，煤體節(jié)理裂隙發(fā)育、松軟，如采用上向充填開采，先采的底分層工作面全部為煤層直接頂板，工作面內(nèi)煤體在支架的反復(fù)支撐作用下，容易產(chǎn)生破碎漏頂。如果發(fā)生比較嚴(yán)重的頂煤冒漏，將會增加充填隔離難度，加大充填前頂板下沉量，影響充填采煤效率和控制地表沉陷效果。

如果采用下向充填開采，先行開采的頂分層工作面的頂板將為泥巖，泥巖的普氏硬度系數(shù)f=1.4，經(jīng)過取樣試驗，泥巖的單軸抗壓強(qiáng)度可以達(dá)到18.1～42.2 MPa，雖然也比較軟弱，相對3號煤層而言，泥巖直接頂板強(qiáng)度約是煤體強(qiáng)度1倍。

因此，采用下向充填開采順序，如此安排，在底分層開采時，其頂板為充填體假頂，穩(wěn)定性有可靠保證。

2.2 分層工作面布置

E1302頂分層工作面切眼距離原來綜放工作面停采線20 m，推進(jìn)長度390 m。使用原先的4條回采巷道，并做沿空留巷布置，E1302底分層充填面開切眼設(shè)計安排在E1302頂分層切眼內(nèi)錯10 m，保證頂板均為充填體，停采線早停10 m，底分層充填面推進(jìn)長度370 m，切眼布置見圖1。

圖1 切眼布置圖

3 沿空留巷布置工藝

3.1 沿空留巷隔離方法

膏體充填工作面沿空留巷的關(guān)鍵在于，機(jī)頭機(jī)尾端頭需要隔離密封嚴(yán)實，不發(fā)生漏漿現(xiàn)象。因此要處理好端頭隔離支架的位置關(guān)系，支架之間要緊密相連，端頭支架隔離板與充填體和支架之間不留空隙。打開隔離門到最大，使用草氈將隔離板與巷道充填體之間密封嚴(yán)實。掛頂部高強(qiáng)纖維網(wǎng)、彩條布和提前預(yù)留出來的隔離捆繩，伸上隔離側(cè)推千斤頂，然后升緊支架帶動上隔離壓實壓緊頂板。使用壁紙刀沿端頭尾架隔離門四周切割高強(qiáng)纖維網(wǎng)，確保端頭尾架隔離門保持打開狀態(tài)。鋪設(shè)底板高強(qiáng)纖維網(wǎng)、彩條布和隔離捆繩，伸下隔離側(cè)推千斤頂，然后伸出下隔離伸縮千斤頂壓實壓緊底板。工作面隔離布置見圖2。

圖2 工作面布置圖

3.2 沿空留支護(hù)方式

膏體充填開采后，巷道會由充填開采前的“煤-煤”支撐結(jié)構(gòu)，變?yōu)椤懊?充填體”支撐結(jié)構(gòu)，充填體會代替煤體支撐上覆巖層，不會讓其發(fā)生垮落，進(jìn)而減少沿空留巷的礦山壓力顯現(xiàn)，減小巷道圍巖變形。但是沿空留巷需要在開采底分層時繼續(xù)使用。為了進(jìn)一步控制巷道圍巖變形，需要在上分層回采過程中對沿空留巷采用單體液壓支柱配合鉸接頂梁加強(qiáng)支護(hù)，在沿空留巷滯后工作面120 m范圍內(nèi)，采用一梁兩柱進(jìn)行支護(hù)，單體柱鉸接頂梁排距為800 mm，每排使用6個單體和3個鉸接頂梁(長1 200 mm)，單體初撐力要達(dá)到11.5 MPa。

4 膏體材料強(qiáng)度分析

4.1 頂分層膏體材料強(qiáng)度

因為頂分層的充填體需要作為下分層開采時的假頂，因此充填體的終凝強(qiáng)度需要滿足一定值[5]。頂分層作為假頂，主要破壞形式有兩種，一種是在空頂區(qū)內(nèi)，因強(qiáng)度不足發(fā)生垮落；第二種是充填體因強(qiáng)度不足被支架破壞[6-8]。

考慮第一種破壞形式，當(dāng)下分層開采時，可把上分層充填體簡化為兩端固定梁的計算模型，見圖3，控頂距部分上分層充填體在受上部頂板和自重載荷的作用下，使得空頂部分充填體內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，內(nèi)部應(yīng)力按照單位橫截面寬度，高度為h，計算得應(yīng)力：

圖3 充填體作假頂強(qiáng)度計算模型

(1)

式中：σmax為梁內(nèi)產(chǎn)生最大應(yīng)力，MPa；q為梁受到的均布載荷，N/m；l為梁的長度(空頂寬度)，m；h為梁的高度(頂分層高度)，m。

因為膏體充填材料和混凝土材料相類似，具有抗壓不抗拉的特性，因此需要先計算出來滿足工作面條件膏體材料的最大抗拉強(qiáng)度。為了提高安全性，按照經(jīng)驗取膏體材料的抗壓強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度的10倍。因為設(shè)計高河能源膏體凝固時間為8 h，采厚設(shè)計為3.2 m，開切眼最大空頂距為9 m，考慮1.30的安全系數(shù)，經(jīng)過計算得出，膏體充填材料在充填工作面空頂距為9 m時，膏體充填材料需要保證工作面整體安全的最小抗壓強(qiáng)度為7.5 MPa，曲線如圖4所示。

