王向宏 王撈撈

（1.淄博市王莊煤礦有限公司，山東 淄博 255400； 2.中國礦業(yè)大學 礦業(yè)工程學院，江蘇 徐州 221116）

1 墩柱充填法采煤技術原理

關鍵層控制著局部和整體覆巖的破斷運動，軟弱巖層隨關鍵層破斷回轉同步協(xié)調運動，主關鍵層破斷將導致整體運動下沉，采動裂隙貫通至地表并形成地表沉陷。所以若能控制關鍵層的破斷運動將可以控制整體覆巖的運移，墩柱充填開采技術[1]就是基于此理念設計的。

堅硬頂板條件下采空區(qū)后留有較長懸頂，緊跟工作面推進速度，按設計間隔在采空區(qū)安置充填布袋，然后在布袋內充填漿體膨脹材料使其與頂板充分接觸。在充填材料凝固后形成主動支承的密集墩柱群，墩柱群與堅硬頂板共同承載上覆載荷，保證關鍵層不破斷。如圖1 所示。

由于采動裂隙由煤層頂板向上逐層發(fā)育，覆巖在關鍵層控制作用下呈臺階式破斷下沉，所以當墩柱群支承頂板不破斷時，采動裂隙將不會繼續(xù)向上延伸，覆巖也因無下沉空間而保持穩(wěn)定，從而控制地表沉陷。為實現(xiàn)王莊煤礦地表減沉控制，特在該礦區(qū)應用墩柱充填開采技術。

圖1 墩柱充填開采技術原理示意圖

2 試驗礦井概況

王莊煤礦位于我國山東省淄博市臨淄區(qū)，在采煤層為4號煤層，煤層厚度為0.7～0.86m，平均0.82m，埋深為127m，煤層傾角約為6°，屬于近水平煤層。由采區(qū)內8～15 號鉆孔柱狀圖判別關鍵層賦存層位，如表1 所示。煤層頂板為厚度1.36m 的細砂巖，經判別為亞關鍵層，覆巖中共有四層亞關鍵層，一層主關鍵層。

表1 關鍵層判別結果

3 墩柱充填開采的物理模擬試驗

為研究墩柱充填開采技術用于王莊煤礦地表減沉的可行性，本章將通過二維物理模擬試驗模擬墩柱充填時的覆巖下沉量。

試驗設計尺寸相似比為1:50，所鋪設模型尺寸為160cm×40cm×120cm，模擬走向推進方向320m范圍內的地表下沉。模型的容重相似比為1:1.56，應力相似比為1:1.78。配料以河沙為骨料，與碳酸鈣、石膏和水按照一定比例均勻混合制成。

開挖模型前，在各巖層上各布置一條測線，分 別 編 號 為CX-KS1、CX-KS2、CX-KS3 和CXPKS，與各關鍵層編號相對應。每條測線上每隔5cm 布置一個測點，單條測線上共布置31 個測點，如圖2 所示。開挖過程中用高速攝像機拍攝記錄每次開挖步距結束后的關鍵層位移狀態(tài)，將開挖模型時的照片導入DigiMetric 三維攝影測量系統(tǒng)與未開挖時的照片做圖像對比，計算出每個測點的位移變化量，然后繪出每層關鍵層的位移曲線。

圖2 測線布置圖

測量系統(tǒng)調試無誤后開始回采模型。在模型兩側各留15.5cm 邊界煤柱，以6cm 為開挖步距從左向右逐步開挖。首先從模型左端開挖12cm 的開切眼，然后開挖7.5cm，在緊靠工作面處安置預制好的墩柱模塊。接下來重復以上開挖步驟，即開挖6cm →開挖6cm →靜置20min →開挖7.5cm →靜置20min →安置墩柱模塊。

由 文 獻[2-3]計 算 得 出 墩 柱 尺 寸 為7.5cm×7.5cm×2.0cm，單次充填墩柱個數(shù)為2 個，平行于工作面方向排開，墩柱傾向間距為12.0cm，走向間距為12cm，墩柱距離工作面端頭6.5cm。

按照以上開采步驟回采至左端煤柱邊界后，共充填了6 組墩柱。將巖層基本下沉穩(wěn)定后的照片與未開挖時的照片導入測量系統(tǒng)計算各巖層下沉值，繪制巖層下沉曲線，如圖3 所示。關鍵層4 的最大下沉值為2.5mm，其下沉系數(shù)為0.125，小于一級農村建筑物破壞標準0.15。

