李　鵬

(大同煤礦集團(tuán) 大斗溝煤業(yè)公司，山西　大同　037000)

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·試驗(yàn)研究·

小煤礦舊采區(qū)預(yù)充填技術(shù)研究

李鵬

(大同煤礦集團(tuán) 大斗溝煤業(yè)公司，山西大同037000)

摘要以旺田煤礦工作面過(guò)小煤礦舊采區(qū)為背景，運(yùn)用理論分析及公式計(jì)算得出：充填體提供的支撐力不小于379 MN；現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，漿液能夠與垮落的煤巖形成穩(wěn)固的膠結(jié)體，保證了頂板與煤壁的穩(wěn)定性，安全可靠。預(yù)充填舊采區(qū)能提高井下煤炭資源回收率和延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，具有顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

關(guān)鍵詞舊采區(qū)；關(guān)鍵塊；力學(xué)分析；預(yù)充填；超高水材料

20世紀(jì)末受到“有水快流”政策的影響，全國(guó)各地開(kāi)始大力興辦煤礦，據(jù)統(tǒng)計(jì)在山西省煤礦最多時(shí)達(dá)1萬(wàn)余座[1-2]，其中大部分是鄉(xiāng)鎮(zhèn)小煤礦，受當(dāng)時(shí)裝備水平、開(kāi)采技術(shù)條件與市場(chǎng)行情等各種因素的影響，采富棄貧、采易棄難、亂采濫挖的現(xiàn)象異常嚴(yán)重，小煤礦煤炭回收率一般在10%～30%[2-4]，致使大量的煤炭遺滯在采空區(qū)，對(duì)煤炭資源造成極大的浪費(fèi)與破壞。隨著井下煤炭的不斷開(kāi)采，礦井資源逐漸趨于枯竭，為延長(zhǎng)礦井的服務(wù)期限和更好地規(guī)劃整合礦井的開(kāi)采，使地下煤炭資源得到充分回收，實(shí)現(xiàn)煤礦的可持續(xù)開(kāi)采，旺田煤礦決定對(duì)原小煤礦舊采區(qū)進(jìn)行復(fù)采。

1工程概況

旺田煤業(yè)現(xiàn)開(kāi)采8號(hào)煤層，厚度5.6 m，為中灰、特低硫～低硫、特高熱值無(wú)煙煤，是良好的動(dòng)力用煤和化工用煤。頂板巖性多為灰色～深灰色砂質(zhì)泥巖、泥巖，老頂厚度約4.6 m，節(jié)理、裂隙發(fā)育，單向抗壓強(qiáng)度56 MPa，穩(wěn)定程度屬2類頂板中等穩(wěn)定類。底板巖性多為灰色砂巖，含鋁質(zhì)，水平層理，質(zhì)硬性脆，斷口平坦，厚度約3 m.單向抗壓強(qiáng)度68.2 MPa，直接底板穩(wěn)定程度屬堅(jiān)硬類。在井田北部有小煤礦舊采區(qū)，小煤礦原采用割底留頂、反復(fù)掘送巷道刷擴(kuò)兩幫的舊巷柱式方法回收煤炭資源。工作面情況見(jiàn)圖1.

圖1　工作面布置圖

2舊采區(qū)情況分析

依據(jù)舊采區(qū)技術(shù)資料分析和現(xiàn)場(chǎng)巷道揭露、探測(cè)情況，舊采區(qū)內(nèi)多為原小煤礦運(yùn)輸巷道和刷幫開(kāi)采形成的空巷，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的擱置，空巷頂板和兩幫存在不同程度的冒頂和片幫。工作面采用預(yù)充填技術(shù)過(guò)小煤礦舊采區(qū)。

2.1空巷圍巖力學(xué)性質(zhì)分析

舊采區(qū)空巷力學(xué)模型見(jiàn)圖2.在工作面回采逐漸靠近舊采區(qū)空巷的過(guò)程中，空巷與工作面之間的煤柱寬度不斷減小，煤柱由穩(wěn)定狀態(tài)逐漸向塑性狀態(tài)變化，當(dāng)煤柱寬度減小到一定程度時(shí)，窄小煤柱在超前支承壓力的作用下發(fā)生失穩(wěn)破壞，由于空頂長(zhǎng)度的突然增加，空巷上方基本頂容易發(fā)生斷裂，形成鉸接巖塊A、B、C[5-6].如果基本頂不能在回采過(guò)程中保持自身的穩(wěn)定，B塊失穩(wěn)從而造成工作面上方頂板整體下沉，出現(xiàn)較為嚴(yán)重的礦山壓力顯現(xiàn)。B塊主要有滑落與轉(zhuǎn)動(dòng)兩種失穩(wěn)形式，舊采區(qū)空巷的良好支護(hù)形式能夠防止B塊出現(xiàn)滑落或轉(zhuǎn)動(dòng)失穩(wěn)的狀態(tài)，又能維持空巷煤壁兩幫的穩(wěn)定，從而保證工作面順利通過(guò)舊采區(qū)。

