公路下壓煤巷式似膏體充填開采暫留煤柱合理寬度優(yōu)化

趙衛(wèi)強

(北京工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 100042)

巷式似膏體充填開采技術(shù)是間隔一定距離順序掘進(jìn)巷道，地面充填站將粉煤灰、矸石、水泥等制備的似膏體料漿通過管路輸送至井下充填，待充填體凝固后依次回收巷間煤柱并充填。此技術(shù)已在赤峰西拉沐淪公格營子礦成功應(yīng)用。它不僅采出了本礦“三下”壓煤，而且消耗掉大量矸石，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。巷式似膏體充填其充填體密實性、可塑性好，終凝后可承受較大的支承應(yīng)力，能夠為圍巖提供主動側(cè)限壓力，因而不需要留設(shè)永久護(hù)巷煤柱，能實現(xiàn)全采全充，充分提高煤炭資源的采出率[1-3]。但是，由于技術(shù)經(jīng)濟(jì)等多方面原因，巷式似膏體充填法的應(yīng)用較少。另外，實踐中不同充填體質(zhì)量條件下，對覆巖移動變形及地表沉陷規(guī)律影響的研究并不多見。

巷式似膏體充填開采中，暫留煤柱是指第一輪開挖的兩條充填巷之間的煤柱，其合理寬度對于確定開采區(qū)域的工序循環(huán)、巷道布置、充填體承載力及穩(wěn)定性、回采成本和地表沉陷控制等方面具有重要意義[4-6]。暫留煤柱完全采出，充填體要完全承受上覆巖層的重量，在采充過程中，其采場礦山壓力的演化規(guī)律和時空分布特點與傳統(tǒng)留設(shè)永久性煤柱方式有明顯區(qū)別[7-10]。因而傳統(tǒng)的煤柱寬度確定方法，已不能滿足本文中暫留煤柱寬度的選擇。

根據(jù)巷式似膏體充填開采的自身工藝特點以及采充全過程礦壓分布規(guī)律，依據(jù)極限狀態(tài)下似膏體充填體的強度要求，對暫留煤柱的寬度進(jìn)行優(yōu)化分析，并在公格營子礦高速公路下壓煤的開采過程中進(jìn)行了實踐應(yīng)用。研究成果不僅涉及到煤礦綠色開采的安全生產(chǎn)，而且對公格營子礦“三下”采煤(特別是其強含水層下)巷式充填開采的應(yīng)用實踐提供了一定的依據(jù)和指導(dǎo)。

1 公格營子礦水下壓煤概況

公格營子煤礦位于赤峰市元寶山區(qū)公格營子村北部。礦區(qū)內(nèi)地表較平坦，標(biāo)高+488.12～+491.48m，第四系表土厚4～6m，下覆厚20～23m的強孔隙含水層，是該礦主要含水層。侏羅系含煤地層中，主采6#煤，平均厚度約15m，局部可達(dá)20m以上，傾角5°～14°，屬特厚煤層。頂板以中硬砂礫巖為主，夾雜砂巖，局部有頁巖，厚20～60m，無較好或較完整的泥巖隔水層，巖石裂隙較發(fā)育，有導(dǎo)水性。巖層巖性特征如圖1所示。

圖1 巖層巖性特征

2 充填體的承載機理

2.1 礦山壓力時空演化規(guī)律

巷式似膏體充填開采技術(shù)中，掘進(jìn)巷道即采煤，其工藝的過程為：首先掘一條充填巷，將其中的煤炭開采出來后，間隔一段距離掘下一條充填巷，同時，用充填料漿將上一條充填巷充滿，待料漿凝固后，形成固結(jié)的充填體代替煤柱支撐頂板，之后重復(fù)多輪上述過程，直到該開采區(qū)域的煤炭完全采出，如圖2所示。

圖2 開采充填工藝

隨著充填巷內(nèi)煤炭被采出，充填巷頂板及其上方巖層在礦山壓力作用下彎曲、下沉乃至破碎，并產(chǎn)生一定高度的裂隙帶，在關(guān)鍵層的作用下，礦山壓力向充填巷兩幫深部轉(zhuǎn)移。當(dāng)下一條充填巷被掘出后，兩條充填巷之間暫留煤柱的強度要大于其承受的載荷，即一條充填巷上方和煤柱上方的巖層重量之和。隨著充填巷開掘循環(huán)次數(shù)的增加，充填巷數(shù)量的不斷增加，裂隙帶高度和范圍增多、暫留煤柱變窄，暫留煤柱上方的載荷相對增多，但由于煤柱旁的充填體為煤柱提供了側(cè)限，根據(jù)胡炳南對煤柱強度推導(dǎo)可以知道，當(dāng)煤柱有側(cè)限的情況下近似認(rèn)為可以承受無限大的載荷，此時煤柱旁的充填體承受的載荷只是該充填體上方垮落帶高度范圍內(nèi)的巖層重量，在該情況下充填體和煤柱的強度往往能滿足要求，因此不需要考慮其強度問題。

