综放工作面膏体充填条带开采研究

朱萌萌，梁啸尘，任 禹，张 恒

(1.安徽理工大学采矿工程系， 安徽淮南市 232001;2.山东省新汶矿业集团水帘洞煤矿， 陕西咸阳市 712000)

随着煤矿开采深度逐步转向增大，浅部煤层多为“三下”(建筑物下、铁路下、水体下)压煤及留设的煤柱。利用条带开采与充填相结合的方法可解决压煤的问题。条带充填时，充填材料能够及时减小顶板岩层的自由活动空间，降低覆岩下沉变形量，可以减小开采对地表沉陷的影响［1-2］，保证建筑物安全，同时可为企业创造一定的经济效益。

1 开采地质条件

某矿开采3煤层，煤层厚度6.5～7.3 m，平均6.8 m;煤层倾角5°～10°。煤层底板标高为 －260～－380 m，煤层埋深300～420 m，压煤面积大。2811工作面采用综放开采，直接顶以粉砂岩为主，平均厚度2.04 m，次为泥岩，平均厚2.54 m，直接底以泥岩为主，平均厚1.45 m，次为粉砂岩和细砂岩。

2 条带充填开采技术分析

2.1 合理滞留煤柱尺寸

条带开采后，煤柱处于相对分割的状态，在顶板的压力下，承受来自顶板的压力，在其边缘遭受破坏后会形成一定范围的“屈服区”，如图1所示。

煤柱中央部分相对稳定、承载的区域称为“核区”S［3］。而只有保留煤柱宽度在屈服带宽度的两倍以上时，就会存在核区。

式中:m—开采厚度，m;

H—开采深度，m。

图1 煤柱合理承载宽度计算原理

2811工作面埋深H为390 m，开采厚度m为2.0m时，安全的窄煤柱宽度应大于7.65 m;开采厚度为3.4 m时，安全的窄煤柱宽度应大于12.99 m;开采厚度为4.0 m时，安全的窄煤柱宽度应大于15.28 m;开采厚度为7.0 m时，安全的窄煤柱宽度应大于26.76 m。

由于待回收的条带遗留煤柱宽度为约60 m，掘巷期间的煤柱最小宽度为44 m，开采宽度较大，均大于安全开采宽度，且开掘两侧回采巷道后中间煤柱的宽度仍然大于安全开采宽度，因此遗留的条带煤柱稳定性较好，可进行开采。

2.2 充填体承受载荷计算

滞留条带煤柱开采后，按照采空区上覆岩层重力全部转移到充填体上，并与之共同形成一个“顶板－充填体－底板”围岩稳定体系［4－5］。充填体所受载荷计算模型见图2，图中阴影部分即为煤柱承受上覆岩层重力的计算范围。

对于图2(a)，充填体承担其正上方及其两侧各一半采空区上的岩层重力。对于图2(b)、(c)，充填体承担其正上方及其两侧各一部分采空区上的岩层重力。其中，图2(b)称为超临界状态，图2(c)称为亚临界状态。一般认为，当We/H＞2tanθ或We＞0.6H，为超临界状态;当 We/H ＜2tanθ或 We＜0.6 H，为亚临界状态。

对于图2(a)所示最危险状态，载荷计算式为:

式中，γ——煤柱上覆岩层平均容重，取 0.025 MPa/m;

H——平均采深，取380 m;

图2 充填体受载计算模型

We——煤层采出条带宽度，取50 m;

Wp——条带煤柱宽度，取60 m。

对于图2(b)所示超临界状态，载荷计算式为:

对于图2(c)所示亚临界状态，载荷计算式为:

滞留煤柱充填开采后，按照采空区上覆岩层重力全部转移到充填体，充填体承担其上方及其两侧各一半的采空区上的岩层重力。此状态承受载荷最大，也最为危险状态。此状态充填体所受载荷计算式为:

代入数据，可得危险状态下充填体所受载荷17.4 MPa，超过承载能力后，充填体会被破坏。

2.3 充填体容许载荷计算

膏体充填开采后，充填体处于单向受力状态。理论上，单轴应力状态下的煤体容许强度［σ］的计算公式有4种［6］:分别是 Obert－Kwvall/Wang公式(适用于宽高比为1～8的煤柱)、Holland公式(适用于宽高比为2～8的煤柱)、Salamon－Mnuro公式以及Bienia wski公式。

由Bienia wski公式可知，滞留条带煤柱开采后，充填体容许强度［σ］的可由下式计算:

w/h——煤柱宽高比;

n当 w/h＞5时取1.4。

根据2811工作面条件，膏体充填工作面宽度为48 m，采高为6.4 m 计算，w/h=7.5 ＞5，n 取1.4，参照条带煤柱强度稳定性评价方法［7］，所以充填体容许强度计算公式为:

