姜 波

(同煤集團云岡礦綜采二隊，山西 大同 037017)

引 言

“三下”壓煤指的是在建筑物，水體和鐵路下的壓煤現(xiàn)象。據(jù)統(tǒng)計，我國探明的“三下”壓煤總量為141億t。其中，65%為建筑物下壓煤，約為91.6億t[1]。與鐵路壓煤和水體壓煤相比較，建筑物下壓煤的開采更為復(fù)雜。建筑物下壓煤大部分為村莊下壓煤，我國煤炭開采起步晚，分布零散，目前國內(nèi)大部分礦區(qū)都存在村莊下壓煤的現(xiàn)象。特別是在山西、河南和河北這些人口密度大的省份，由于村莊眾多，人口密集，村莊下壓煤已經(jīng)占到總儲量的20%以上。此外，一些老舊礦區(qū)也面臨著采區(qū)資源枯竭的問題，需要開發(fā)新的工作面來延長礦井的工作年限。鑒于此，村莊下壓煤開采技術(shù)已經(jīng)成為了“三下”壓煤開采中的重要研究對象，包括如何最大限度地開采村莊下煤炭資源，保護地面環(huán)境和建筑物，提高煤炭企業(yè)物料資源的利用率和增加礦區(qū)使用壽命等。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

國外建筑物下煤炭開采技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，根據(jù)它們本國煤礦的自身情況，主要有以下一些開采方式：

1) 填充開采。包括風(fēng)力填充、密實水砂填充和煤矸石填充[2]。該技術(shù)是利用其他物質(zhì)對采取巷道進行填充，達到減輕開采沉降，提高采取穩(wěn)定性和增加資源回收率的目的。采用煤矸石填充還可以起到減少煤礦開采廢棄物排放的作用。該項技術(shù)效果好，節(jié)能環(huán)保，但是需要高效的填充設(shè)備和成熟的填充工藝，目前采用這項技術(shù)的國家有波蘭和英國。

2) 協(xié)調(diào)開采。該技術(shù)主要通過搭建巷道防變形建筑物來防止采區(qū)沉降。包括在巷道建設(shè)液壓千斤頂，對已有的建筑物進行澆灌加固和設(shè)置變形縫等措施。協(xié)調(diào)開采效果好，成本較低但是對采區(qū)地質(zhì)條件要求較高，部分英國煤礦企業(yè)和大部分德國企業(yè)使用該項技術(shù)。

3) 房柱式開采，目前國外大部分國家包括美國、澳大利亞、印度等國采用該項技術(shù)。其原理是在采煤區(qū)進行作業(yè)時，留設(shè)煤柱作為作業(yè)面支撐頂板。該項措施成本低、工期短，可以有效地防止地面沉降。但是煤柱的位置和煤柱的尺寸如何選取是一個關(guān)鍵性的問題，不合理的設(shè)計將存在安全隱患和開采率不高的問題。

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

我國建筑物下壓煤開采技術(shù)自20世紀60年代開始，經(jīng)過60年的研究實踐，現(xiàn)已發(fā)展為開采沉陷學(xué)這門學(xué)科[3]。目前國內(nèi)村莊下壓煤開采主要基于采區(qū)的實際情況，根據(jù)不同開采條件和地面設(shè)施，采用填充開采、協(xié)調(diào)開采、房柱式開采和覆巖離層注漿法開采等技術(shù)。

巷式填充采煤技術(shù)是當前國內(nèi)外使用最為廣泛的村莊下壓煤開采技術(shù)。與其他建筑物下煤炭開采技術(shù)相比較，該技術(shù)可以維持煤層地面地壓的穩(wěn)定，防止地面塌陷事故的發(fā)生，減少煤礦開采對環(huán)境的破壞。此外，還可以顯著提升煤礦開采率，增加煤礦企業(yè)得經(jīng)濟效益，保證礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。但是該技術(shù)有較高的技術(shù)和經(jīng)濟要求，目前在我國還沒有得到廣泛應(yīng)用。這也是筆者進行巷式充填采煤技術(shù)研究的原因。

2 巷式充填采煤技術(shù)研究

本文以山西某礦采區(qū)為例，對其采區(qū)內(nèi)的村莊下壓煤開采技術(shù)作分析研究。

2.1 采區(qū)工作面開采方案

該采區(qū)工作面的巷道分布如圖1所示。該采區(qū)一共設(shè)有23條支巷，每支巷的高度為2.5 m，寬度為6 m，每隔6 m設(shè)置一根保護煤柱。在進行開采工作時，巷道開口開采角度為60°，使用連續(xù)采煤機對工作面進行開采。