當(dāng)最后一個煤柱開采時，前一個充填巷尚未充滿或者充填體尚未固結(jié)的時候，頂板支承壓力完全由充填體承擔(dān)。此時，充填體承受的壓力最大，其所受支承壓力為上覆巖層裂隙帶、垮落帶部分重量及其由未破斷的關(guān)鍵層傳遞下來的上覆巖層重量，礦山壓力顯現(xiàn)明顯。

2.2 煤柱強度校核

2.2.1 煤柱平均應(yīng)力

根據(jù)巷式似膏體充填開采中頂板和煤柱的作用關(guān)系，充填巷上覆巖層的頂板受到的作用力為均布載荷，煤柱對頂板的支撐作用如圖3所示。采充過程中暫留煤柱寬度相同，各煤柱的受力狀態(tài)相同，故每條充填巷的載荷平均分配到兩側(cè)的煤柱上。

圖3 煤柱對頂板的支撐作用

煤柱單位面積的平均載荷即平均應(yīng)力為：

式中，W為煤柱寬度，m；a為充填巷寬度，m；H為巷道埋深，m；r為上覆巖層平均體積力，kN/m3。

根據(jù)公格營子煤礦的實際情況，巷道工作面充填寬度定為4m，上覆巖層平均體積力r取25kN/m3，巷道的埋深147m。當(dāng)煤柱寬度分別為4m、8m、12m時，由式(1)計算的煤柱的平均應(yīng)力分別為：7.35MPa、5.51MPa、4.90MPa。

2.2.2 煤柱強度計算

煤柱強度主要由組成煤柱的煤體強度、煤柱寬度和高度及總的構(gòu)造特征決定。浩蘭德(Holland)公式：

式中，σP為煤柱強度，MPa；σm為煤柱單軸抗壓強度，MPa；W為煤柱寬度，m；h為煤柱高度，m

取煤層的單軸抗壓強度σm=6.3MPa，煤柱高度h=3m，得出了不同煤柱寬度下的煤柱強度和平均應(yīng)力，具體見表1。

表1 不同煤柱寬度下的煤柱強度和平均應(yīng)力

從表1中可以看出，隨著煤柱寬度的增大，煤柱的強度在不斷地增大。當(dāng)煤柱寬度為W=8m或12m時，煤柱的強度大于平均應(yīng)力，在這種情況下，煤柱短期內(nèi)是穩(wěn)定的。當(dāng)W=4m時，煤柱的強度7.27MPa小于煤柱的平均應(yīng)力7.35MPa，表明煤柱短期內(nèi)已不穩(wěn)定。

2.3 煤柱塑型區(qū)寬度計算

煤柱的彈塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布如圖4所示。根據(jù)巖體的極限平衡理論，回采空間和采準(zhǔn)巷道在護(hù)巷煤柱兩側(cè)形成了各自的塑性變形區(qū)，塑性區(qū)的寬度分別為x0、x1、x2。煤柱承受頂板壓力后，相鄰煤柱賦存條件基本相同，因此，兩側(cè)形成的塑性變形區(qū)寬度也基本相同，可取x0=x1=x2。

圖4 煤柱的彈塑性變形區(qū)及應(yīng)力分布

巷式充填開采，充填巷的掘進(jìn)過程中對巷道兩幫進(jìn)行支護(hù)，支護(hù)阻力使暫留煤柱的強度和穩(wěn)定性增加，同時也使暫留煤柱產(chǎn)生了一些與條帶煤柱不同的一些性質(zhì)，為此巷式充填暫留煤柱寬度的計算可采用極限平衡理論。該理論最早由A.H.Wilson提出，并經(jīng)國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的補充和完善，其計算公式如下[11，12]：

該煤柱保持穩(wěn)定的條件為：煤柱兩側(cè)產(chǎn)生塑性變形后，在煤柱的中央存在一定寬度的彈性核，該彈性核的寬度應(yīng)不小于煤柱高度的2倍。為此，保持煤柱穩(wěn)定性的最小寬度B應(yīng)為：B=x0+2m+x1，經(jīng)計算得x0=0.44m，則B=6.88m。因此，考慮到煤柱的長期穩(wěn)定性，暫留煤柱的寬度選取W=8m或12m合理。