圖3 巖層下沉位移曲線

以上試驗結果表明，采用墩柱充填開采控制王莊煤礦地表減沉是可行的，特在王莊煤礦27401 工作面開展工業(yè)試驗。

4 工業(yè)性試驗

4.1 漿體膨脹材料性質

充填材料凝固膨脹是墩柱充填開采技術中的關鍵環(huán)節(jié)，該技術對充填材料特性有如下要求：（1）在充填前能以水為載體運輸至采空區(qū)；（2）能在充填后短時間內凝固并達到支承強度要求；（3）充填后能夠自發(fā)膨脹使墩柱與頂板充分接觸。以下將介紹漿體膨脹充填材料的配料組成和膨脹原理。

充填材料由石膏、石灰、水泥、粉煤灰、水和添加劑制成，添加劑的主要成分是氧化鈣和氧化鋁。首先按設計比例將石膏、石灰、水泥、粉煤灰和水混合攪拌均勻制成漿體，然后在充填漿體中混入定量的添加劑制成充填材料，最后將充填漿體通過管路從井口運輸至采空區(qū)。

經測試，漿體會在加入添加劑5h 后初步凝固，在14h 后幾乎完全凝固。因此，在加入添加劑后必須馬上將充填漿體運輸至采空區(qū)并充填進墩柱布袋中。在漿體和添加劑混合攪拌時會在漿體中生成氣體，由于漿體的流變特性，氣泡會懸浮于氣體生成位置，既不上浮逸出漿體，也不與其他氣泡匯合。因此，墩柱布袋體積在充填后會逐漸膨脹，從而充分支承頂板。

充填漿體凝固后其承載能力必須長期保持穩(wěn)定，從而消除工后災害隱患。因此，以下將對充填漿體試件的力學特性進行測試。按照建筑砂漿試件標準強度測試方法制作粉煤灰質量濃度為45%的試驗樣品，分別灌制添加劑占比為8%、10%和12%的試件，其尺寸均為40mm×40mm×160mm，制成后密封養(yǎng)護。設計測定齡期為1d、3d、7d、14d、28d、60d，分別測試三種試件的抗壓強度變化，測試結果如圖4 所示。

圖4 充填漿體試件抗壓強度測試曲線

由圖4 可知，三種試件的抗壓強度在60d 后能達到8MPa 以上且保持穩(wěn)定。經計算，工作面覆巖載荷為2.81MPa，故以上三種配比的墩柱均能與關鍵層共同支承覆巖載荷和控制地表下沉。

4.2 墩柱充填開采現(xiàn)場試驗

試驗地點27401 工作面寬度為80m，在采空區(qū)沿工作面傾向方向每排布置15 個墩柱，墩柱尺寸為6m×2m×1m，墩柱間隔為4m。

首先在采空區(qū)內布置單體支柱和頂梁支撐頂板，然后按設計布局布置充填布袋，并向布袋內充填漿體，漿體粉煤灰濃度為45%，添加劑濃度為12%。在墩柱內漿體凝固膨脹后回撤立柱，至此，一個充填循環(huán)結束。

工作面回采前在其對應地表布置兩條測線，用于監(jiān)測墩柱充填開采后的地表下沉。一條測線沿工作面走向布置，共設置22 個觀測點，編號分別為N0、N1、……、N21，基準點間距50m，測點間距約25m，測線總長度約575m。另一條測線沿工作面傾向布置，共設置15 個觀測點，編號分別為E0、E1、……、E14，基準點間距50m，測點間距約25m，測線總長度約400m。

在工作面充填開采6 個月后地表已經穩(wěn)沉，測量各個測點位移變化并繪制位移曲線，如圖5 所示。地表最大下沉值為48mm，地表下沉系數(shù)為0.057。

圖5 地表移動值監(jiān)測結果

磚混結構建筑物損壞一級標準為地表下沉系數(shù)小于0.15。以上工程試驗表明，各項地表移動值均符合建筑物損壞等級一級規(guī)定值，墩柱充填開采技術有效控制了地表移動變形。

5 結論

（1）模擬試驗和現(xiàn)場試驗均表明墩柱充填開采能夠有效控制地表沉陷，其地表移動變形值均小于變形允許值。這對薄煤層堅硬頂板條件下的地表減沉具有參考價值。

（2）墩柱充填開采技術有效控制了王莊煤礦地表下沉，之后將在27403 工作面和27404 工作面繼續(xù)應用墩柱充填開采技術，進一步研究其地表控制作用。