膏体充填置换煤柱开采工艺研究

连海涛

（山西乡宁焦煤集团燕家河煤业有限公司，山西 临汾 042100）

煤炭作为不可再生资源，在未来很长一段时间内依然在能源结构中占据主导地位，在实际开采过程中需要保证其开采效率和煤炭资源的回采率。房柱式开采工艺在实际应用中存在回采率低、资源浪费严重等问题。虽然在房柱式开采工艺的基础上引入条带式开采技术可适当提高资源利用率，但是效果不明显[1]。本文将对条带式开采技术中滞留的煤柱进行回收开采，提高煤炭资源的回收率。

1 工程概况

本文以永乐煤矿为例开展系列研究，该煤矿当前采用条带式开采工艺，生产能力为0.6 Mt/a。目前，该煤矿可开采的煤层包括有3#、7#和8#，本文以3#煤层的开采进行研究。3#煤层属于后煤层，煤层结构相对简单且基本不含矸石，仅在煤层的西北区域含有厚度仅为0.24～0.35 m 的泥岩。总体来讲，3#煤层属于稳定型煤层，煤类单一且煤质的变化较小。3#煤层的详细特征如下：

3#煤层厚度在5.72～6.56 m 之间，煤层平均厚度为6.05 m；该煤层埋藏在地下107.85～159.75 m 之间。3#煤层的顶底板条件，如表1 所示：

表1 3#煤层顶底板条件及其参数

结合周围采用条带式开采工艺的煤矿进行对比，基于“有效面积”理论计算得出3#煤层的极限强度为9.68 MPa，在实际开采中采用采12 m 预留8 m 煤柱的方式进行开采，经核算所预留8 m 煤柱的实际承受载荷最小为5.62 MPa，最大为6.65 MPa。

因此，最终在理论分析计算的基础上并结合相似工程的类比方法最终得出：对3#煤层预留8 m 的煤柱进行开采时要求所充填的膏体的最小膏体的强度不得小于5.44 MPa。本文将重点对膏体充填材料的配比展开研究，并对膏体充填换煤柱开采效果进行模拟分析。

2 膏体充填材料配比实验研究

对于膏体充填置换煤柱开采工艺而言，最为关键的是选取高效且匹配的充填材料，本着经济合理、配备简单以及流动性良好的原则[2]；同时，结合煤矿所在地取材方便的原则，初步选择风积沙、黄土、粉煤灰和水泥作为充填材料，并通过实验方式得出最佳的配比方案。

2.1 实验方法

目前，膏体充填主流的充填材料为风积沙，要求所配备的膏体充填材料的强度大于5.44 MPa；为保证膏体充填材料具有良好的流动性，要求其坍落度大于200 mm。将上述常用的充填材料按照m（水泥）∶m（风积沙）∶m（粉煤灰）∶m（黄土）=1∶4∶2∶1 的比例进行配备，得到质量分数分别为75%、77%、79%和81%的膏体浆液；将所配制的浆液灌装至尺寸规格为7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm 的立方体磨具中，分别对不同浓度的膏体浆液静态放置3、7、28、60 d 后的抗压强度进行对比。期间，其可对任何一种充填材料的配比比例进行调整，已获得最佳的充填膏体。

2.2 基础配比实验结果分析

对m（水泥）∶m（风积沙）∶m（粉煤灰）∶m（黄土）=1∶4∶2∶1 所配制的不同浓度的浆液在不同时期的抗压强度进行测试，测试结果如表2 所示。

表2 基础配比浆液的抗压强度对比

如表2 所示，随着所配比浆液浓度的增加，其坍落度减小，流动性较差。因此，要求在基础配比条件下浆液浓度不得大于77%；同时，随着浆液浓度的增加，对应单轴抗压强度随着时间的延长而增强[3]。

2.3 单因素对充填膏体性能的影响

采用单一变量法分别对风积沙、粉煤灰、黄土以及水泥对充填膏体的流动性和抗压强度的影响进行研究，以风积沙为例，m（水泥）∶m（风积沙）∶m（粉煤灰）∶m（黄土）=1∶X∶2∶1 试验结果如表3 所示：

表3 风积沙对充填膏体性能的影响

如表3 所示，随着风积沙比例的增加，对应充填膏体抗压强度减小，对应的坍落度增大。同理。分别得出粉煤灰、水泥以及黄土对充填膏体性能的影响。最终确定m（风积沙）∶m（粉煤灰）∶m（黄土）∶m（水泥）=40∶25∶10∶15。

3 膏体充填置换煤柱开采模拟研究

本节基于FLAC3D 软件对“2”中实验是所得的充填膏体在实际应用的效果进行模拟分析。根据3#煤层所属3231 工作面的地质条件构建尺寸为400 m×110 m×118 m 的数值模拟模型，如图1 所示：

图1 FLAC3D 数值模拟模型

首先，在初始条件对3#煤层的最大承载应力进行分析，得出其可承载的最大应力为2.34 MPa；同时，通过仿真分析得出在对预留煤柱的煤炭进行开采时其需要充填体的强度范围为5.72～6.72 MPa 之间。上述仿真结果与理论计算结果相近，验证了所构建FLAC3D 模型的准确性。

将“2”中所配备的充填膏体加入数值模拟模型中，并将充填膏体的重度、体积模量、剪切模量、黏聚力、内摩擦角以抗拉强度等指标在模型中进行设置，分别对从第一开采条带采空区向第19 条带采空区移动时膏体的应力变化及分布情况进行仿真分析[4-5]。通过仿真可知：

将所配比的充填膏体在进行充填后，其所承载的最大应力为3.4 MPa；当对预留煤柱进行开采时，充填膏体所承受的最大应力值为3.95 MPa。而实验室中所配备的充填膏体的强度值为6.6 MPa＞3.95 MPa。因此，可以认为实验室所配置的充填膏体可满足置换煤柱开采工艺的承载要求。

4 结语

房柱式开采工艺为当前主流的开采工艺之一，但是该冲开采方式存在回采率低、资源浪费严重的问题。为解决房柱式开采工艺的上述问题虽然引入了条带开采方式，但是其回采率提升不明显。为此，本文提出膏体充填置换煤柱开采工艺对条带式开采的预留煤柱进行开采的方式，重点对充填膏体材料的配比和应用效果进行研究，总结如下：

1）通过实验可知，当确定m（风积沙）∶m（粉煤灰）∶m（黄体）∶m（水泥）=40∶25∶10∶15 时所得充填膏体的流动性和抗压强度可满足本工程的要求。

2）将所配比的充填膏体在进行充填后，其所承载的最大应力为3.4 MPa；当对预留煤柱进行开采时，充填膏体所承受的最大应力值为3.95 MPa；实验室所配置的充填膏体可满足置换煤柱开采工艺的承载要求。