3 暫留煤柱寬度優(yōu)化模擬研究

3.1 模型建立

模型X方向尺寸為100m，Y方向尺寸為20m，Z方向尺寸為112m；分層開采，采高3m，采寬4m，每次回充寬度4m；模型底板厚度為22m，頂板厚度為25m。

根據(jù)公格營子煤礦的煤層柱狀圖，模擬計算所采用的各煤巖層力學(xué)參數(shù)見表2。實驗中充填料漿能夠良好接頂，工程實踐中充填率可達(dá)95%甚至以上，計算中充填率取95%。

3.2 模擬方案及過程分析

本次模擬主要針對巷式似膏體充填開采暫留煤柱的合理寬度進(jìn)行研究。在巷道寬為4m，充填巷間護(hù)巷暫留煤柱寬分別為4m、8m、12m的不同寬度組合情況下，分析煤柱塑性區(qū)范圍、煤柱最大垂直應(yīng)力等變量的變化情況[15-20]。

表2 煤巖力學(xué)參數(shù)

3.2.1 方案一：暫留煤柱寬度W=4m

煤柱寬度4m，煤柱一側(cè)為充填體，但充填時間短，充填體強度較低時，可認(rèn)為尚無承載力，暫留煤柱承擔(dān)全部載荷，另一側(cè)為正在回采的巷道。煤柱塑性區(qū)和垂直應(yīng)力分布如圖5所示。

圖5 4m暫留煤柱模擬結(jié)果

由圖5可得，巷道頂板和兩幫都發(fā)生了塑性破壞，煤柱兩幫塑性區(qū)深度為2m，頂板塑性區(qū)深度為2m。煤柱最大垂直應(yīng)力為3.30MPa。分析可知，煤柱寬度4m時，煤柱已完全發(fā)生塑性破壞，不存在彈性區(qū)，不能保證煤柱的穩(wěn)定性要求。煤柱最大垂直應(yīng)力為3.30MPa，遠(yuǎn)小于理論分析的應(yīng)力7.35MPa，說明煤柱已破壞，上覆巖層的重量由周圍的煤體支承，應(yīng)力峰值向周圍的煤體轉(zhuǎn)移。

3.2.2 方案二：煤柱寬度W=8m

煤柱寬度8m，煤柱一側(cè)為充填體，但充填時間短，充填體強度較低時，可認(rèn)為尚無承載力，暫留煤柱承擔(dān)全部載荷，另一側(cè)為正在回采的巷道。煤柱塑性區(qū)和垂直應(yīng)力分布如圖6所示。

圖6 8m暫留煤柱模擬結(jié)果

由圖6可得，巷道頂板和兩幫都發(fā)生了塑性破壞，煤柱兩幫塑性區(qū)深度為2m，頂板塑性區(qū)深度為2m，煤柱最大垂直應(yīng)力為4.50MPa。分析可知，煤柱彈性區(qū)寬度4.0m，該值介于煤柱高度與兩倍煤柱高度之間(3～6m)，能滿足煤柱較長時間內(nèi)的穩(wěn)定性要求。煤柱最大垂直應(yīng)力4.50MPa，接近于理論分析的5.51MPa，該值遠(yuǎn)小于這種情況下的煤柱強度10.29MPa，說明煤柱可穩(wěn)定承載上覆巖層的全部重量。

3.2.3 方案三：煤柱寬度W=12m

煤柱寬度12m，煤柱一側(cè)為充填體，但充填時間短，充填體強度較低時，可認(rèn)為尚無承載力，暫留煤柱承擔(dān)全部載荷，另一側(cè)為正在回采的巷道。煤柱塑性區(qū)和垂直應(yīng)力分布如圖7所示。

圖7 12m暫留煤柱模擬結(jié)果

由圖7可知，巷道頂板和兩幫都發(fā)生了塑性破壞，煤柱兩幫塑性區(qū)深度為2m，頂板塑性區(qū)深度為2m，煤柱最大垂直應(yīng)力為4.30 MPa。分析可知，煤柱彈性區(qū)寬度8m，該值大于兩倍煤柱高度(6m)，能滿足煤柱長時間內(nèi)的穩(wěn)定性要求。煤柱最大垂直應(yīng)力4.33MPa，與理論分析的4.90MPa大致相等，該值遠(yuǎn)小于這種情況下的煤柱強度12.60MPa，說明煤柱能穩(wěn)定承載上覆巖層的全部重量。

