小煤矿旧采区预充填技术研究

李　鹏

(大同煤矿集团 大斗沟煤业公司，山西　大同　037000)



·试验研究·

小煤矿旧采区预充填技术研究

李鹏

(大同煤矿集团 大斗沟煤业公司，山西大同037000)

摘要以旺田煤矿工作面过小煤矿旧采区为背景，运用理论分析及公式计算得出：充填体提供的支撑力不小于379 MN；现场实践发现，浆液能够与垮落的煤岩形成稳固的胶结体，保证了顶板与煤壁的稳定性，安全可靠。预充填旧采区能提高井下煤炭资源回收率和延长矿井服务年限，具有显著的经济与社会效益。

关键词旧采区；关键块；力学分析；预充填；超高水材料

20世纪末受到“有水快流”政策的影响，全国各地开始大力兴办煤矿，据统计在山西省煤矿最多时达1万余座[1-2]，其中大部分是乡镇小煤矿，受当时装备水平、开采技术条件与市场行情等各种因素的影响，采富弃贫、采易弃难、乱采滥挖的现象异常严重，小煤矿煤炭回收率一般在10%～30%[2-4]，致使大量的煤炭遗滞在采空区，对煤炭资源造成极大的浪费与破坏。随着井下煤炭的不断开采，矿井资源逐渐趋于枯竭，为延长矿井的服务期限和更好地规划整合矿井的开采，使地下煤炭资源得到充分回收，实现煤矿的可持续开采，旺田煤矿决定对原小煤矿旧采区进行复采。

1工程概况

旺田煤业现开采8号煤层，厚度5.6 m，为中灰、特低硫～低硫、特高热值无烟煤，是良好的动力用煤和化工用煤。顶板岩性多为灰色～深灰色砂质泥岩、泥岩，老顶厚度约4.6 m，节理、裂隙发育，单向抗压强度56 MPa，稳定程度属2类顶板中等稳定类。底板岩性多为灰色砂岩，含铝质，水平层理，质硬性脆，断口平坦，厚度约3 m.单向抗压强度68.2 MPa，直接底板稳定程度属坚硬类。在井田北部有小煤矿旧采区，小煤矿原采用割底留顶、反复掘送巷道刷扩两帮的旧巷柱式方法回收煤炭资源。工作面情况见图1.

图1　工作面布置图

2旧采区情况分析

依据旧采区技术资料分析和现场巷道揭露、探测情况，旧采区内多为原小煤矿运输巷道和刷帮开采形成的空巷，经过长时间的搁置，空巷顶板和两帮存在不同程度的冒顶和片帮。工作面采用预充填技术过小煤矿旧采区。

2.1空巷围岩力学性质分析

旧采区空巷力学模型见图2.在工作面回采逐渐靠近旧采区空巷的过程中，空巷与工作面之间的煤柱宽度不断减小，煤柱由稳定状态逐渐向塑性状态变化，当煤柱宽度减小到一定程度时，窄小煤柱在超前支承压力的作用下发生失稳破坏，由于空顶长度的突然增加，空巷上方基本顶容易发生断裂，形成铰接岩块A、B、C[5-6].如果基本顶不能在回采过程中保持自身的稳定，B块失稳从而造成工作面上方顶板整体下沉，出现较为严重的矿山压力显现。B块主要有滑落与转动两种失稳形式，旧采区空巷的良好支护形式能够防止B块出现滑落或转动失稳的状态，又能维持空巷煤壁两帮的稳定，从而保证工作面顺利通过旧采区。

图2　空巷围岩力学结构示意图

2.2充填体强度

块A、B、C之间形成铰接，B块为复采面安全通过旧采区空巷的关键。作用于B块的上方岩层视为均匀载荷q；B块受到A块对其水平方向上的推力T1和垂直方向上的剪力F1，受到C块对其水平方向上的推力T2和垂直方向上的剪力F2；B块长度L为工作面周期来压步距。空巷充填体通过上方顶煤与直接顶对B块有垂直方向力P充的作用。

依据“S-R”平衡理论[7-8]对围岩结构进行力学分析，得到使B块不发生滑落失稳的充填体提供的支撑力P充计算公式为：

式中：a=(h-lsinθ)/2

T1=ql/(h/l-0.5sinθ)

tanφ为岩块间摩擦系数，取0.2[6]，P为支架阻力，q1为直接顶单位长度自重，MN/m，h为老顶厚度。

依据旺田煤矿实际情况，将各参数L=14 m，q=0.3 MN/m，h=4.6 m，q1=0.1 MN/m，P=4 MN，d=4.5 m，b=4 m代入公式得到充填体提供的支撑力P充=3.79 MN.

