李乃梁,馮光明,李宗國

(1.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院,江蘇徐州 221116;2.臨沂礦業(yè)集團新驛煤礦,山東兗州 272116)

復合固結(jié)體巷式充填全采技術應用研究

李乃梁1,馮光明1,李宗國2

(1.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院,江蘇徐州 221116;2.臨沂礦業(yè)集團新驛煤礦,山東兗州 272116)

針對建下不規(guī)則煤層塊段開采問題,根據(jù)充填控制地表沉陷的原理,提出了高水速凝材料與矸石復合固結(jié)體巷式充填全采技術,即首先掘進煤巷,然后充填復合固結(jié)體,以多輪置換方式實現(xiàn)充填區(qū)域煤炭的全部開采。通過充填體強度測試,研究了復合固結(jié)體強度與高水速凝材料水灰比、矸石摻入量、齡期之間的關系。經(jīng)充填體穩(wěn)定性需求分析,給出了確定充填體強度的方法。工程應用結(jié)果表明,該技術既可有效控制地表沉陷,又可避免矸石升井帶來的環(huán)境危害,取得了良好的技術經(jīng)濟效果。

復合固結(jié)體;巷式充填;全采;穩(wěn)定性

煤炭屬于不可再生耗竭性資源,隨著礦井的開采,“三下”壓煤及保護煤柱回收問題越來越突出。最大程度地采出井田內(nèi)的煤炭,既可延長礦井的服務年限,又可增加企業(yè)的經(jīng)濟效益。充填開采作為有效的解決途徑逐漸受到重視,正規(guī)工作面多采用壁式充填開采,而不規(guī)則煤層塊段多以巷道方式 (即巷式)進行充填開采[1]。巷式充填開采過程中煤柱的留設降低了采出率,造成了資源浪費,通常采出率約 30%～50%[2-3]。根據(jù)實際需求,提出運用高水速凝材料與矸石形成的復合固結(jié)體進行巷式充填全采的技術方案,經(jīng)新驛煤礦工業(yè)性試驗,不僅實現(xiàn)了充填區(qū)域煤炭資源的全部開采,同時消耗了煤礦生產(chǎn)的伴生廢棄物——矸石。

1 充填區(qū)域位置與地質(zhì)條件

新驛礦充填試驗區(qū)北至南翼膠帶大巷,南至1110下停采線,西到 1110下軌道巷,東到 1110下運輸巷。充填區(qū)開采煤層為 3上2,位于山西組中上部,煤層平均厚度 2.22m;頂板以泥巖為主,厚2.52～2.83m,次為粉砂巖,厚 6.33～7.44m,偶見泥巖偽頂,厚 0.35m;底板以泥巖、砂質(zhì)泥巖為主,厚 2.90～4.10m,局部為粉砂巖,厚 3.40～4.80m。其頂、底板巖石力學性質(zhì)為：泥巖抗壓強度 20～35MPa;粉砂巖抗壓強度為 30～45MPa,細砂巖抗壓強度為 35～40MPa。

2 巷式充填全采理論依據(jù)

2.1 充填控制地表沉陷的原理

煤礦開采地表沉陷是由于煤層開采形成的空洞對巖層原有平衡狀態(tài)的破壞,造成空洞周圍巖(煤)體臨空而發(fā)生在垂直方向和水平方向上的緩慢或突發(fā)性的變形、破壞和運動的結(jié)果,即地表沉陷和礦山壓力顯現(xiàn)的根源是開采形成的空洞——采空區(qū)。對于充填開采來說,最大程度地密實采空空間,減少向地表的傳播是解決問題的關鍵。根據(jù)空隙量守恒定律[4-6],煤炭開采形成的地表沉陷盆地體積 Vs可用式 (1)估算。

式中,Vg為采空區(qū)體積;Vf為充入采空區(qū)的充填材料體積;Vv為上覆巖層滯留空隙體積,即未擴散到地表的空隙體積;Vfc為充填體在采空區(qū)內(nèi)凝固及承載后的體積壓縮量。