按照Bienia wski计算式，代入1312工作面充填开采条件参数，即煤层埋深平均390 m，厚度平均3.2m，煤柱宽度为60 m，充填体最小宽度44 m，按照保守估计取1312工作面左右两侧采空区宽度50 m，得出充填开采时充填材料的28 d强度大于2.0 MPa即可实现充填体的长期稳定，此时安全系数达到3.0。

3 膏体配比及强度试验

3.1 膏体材料的抗压强度

选用合理的矸石破碎设备，使得矸石的破碎粒径小于10 mm，其中小于4.75 mm颗粒含量占80%以上，80 μm以下的颗粒含大于15%，根据膏体输送性能及充填体强度设计要求，破碎的矸石中细粒度物料可取代粉煤灰做集料，所以只需将破碎的煤矸石、胶凝结料和水按比例混合搅拌即可得到合格的充填膏体。

图3(a)、(b)分别是膏体胶结料和在普通水泥不同用量的条件下煤矸石膏体充填材料强度实验结果。膏体胶结料的掺量在120～240 kg/m3之间，普通水泥的掺量在240～400 kg/m3之间，掺量越大，充填材料各龄期抗压强度越高。对比膏体胶结料与普通水泥作为胶凝材料的膏体强度，两者用量相同时(240 kg/m3)，膏体胶结料8 h强度达到0.10 MPa以上，普通水泥8 h无法拆模，无强度，而膏体胶结料的28 d强度是普通水泥的2.09倍，达到了8.39 MPa。再比较两者的各龄期强度，膏体胶结料用量在普通水泥一般的情况下即达到了与普通水泥膏体材料相同的强度。

图3 各材料用量与充填材料抗压强度关系

3.2 煤矸石膏体材料的应力－应变特征

图4是不同膏体胶结料用量下的试件28 d单轴应力－应变曲线。试件的一般破坏机理可以概括为:首先是粗骨料和胶结材料的界面及胶结材料的内部形成微裂纹;应力增大后，微裂纹逐渐的延伸和扩展，并连通成宏观裂纹，试件承载力大大下降［8］。从图4的应力应变曲线可以看出，试件具有良好的弹性变形能力，煤矸石膏体材料破坏前的变形很小，不超过2%，压缩率不大于3%。

为保证充填体抗压强度能满足工程需要，相应的配比为:膏体胶结料200～250 kg/m3;煤矸石1100～1300 kg/m3;煤矿井水400～420 kg/m3。

4 工程实践

开采煤层平均厚为6.8 m，而充填支架的最大高度为3.8 m，因此需分层充填开采。确定2811工作面分2层充填开采，分层采厚为3.2 m。先采顶分层，后采底分层。

根据2811工作面的特点，设立2条观测线来监测地表沉降。

图4 试块28 d应力－应变曲线

对应的参数为:地表下沉系数q=0.08;水平移动系数b=0.24;主要影响角正切 tanβ=1.67;开采影响传播角 θ=86.6°，见图5。

图5 倾向剖面示意

经过观测确定，2811面充填开采期间地表变形最大值为115 mm。

5 结论

(1)“三下”压煤时，易留设条带煤柱。进行条带充填开采时，滞留条带煤柱宽度要大于安全开采宽度，以保证其稳定性。

(2)充填体承受上覆岩层的部分压力，所受载荷必须介于容许载荷与最大承受载荷之间，才能保证其安全性。

(3)破碎煤矸石、胶凝结料和水按比例混合搅拌成的充填膏体抗压强度大，弹性变形强，优于普通水泥胶结充填料，且取料方便、操作简单。

(4)充填开采，既减小开采对地表沉陷的影响，又提高资源利用率。

［1］钱鸣高，石平五.矿山压力与岩层控制［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2003.

［2］何国清，杨 伦，等.矿山开采沉陷学［M］.徐州:中国矿业大学出版社，1991.

［3］孙希奎.利用矸石充填置换开采条带煤柱的新技术［J］.煤炭学报，2008，33(3):259-263.

［4］刘同有.充填采矿技术与应用［M］.北京:冶金工业出版社，2001.

［5］赵才智.煤矿新型膏体充填材料性能及其应用研究［D］.徐州:中国矿业大学，2008.

［6］许家林，轩大洋，朱卫兵.充填采煤技术现状与展望［J］.采矿技术，2010，11(3):24-29.

［7］李兴尚.建筑物下条带开采冒落区注浆充填减沉技术的理论研究［D］.徐州:中国矿业大学，2008.

［8］徐乃忠，张玉卓.覆岩离层注浆控制地表沉陷技术的应用［J］.煤炭科学技术，2000，28(9):1-3.