圖2　空巷圍巖力學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2充填體強(qiáng)度

塊A、B、C之間形成鉸接，B塊為復(fù)采面安全通過(guò)舊采區(qū)空巷的關(guān)鍵。作用于B塊的上方巖層視為均勻載荷q；B塊受到A塊對(duì)其水平方向上的推力T1和垂直方向上的剪力F1，受到C塊對(duì)其水平方向上的推力T2和垂直方向上的剪力F2；B塊長(zhǎng)度L為工作面周期來(lái)壓步距?？障锍涮铙w通過(guò)上方頂煤與直接頂對(duì)B塊有垂直方向力P充的作用。

依據(jù)“S-R”平衡理論[7-8]對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行力學(xué)分析，得到使B塊不發(fā)生滑落失穩(wěn)的充填體提供的支撐力P充計(jì)算公式為：

式中：a=(h-lsinθ)/2

T1=ql/(h/l-0.5sinθ)

tanφ為巖塊間摩擦系數(shù)，取0.2[6]，P為支架阻力，q1為直接頂單位長(zhǎng)度自重，MN/m，h為老頂厚度。

依據(jù)旺田煤礦實(shí)際情況，將各參數(shù)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代入公式得到充填體提供的支撐力P充=3.79 MN.

3工程分析

圖3　制漿系統(tǒng)示意圖

現(xiàn)場(chǎng)預(yù)充填采用在“三下”開(kāi)采中應(yīng)用廣泛的超高水材料，其主要由兩部分構(gòu)成：以鋁土、石膏為主煉成的A料和以混磨石灰、石膏形成的B料。A、B兩種料與水分別配成的A漿液和B漿液?jiǎn)为?dú)最高可持續(xù)40 h不出現(xiàn)凝結(jié)。A、B單漿液的制備系統(tǒng)是根據(jù)雙液泵的輸送能力200 L/min(單吸漿管流量為100 L/min)設(shè)計(jì)的，由于攪拌好1桶料實(shí)際需要時(shí)間3～4 min，為保證現(xiàn)場(chǎng)的連續(xù)制漿能力，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，A、B單漿液生產(chǎn)線在井下要分別備置吸漿桶和攪拌桶。根據(jù)漿液在管路中的平均流速，需要確保兩種漿液在管路內(nèi)的混合時(shí)間不小于20～30 s.在充填之前舊采區(qū)空巷兩端應(yīng)砌墻并密實(shí)，墻高隨著巷內(nèi)漿液的注入而向上砌筑。制漿系統(tǒng)見(jiàn)圖3.注漿材料充實(shí)冒落間隙效果見(jiàn)圖4.從圖4中可以看出，漿液能夠很好地滲入到煤層裂隙中，并與舊采區(qū)內(nèi)空巷垮落的煤巖膠結(jié)形成穩(wěn)固的充填體，對(duì)頂板及兩幫起到較好的支撐作用。

圖4　注漿材料充實(shí)冒落間隙效果圖

回采過(guò)原小煤礦舊采區(qū)期間，工作面頂板保持了較好的完整性，未出現(xiàn)破碎煤巖掉落的情況；同時(shí)形成的膠結(jié)煤壁未出現(xiàn)大范圍片幫；工作面礦壓顯現(xiàn)沒(méi)有異?，F(xiàn)象。工作面順利通過(guò)舊采區(qū)。

與堆木垛方法相比，預(yù)充填避免了使用大量木材，充填體變形量小，保持頂板與煤壁的穩(wěn)定，解決了頂板易碎和煤壁易片幫的問(wèn)題；與錨桿(索)金屬網(wǎng)聯(lián)合支護(hù)相比，降低了材料消耗，減少了勞動(dòng)量；與重開(kāi)切眼方法相比，節(jié)省了搬家倒面的時(shí)間與費(fèi)用，保證了工作面連續(xù)推進(jìn)。

4結(jié)論

1) 從理論上對(duì)舊采區(qū)空巷圍巖力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行了分析，通過(guò)公式得出巷內(nèi)充填體提供的支撐力為3.79 MN.

2) 現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，漿液能夠與垮落的煤巖形成穩(wěn)固的膠結(jié)體，保證了頂板與煤壁的穩(wěn)定性，安全可靠，并與傳統(tǒng)方法對(duì)比分析了充填的優(yōu)點(diǎn)。

3) 眾多資源整合和機(jī)械化升級(jí)改造礦井，都會(huì)面臨工作面通過(guò)原小煤礦舊采區(qū)的問(wèn)題，預(yù)充填舊采區(qū)能提高井下煤炭資源回收率和延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，具有顯著的經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益。

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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

中圖分類號(hào)：TD353

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-0652(2016)01-0040-03

作者簡(jiǎn)介：李鵬(1986—)，男，山西大同人，2007年畢業(yè)于山西大同大學(xué)，助理工程師，主要從事煤礦開(kāi)采與技術(shù)管理工作(E-mail)wying0903@126.com

收稿日期：2015-11-02