由式 (1)可知,減少地表沉陷量的主要途徑有 3個：提高充填率,密實采空空間;增強充填體物理力學性能,減少其壓縮變形量;增大上覆巖層滯留空隙體積。但上覆巖層滯留空隙大小與所形成的自穩(wěn)性結(jié)構(gòu)之間的關系非常復雜,人為控制困難,故在工程中應主要采用前兩個途徑。

2.2 巷式充填全采過程

高水材料與矸石固結(jié)體巷式充填全采,其實質(zhì)是利用高水材料與矸石凝結(jié)形成的具有一定強度的固結(jié)體,以掘進煤巷的方式間隔并逐步置換全部煤炭的一個過程。其基本思路為：首先通過掘進煤巷,把其中的煤炭取出,然后用拋矸機向巷道內(nèi)拋矸并澆注高水速凝材料,經(jīng)過一定時間的物理化學反應,形成固結(jié)體代替煤炭充實整條巷道;間隔 1個巷道寬度進行第 2條巷道的充填過程,再進行第3條,如圖 1a中 (1), (2), (3)所示。待充填區(qū)第 1輪充填完畢后,進行第 2輪的置換開采,如圖 1b中 (4), (5),至此完成一個循環(huán)。接著從第 6條巷道開始新的循環(huán)。反復按照前述順序,最終實現(xiàn)整個塊段的置換開采。間隔開采的目的是使高水速凝材料與矸石膠結(jié)形成的復合固結(jié)體有足夠時間達到相應的強度需求,同時整個開采跨距小于基本頂初次垮落步驟。

圖1 巷式充填全采過程

2.3 煤巖體受力及巖移分析

整個開采過程中,復合固結(jié)體逐步替代原位巖體支撐上覆巖層。由于復合固結(jié)體具有一定的可壓縮性,覆巖體內(nèi)部巖層從下向上在重力γH的作用下逐步產(chǎn)生較小的彎曲變形。在存在支撐煤柱的情況下,由于固結(jié)體本身支撐力沒有達到足夠的強度,煤柱上方壓力將超過原來的γH,隨著充填體在巷道產(chǎn)生一定的變形后,煤柱與充填體共同承擔覆巖載荷。在全部回采結(jié)束后,覆巖壓力γH平均分布在復合固結(jié)體上。整個過程表現(xiàn)為從一元承載結(jié)構(gòu)向二元承載結(jié)構(gòu),再從二元承載結(jié)構(gòu)向一元承載結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變。故從控制地表沉陷的角度看,增強充填體的初期強度,減少壓縮變形量是較好的工程選擇。

3 復合固結(jié)體強度測試

3.1 試驗設計

為了測定復合充填體在不同配比下的強度,以礦井掘進矸石的體積在復合充填體中所占比例為基準設計了 5組試驗,每組試驗中又分為 3個小組(采用不同的水灰比),每種條件組合分別就齡期1d,3d,7d,28d進行了單軸壓縮試驗。具體試驗設計見表 1。

表1 復合充填體強度試驗設計

3.2 試驗結(jié)果與分析

各條件下單軸壓縮試驗結(jié)果見圖 2。

試驗結(jié)果表明：當矸石摻量小于 10%時,復合固結(jié)體強度與純高水速凝材料固結(jié)體相比,性能有所提高,當矸石摻量大于 20%后,固結(jié)體強度總體性能有所降低。固結(jié)體性能能否滿足生產(chǎn)要求,取決于復合充填體能否滿足自穩(wěn)和長期穩(wěn)定的強度需求。

4 復合固結(jié)充填體穩(wěn)定性分析

充填開采時充填體是采空區(qū)巖層控制的主要承載體,其穩(wěn)定性對于地表沉陷的控制有重要影響[4]。復合固結(jié)體初期主要作用是占據(jù)采煤形成的采空空間,需要保證其自身的穩(wěn)定性;后期隨著工作面向前推進,上覆巖層逐漸發(fā)生變形,新的充填體逐漸起到對上覆巖層的支撐作用,故需要保持其長期穩(wěn)定性。

