建下不规则块段充填开采技术研究

孟德军 薛华俊 陈 骏

(1.中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院，北京 100083;2.淮北矿业(集团)有限公司杨庄煤矿，安徽淮北 235025)

1 概述

杨庄煤矿拟开采区域3642工作面采区地质构造主要以褶曲和岩浆岩侵入为主，断层以及古河床冲刷影响次之。采区煤柱煤岩层产状变化较大，总体形态为一向斜构造。煤层含水组总体而言富水性较弱，但因块段中东部受河床冲刷影响，正常的煤层被砂岩含水层所取代，工作面掘进期间和邻近工作面回采时受此影响，将会出现大面积突水现象。由于受地质条件影响工作面不能正常布置，属于建下不规则块段，故采用巷道充填开采［1-4］。

2 矸石充填巷道方案设计

2.1 矸石充填巷道布置依据

通过长期的现场实践经验和丰富的理论分析，井下巷道在开挖掘进过程中，因为矸石充填，在开挖巷道两侧会出现应力叠加集中的现象，所以要求巷道开挖矸石充填区掘进过程中，为防止充填巷道与相邻充填巷道之间因侧向支承压力的影响而造成充填巷道变形或破坏现象的发生，必须重点分析研究确定充填巷道开挖后的侧向支承压力的分布规律，从而来确定相邻充填开采巷道的开始掘进方向和顺序，避免危险事故的发生。

2.2 矸石充填巷道两侧煤柱的宽度确定

在保护煤柱中进行充填巷道开挖，会导致在开挖的充填巷道两侧的煤柱中出现应力集中现象，从而造成在充填巷道两侧的煤体周围形成一个受扰动的塑性区和在被塑性区包围的煤柱中间部位形成一个相比之下未受扰动的柱核区，其应力分布规律如图1 所示［5］。

图1 保护煤柱和周边的应力分布规律及应力计算示意图

保护煤柱因受到其周围的塑性区的影响，出现了不同程度的垮落和破坏，严重时甚至可能产生流变现象，但正是因为煤柱周围塑性区的存在，反而对中心煤柱起到了一种约束作用，再加上侧向压力对柱核区起着较强的支承作用，这二者在增加柱核区强度方面起到了很大的作用，使柱核区基本不产生塑性变形，而处于一种弹性变形状态。柱核区内保护煤柱的强度大小表示如下:

其中，σ0为煤体的单轴抗压强度，MPa;σ3为作用在保护煤柱上的侧向压力大小;tanβ为三向应力系数，且tanβ=，φ 为煤层的内摩擦角。

对于绝大多数煤层来说，tanβ=4，故有:

塑性区宽度为:

其中，σb为煤柱周边的单轴抗压强度，MPa;K1为侧向支承压力峰值处的应力集中系数;γ为上覆岩层的平均容重，kN/m3;h为上覆岩层到地表的厚度，m;H为煤层厚度，m。

当K1=4时，式(1)可简化为:

由于σb的值一般比较小，这里为了方便，可取σb=7 MPa，则式(2)又可近似地表示为:

为了保持煤柱的稳定性，煤体中应保证存在一个稳定的柱核区，故有:

其中，Wp为矸石充填巷道两侧煤柱的宽度，m。

可见，必须保证柱核区的稳定存在，才能控制地表变形在允许的变形范围之内。

故确定采5 m留5 m煤柱的充填方案，是符合要求的。

2.3 充填方案巷道布置

本次拟充填开采3642工作面不规则块段6号煤层，方案设计的原则如下:1)布设工作面方向尽量沿着底板煤层等高线的走向方向布置;2)由于开采工作面位于城镇建筑物保护煤柱范围内，设计要求工作面开采后，尽量减小地表移动和变形对村庄建(构)筑物的影响;3)在满足地表移动和变形要求的前提下，尽可能延长工作面走向方向长度，尽可能提高面积采出率。

根据拟充填区域的分布状况及煤层的开采技术条件分析，该块段煤层的埋藏深度在400 m左右，煤层平均厚度2.8 m，又根据我国煤矿的多年探索，提出杨庄煤矿3642工作面建筑物下采煤的方案，如图2所示。

图2 3642采面巷道充填开采系统布设方案

3 经济效益分析

杨庄煤矿3642工作面不规则块段矸石充填巷道一期工程新掘充填巷道2862 m，填充矸石量约4.08×104m3，不仅节省了因提升、运输和处理井下矸石造成的大量费用，而且为杨庄煤矿置换出呆滞煤量近4万t，为杨庄煤矿增产增效作出了巨大的贡献。

4 结语

杨庄煤矿不规则块段矸石充填工程，为杨庄煤矿贡献了近4万t的宝贵煤炭资源，也为复杂地质条件下煤炭开采积累了丰富的经验。巷道矸石填充，不仅节省了提升、运输和处理矸石的费用，减轻了矸石山造成的环境污染和次生灾害，变废为利，为杨庄煤矿绿色安全可持续开采作出了重要的贡献。

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［2］郭广礼，缪协兴，查剑锋，等.长壁工作面矸石充填开采沉陷控制效果的初步分析［J］.中国科技论文在线，2008，3(11)：805-809.

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