綜上三種方案可知，煤柱為8m和12m時，煤柱的穩(wěn)定性好，能夠滿足煤柱較長時間內(nèi)的穩(wěn)定性要求。

3.3 采充工藝過程模擬

為研究采充工藝過程中充填體逐漸承載壓力時，礦壓顯現(xiàn)時空演化規(guī)律，對煤柱、充填體的垂直應(yīng)力和頂板的垂直位移進(jìn)行模擬計算。以暫留煤柱寬度W=8m方案為例，采充過程中分別依次選取8m暫留煤柱、4m煤柱+4m充填體、8m充填體三種典型工藝流程時垂直應(yīng)力和垂直位移分布，如圖8、圖9所示。

圖8 三種典型工藝流程時其上垂直應(yīng)力分布

圖9 三種典型工藝流程時其上垂直位移分布

由圖8可以看出，隨著采充過程的不斷推進(jìn)，已凝結(jié)的充填體所承受的垂直應(yīng)力不斷增大。第一輪首采時，其上載荷全部由8m暫留煤柱承擔(dān)，煤柱最大應(yīng)力為4.50MPa；第二輪隨采4m暫留煤柱隨充4m充填體，煤柱最大應(yīng)力為5.60MPa，充填體逐漸承接應(yīng)力在1～2MPa；第三輪完成全部暫留煤柱隨采隨充，充填體逐漸承接應(yīng)力在約3.00MPa。即隨著采充工藝的推進(jìn)，充填體逐漸承接暫留煤柱所承受的載荷，并最終承擔(dān)其上覆巖層的全部載荷。在整個采充過程中，其采場上覆最大應(yīng)力依次為4.50MPa、5.60MPa、3.00MPa，均小于對應(yīng)的煤柱強度值(表1中“8m煤柱”強度10.29MPa)。因此，在三輪采充過程中煤柱和充填體柱均不會發(fā)生破壞，該方案可行。

由圖9可以看出，隨著采充過程的不斷推進(jìn)，煤層頂板會發(fā)生彎曲下沉，從第一輪到第三輪頂板最大下沉量依次為29mm、32mm、36mm?？梢?，隨著充填開采的進(jìn)行，煤層頂板下沉量逐漸增大，但下沉量總體比較小。因此，選取留設(shè)8m煤柱進(jìn)行三輪采充的方案是可行的。

3.4 模擬結(jié)果分析

1)當(dāng)煤柱寬度為4m時，沒有彈性核煤柱，煤柱體全部塑性破壞，且有坍塌的危險；當(dāng)煤柱寬度為8m時，有4m的彈性核寬度，實際所受應(yīng)力接近煤柱強度的一半，能夠保證煤柱的長期穩(wěn)定；當(dāng)煤柱的寬度為12m時，有8m的彈性核寬度，實際所受應(yīng)力遠(yuǎn)小于煤柱強度，能夠保證煤柱的長期穩(wěn)定。

2)對留設(shè)8m煤柱充填過程的模擬可知，采充過程中煤柱和充填體承受的最大載荷均小于相應(yīng)煤柱的強度，頂板的總體下沉量不大，且回采次數(shù)最少，煤炭回采率最高。綜合考慮經(jīng)濟(jì)與安全，煤柱寬度W=8m為最優(yōu)方案。

4 結(jié) 論

1)暫留煤柱寬度為4m時，煤柱短期內(nèi)已不穩(wěn)定；暫留煤柱寬度為8m時，煤柱短期內(nèi)穩(wěn)定，且煤柱彈性核寬度大于煤柱高度，也能保證煤柱的長期穩(wěn)定；暫留煤柱寬度為12m時，煤柱短期和長期內(nèi)都能達(dá)到穩(wěn)定。技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，確定方案二為最優(yōu)方案，暫留煤柱W=8m。

2)在采充工藝過程模擬中，分析暫留煤柱、充填體的垂直應(yīng)力和頂板的位移可知，隨著采充工藝的推進(jìn)，充填體逐漸承接暫留煤柱所承受的載荷，并最終承擔(dān)其上覆巖層的全部載荷，完全取代煤柱后不會發(fā)生破壞，且頂板的總體下沉量較小，因此，保證了地表的安全穩(wěn)定。

3)公格營子煤礦提出采用采高3m、采寬4m、留設(shè)8m煤柱的巷式似膏體充填開采方案，這種方案回采次數(shù)最少，技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果最好。