圖2 單軸抗壓強度與時間及水灰比的關系

4.1 自穩(wěn)性分析

充填體自身的穩(wěn)定性主要與其高度、寬度和強度有關,可用基于巖石力學極限平衡分析得到的托馬斯模型進行計算[7],公式為

式中,σc為充填體的強度,MPa,γf為充填體重力密度,MN/m3;hf為充填體高度,m;l為一次構(gòu)筑的充填體寬度,即巷道寬度,m。

對于新驛礦巷式充填開采區(qū)域,煤層平均厚度2.5m;巷道沿煤層掘進,寬度 4.0m,參照復合充填體強度試驗,即使在矸石所在體積百分比為70%時,充填體重力密度 0.025MN/m3,其強度遠遠滿足自穩(wěn)要求。

4.2 長期穩(wěn)定性分析

充填體的長期穩(wěn)定性,反映了充填體在長期承受最大載荷的情況下保持穩(wěn)定的能力,應首先確定充填體所承受的載荷,然后根據(jù)充填體的強度及其尺寸對其穩(wěn)定性進行分析。

(1)充填體載荷計算 充填體的工作載荷是指充填體承受的最大載荷。充填體的受力與許多因素有關,如采深、上覆巖層結(jié)構(gòu)、地質(zhì)構(gòu)造、巖層的物理力學性質(zhì)、充填區(qū)域尺寸及傾角等多種因素有關。要準確計算充填體所承受的載荷目前尚無好的方法[4]。對于近水平完全充填開采,可采用覆巖自重進行估算。

式中,γ為上覆巖層密度,MN/m3;H為采深,m。

(2)充填體強度 充填體強度是充填體穩(wěn)定性分析的基礎。參照比涅烏斯煤柱強度模型確定[3],公式為式中,σp為充填體強度,MPa;σm為現(xiàn)場臨界立方體試件單軸抗壓強度,MPa;W為充填體的寬度,m;h為充填體的高度,m。

根據(jù)文獻[8-9]對于充填體——人工構(gòu)筑物轉(zhuǎn)換參數(shù)的研究,結(jié)合現(xiàn)場實踐經(jīng)驗,對于高水速凝材料與矸石組成的復合充填體,按σm=0.8σc進行充填體的穩(wěn)定性分析是可行的,其中σc為實驗室充填體試塊的單軸抗壓強度,MPa。故充填體的整體強度可按式 (5)進行計算：

(3)充填體穩(wěn)定性分析 要保證充填體的長期穩(wěn)定,可以取 1.5～2.0倍的安全系數(shù)[3],即安全系數(shù)滿足：

把式 (3)、式 (5)代入式 (6),取安全系數(shù)為 2.0,即可得到保持充填體長期穩(wěn)定性的實驗室充填試塊強度要求計算公式

新驛礦充填區(qū)巷道寬度為 4.0m,采深平均502m,采高 2.5m,上覆巖層密度按平均 2.1t/m3計,可知復合充填體的實驗室試塊強度應大于2.01MPa。根據(jù)高水材料與矸石形成的復合充填體試驗可以看出,在矸石體積比 70%,水灰比 2.5,齡期 8d時,強度仍能滿足要求。

5 工程應用概況

5.1 充填設備與工藝

根據(jù)開采方案,高水材料充填系統(tǒng)設備構(gòu)成包括：1臺雙液注漿泵 YZB-200/11,用于同時泵送A,B兩種充填料;4個 Jb-1000攪拌桶,其中 2個用于 A料,2個用于 B料;混合器 1個,位置位于距充填頭 40m處。矸石充填系統(tǒng)選用以下設備各 1臺：矸石充填機 (由膠帶機自制),TLL-1/6推車機、FDBZ-1/6翻車機、破碎機,K300A給煤機、DSP1010/650機尾驅(qū)動式膠帶輸送機。