3工程分析

图3　制浆系统示意图

现场预充填采用在“三下”开采中应用广泛的超高水材料，其主要由两部分构成：以铝土、石膏为主炼成的A料和以混磨石灰、石膏形成的B料。A、B两种料与水分别配成的A浆液和B浆液单独最高可持续40 h不出现凝结。A、B单浆液的制备系统是根据双液泵的输送能力200 L/min(单吸浆管流量为100 L/min)设计的，由于搅拌好1桶料实际需要时间3～4 min，为保证现场的连续制浆能力，并结合现场实际情况，A、B单浆液生产线在井下要分别备置吸浆桶和搅拌桶。根据浆液在管路中的平均流速，需要确保两种浆液在管路内的混合时间不小于20～30 s.在充填之前旧采区空巷两端应砌墙并密实，墙高随着巷内浆液的注入而向上砌筑。制浆系统见图3.注浆材料充实冒落间隙效果见图4.从图4中可以看出，浆液能够很好地渗入到煤层裂隙中，并与旧采区内空巷垮落的煤岩胶结形成稳固的充填体，对顶板及两帮起到较好的支撑作用。

图4　注浆材料充实冒落间隙效果图

回采过原小煤矿旧采区期间，工作面顶板保持了较好的完整性，未出现破碎煤岩掉落的情况；同时形成的胶结煤壁未出现大范围片帮；工作面矿压显现没有异常现象。工作面顺利通过旧采区。

与堆木垛方法相比，预充填避免了使用大量木材，充填体变形量小，保持顶板与煤壁的稳定，解决了顶板易碎和煤壁易片帮的问题；与锚杆(索)金属网联合支护相比，降低了材料消耗，减少了劳动量；与重开切眼方法相比，节省了搬家倒面的时间与费用，保证了工作面连续推进。

4结论

1) 从理论上对旧采区空巷围岩力学性质进行了分析，通过公式得出巷内充填体提供的支撑力为3.79 MN.

2) 现场实践发现，浆液能够与垮落的煤岩形成稳固的胶结体，保证了顶板与煤壁的稳定性，安全可靠，并与传统方法对比分析了充填的优点。

3) 众多资源整合和机械化升级改造矿井，都会面临工作面通过原小煤矿旧采区的问题，预充填旧采区能提高井下煤炭资源回收率和延长矿井服务年限，具有显著的经济与社会效益。

参考文献

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[2]许孟和.旧采残煤长壁综采围岩控制及安全保障技术研究[D].太原：太原理工大学，2010.

[3]齐光辉.小窑破坏区资源复采利用技术[J].煤炭工程，2009(1)：7-9.

[4]吴锐，徐金海，王中亮，等.小煤矿破坏区关键承载层的构建机理与应用[J].金属矿山，2014(8)：148-152.

[5]李迎富，华心祝，蔡瑞春.沿空留巷关键块的稳定力学性分析及工程应用[J].采矿与安全工程学报，2012，29(3)：357-364.

[6]钱鸣高，缪协兴，何富连.采场“砌体梁”结构的关键块分析[J].煤炭学报，1994，19(6)：557-562.

[7]柏建彪，侯朝炯.空巷顶板稳定性原理及支护技术研究[J].煤炭学报，2005，30(1)：8-11.

[8]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，2003：105-110.

Research on Prefilling Technique in Small Coal Mine Old Mining Area

LI Peng

AbstractTakes Wangtian coal mine working face passing old mining area as the background, by using theoretical analysis and formula calculating obtains that the supporting force of filling is not less than 379 MN. Field practice found that grouting and collapsed coal rock can formulate the stable cemented body, which guarantees the stability of roof and coal wall, and is safe and dependable. Prefilling old mining area can improve recovery rate of coal resources underground and extend the service life of coal mine, has significant economic and social benefits.

Key wordsOld mining area; Key block; Mechanical analysis; Prefilling; Super high-water material

中图分类号：TD353

文献标识码：A

文章编号：1672-0652(2016)01-0040-03

作者简介：李鹏(1986—)，男，山西大同人，2007年毕业于山西大同大学，助理工程师，主要从事煤矿开采与技术管理工作(E-mail)wying0903@126.com

收稿日期：2015-11-02