圖4 充填體抗壓強(qiáng)度要求與控頂距的關(guān)系

考慮第二種破壞形式，根據(jù)以往膏體充填開采經(jīng)驗和數(shù)值模擬，下向充填開采的時候，膏體充填材料作為底分層充填工作的頂板所受應(yīng)力是工作面平均支護(hù)強(qiáng)度的兩倍，如圖5所示。高河能源綜采工作面平均支護(hù)強(qiáng)度為1.5 MPa，所以膏體材料28 d強(qiáng)度應(yīng)該滿足3 MPa。

圖5 上分層假頂最大垂直應(yīng)力隨支護(hù)強(qiáng)度的變化

4.2 底分層膏體材料強(qiáng)度

底分層充填體處于三向受力狀態(tài)，現(xiàn)在按照單向受壓條件計算，充填體后期強(qiáng)度要求應(yīng)該按照Bieniawski計算方法來求取。

(2)

式中：σm為膏體材料單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；[σ]為膏體材料的承載能力，MPa。w/h為寬高比；n當(dāng)(w/h)>5時取1.4，其它情況取1。

由工作面概況可得，工作面傾向長度為230 m，采高為3.2 m，求得w/h=72>5，故式(2)中n取1.4。

參照煤柱強(qiáng)度穩(wěn)定性評價方法，充填體強(qiáng)度穩(wěn)定安全系數(shù)為：

(3)

按照Bieniawski計算，代入E1302工作面充填開采條件，埋深420 m，采高3.2 m，工作面傾向?qū)挾?30 m，代入式(3)可得出膏體材料強(qiáng)度與安全系數(shù)關(guān)系式。

=8.9·σm

(4)

由上式可知，開采底分層時，膏體材料強(qiáng)度越高，安全系數(shù)也越大，二者成正比關(guān)系，安全系數(shù)為8.9倍的膏體材料強(qiáng)度，所以膏體充填材料28 d，強(qiáng)度大于1 MPa時，可以保證工作面的安全。

5 應(yīng)用效果評價

5.1 沿空留巷變形情況

選取E1302膏體充填工作面進(jìn)風(fēng)巷沿空留巷1號測站60 d的觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，巷道變形情況如圖6和圖7所示。

圖6 巷道變形值

圖7 巷道變形速度

由圖中可以看出，在工作面推進(jìn)35 m以內(nèi)圍巖變形最為劇烈，頂?shù)装逡平俣群蛢蓭鸵平俣茸畲笾稻_(dá)到了3 mm/d。工作面推進(jìn)50 m后，圍巖變形趨于平穩(wěn)，頂?shù)装逡平俣群蛢蓭鸵平俣茸畲笾稻怀^1 mm/d。頂?shù)装遄畲笠平靠刂圃?0 mm以內(nèi)，兩幫移近量控制在60 mm以內(nèi)。充填體有效控制了巷道圍巖變形，為下分層的安全回采創(chuàng)造了條件。

5.2 地表沉陷情況

E1302膏體充填工作面頂分層回采結(jié)束后，對地表進(jìn)行了全面觀測，上分層開采后地表最大下沉213.8 mm，地表傾斜變形和水平變形最大分別為1.2 mm/m和 0.7 mm/m，地表變形圖見圖8。

圖8 下沉等值線圖

地表建筑物區(qū)域最大下沉10 mm，傾斜變形和水平變形最大分別為0.4 mm/m和 0.3 mm/m，根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》建筑物保護(hù)要求，即傾斜變形不大于3 mm/m，水平變形不大于2 mm/m，地表變形值在可控范圍內(nèi)。

經(jīng)過地表沉陷預(yù)測分析，E1302充填工作面全部充填開采后地表最大下沉435 mm，地表傾斜變形和水平變形最大分別為1.5 mm/m和 1.0 mm/m。

地表建筑物區(qū)域最大下沉75 mm，傾斜變形和水平變形最大分別為1.3 mm/m和 0.8 mm/m，根據(jù)規(guī)范同樣滿足要求。

6 結(jié) 語

1) 采用留巷下向分層膏體充填開采可以更容易維護(hù)頂板，減小隔離難度，減少巷道掘進(jìn)工程量，節(jié)約費用。

2) 高河能源充填開采時，頂分層充填體28 d抗壓強(qiáng)度為3 MPa，在底分層開切眼附近的頂分層充填體最終抗壓強(qiáng)度應(yīng)該提高到7.5 MPa。底分層充填體抗壓強(qiáng)度達(dá)到1 MPa即可。

3) 膏體充填工作面沿空留巷頂?shù)装遄畲笠平靠刂圃?0 mm以內(nèi)，兩幫移近量控制在60 mm以內(nèi)巷道圍巖變形量較小，巷道圍巖變形整體可控。

4) 厚煤層整體充填開采后，地表變形可控，不會對地表建筑物造成明顯可視損壞，厚煤層留巷分層膏體充填開采技術(shù)整體可行。