充填工藝：高水材料充填和矸石充填采取平行作業(yè)方式。矸石礦車經(jīng)推車機推入翻車機,翻車機翻矸到破碎機,破碎機把矸石破碎成粒徑小于150mm的矸石存放到矸石倉,由矸石倉下口入給料機,將矸石轉(zhuǎn)載到膠帶輸送機上運至充填機,充填到充填巷內(nèi)。高水材料 A,B料在泵站攪拌均勻后,按 1∶1比例經(jīng) 2路 φ75mm鋼管向充填巷泵送,在充填頭混合器內(nèi)充分混合,最后從混合器經(jīng) 1根膠管把混合好的高水材料灌入充填巷。

5.2 經(jīng)濟效益分析

新驛煤礦充填試驗區(qū)可布置巷道 40條,長度87～122m,平均 111m,可采出煤炭 80kt,所需充填體積 27672m3,按矸石所占體積 60%計,可解決掘進斷面為 13.6m2的全巖巷道 1220m的矸石量。不考慮矸石地面堆積費用,充填全采可獲得的直接經(jīng)濟效益為 1208萬元。

6 結(jié)論

(1)根據(jù)空隙量守恒定律,在工程中減少地表沉陷量的主要途徑為：提高充填率,密實采空空間;增強充填體初期強度,減少壓縮變形量。

(2)運用矸石與高水速凝材料形成的復合固結(jié)體進行巷式充填開采時,應根據(jù)開采條件合理確定材料配比,滿足充填體保持穩(wěn)定的強度需求。矸石摻入量增加,固結(jié)體強度減弱。

(3)本技術的成功運用既可有效控制地表沉陷,又可避免矸石升井帶來的環(huán)境危害,具有良好的技術經(jīng)濟效果。

[1]胡炳南,張文海,高慶潮,等 .矸石充填巷式開采永久煤柱試驗研究 [J].煤炭科學技術,2006,34(11)：46-48.

[2]楊 逾,劉文生,馮國才,等 .注充寬條帶跳采全采采煤法[J].煤礦開采,2005,10(5)：1-3.

[3]吳立新,王金莊,劉延安,等 .建 (構(gòu))筑物下壓煤條帶開采理論與實踐 [M].徐州：中國礦業(yè)大學出版社,1994.

[4]瞿群迪 .采空區(qū)膏體充填巖層控制的理論與實踐 [D].徐州：中國礦業(yè)大學,2007.

[5]郝慶旺 .采動巖體空隙擴散模型及其在開采沉陷研究中的應用 [D].徐州：中國礦業(yè)大學,1988.

[6]郝慶旺 .采動巖體的空隙擴散模型與空源作用分析 [J].中國礦業(yè)學院學報,1988,17(2)：30-36.

[7]盧 平 .確定膠結(jié)充填體強度的理論與實踐 [J].黃金,1992,13(3)：14-19.

[8]王澤云 .不同強度等級混凝土尺寸效應的討論 [J].四川建筑科學研究,2005,31(1)：95-98.

[9]錢覺時,黃煜鑌 .混凝土強度尺寸效應的研究進展 [J].混凝土與水泥制品,2003,(3)：1-5.

Application of Full M in ing by Stowing Roadway with Combined Induration Body

L INai-liang1,FENG Guang-ming1,Li Zong-guo2
(1.Mining Engineering College,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.Xinyi Colliery,LinyiMining Group,Yanzhou 272116,China)

For anomalistic coal mining under buildings,this paper put forward a technology of full mining by stowing roadway with combined induration bodywhich included high-water-content quick-setting material and waste rock on the basis of subsidence control theory of stowing.After coal roadwaywas driven,combined induration bodywas stowed into the roadway.Coalwas fullymined by repeatedly replaced.It also researched the relationship of combined induration body strength and high-water-content quick-settingmaterial’s ratio ofwater to ash and refuse quantity and time with strength test of stowing body.It presented a method for deter mining stowing body strength by analyzing stability requirement.Practical application showed that this technologymight control effectively surface subsidence and avoid refuse pollution.Good technical and economic effect hasmade.

combined induration body;stowing roadway;fullmining;stability

TD823

A

1006-6225(2010)01-0050-04

2009-10-13

煤炭資源與安全開采重點試驗室基金 (07LF13)

李乃梁 (1973-),男,河北泊頭人,講師,博士研究生,從事采礦技術方面的應用與研究。

徐乃忠]