圖1 采區(qū)工作面巷道分布

對巷道采取錨索和錨桿聯(lián)合防護的加固措施[4]。使用高強度螺紋鋼，在巷道內(nèi)每2 m裝置3根錨桿。錨索沿巷道中心線設(shè)置，采用高強度絞線。其設(shè)置圖如圖2所示。在設(shè)置完成后，對巷道頂板進行觀察，若有構(gòu)造損壞和崩裂現(xiàn)象，在該區(qū)域內(nèi)改為間隔為1.2 m的錨桿分布，并且設(shè)置兩條錨索。在進行開采工作時，采用支巷掘進技術(shù)和連采機開采工藝，具體配備設(shè)備包括連續(xù)采煤機、皮帶傳送機和鏟用車。

圖2 巷道支護裝置設(shè)計圖(mm)

2.2 巷式充填工藝

為了滿足工作面的壓力要求，結(jié)合該煤礦的現(xiàn)場實際狀況使用高水膨脹材料作為填充物。該材料是以粉煤灰為主料，結(jié)合固化劑、膨脹劑和水進行攪拌后制成的漿狀充填物。填充材料需要具備以下特性：

1) 凝固時間短，要求初凝時間大于1.5 h，在10 h內(nèi)達到完全凝固。

2) 具有膨脹性，膨脹率不得低于0.02。

3) 流動性強，初始流動速度不得低于280 mm/h，平均速度不得低于220 mm/h。

4) 擴展性能強，但是沁水率必須小于0.03。

井下巷式充填工藝的流程如圖3所示，在充填物準備完畢后，井下的充填工作需要和采煤工作相結(jié)合同步進行。充填工藝包括：

圖3 充填工藝流程

1) 充填的循環(huán)方式，使用兩條巷道充填一條巷道的模式。

2) 充填的管道鋪設(shè)，充填主料管道采用強度大的鋼材料，在出料口為了減輕對頂板的壓力同時也方便搬運移動，采用輕型的PE管。

3) 充填的空間封堵，兩側(cè)由預(yù)留煤柱進行封堵，對于前后兩端可以采用強度較高的鋼材料板進行封堵，在充填時由頂板上方注入充填材料以達到封堵效果。

4) 充填程序，在兩條巷道開采完畢后，對第一條巷道進行充填，通過相鄰巷道檢查煤柱的穩(wěn)定性，為之后留設(shè)煤柱提供經(jīng)驗。

3 巷式充填采煤工作面上覆巖層變形規(guī)律模擬

為了研究巷式填充對覆巖層造成的影響，筆者根據(jù)該煤礦的地質(zhì)條件對進行開采作業(yè)后的巖層形變進行了模擬研究。王臺鋪煤礦采區(qū)的巖層共分為26層，首先通過巖層荷載計算公式[4]，得到了關(guān)鍵層1(第1層)、關(guān)鍵層2(第15層)、關(guān)鍵層3(第22層)和主關(guān)鍵層(第25層)。根據(jù)固支梁理論公式，它們的破斷距分別為39.63 m、60.04 m、67.07 m和80.52 m。

根據(jù)上述關(guān)鍵層和層破斷距的數(shù)據(jù)，使用適當材料對該煤礦進行巖層模擬，模型如下圖4所示。

圖4 巖層模擬圖

圖4中白點代表煤柱，6條橫向白線代表6個測線，每條縱向白點代表巷道。在煤柱的上方設(shè)置了壓力傳感器，通過模擬軟件將壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號，輸出應(yīng)力值。將每5條巷道編為一組進行實驗?zāi)M，共4輪。圖5為每輪模擬實驗中巖層應(yīng)力的變化。

圖5 巖層模擬應(yīng)力變化圖

從模擬的巖層應(yīng)力變化圖中可以看出，在支巷開始工作后，其周圍的煤柱產(chǎn)生較大應(yīng)力，但是對于遠距離的煤柱幾乎沒有影響。煤柱的應(yīng)力變化是根據(jù)巷道的工作狀態(tài)分布，隨著巷道的不斷增多，巷道頂板對煤層的壓力越來越大，所以各個煤柱承受的應(yīng)力也隨之增大。但是在巷道挖掘的整個過程中，所有巷道煤柱的應(yīng)力值變化都不大。說明巷式充填開采可以有效緩解巷道煤柱受到的應(yīng)力，達到保護巷道、維持巖層穩(wěn)定的效果。

4 結(jié)語

巷式充填采煤技術(shù)作為一種新興的建筑物下壓煤開采技術(shù)，目前在煤礦的實際開采工作中還未得到廣泛的運用。本文通過對該技術(shù)現(xiàn)場工藝的介紹和開采實驗的模擬，得出了巷式充填采煤技術(shù)有著工藝簡單、開采率高、保持巖層穩(wěn)定和保護地面建筑等優(yōu)點。可以提高了煤礦的使用壽命，節(jié)約了能源消耗，減少了煤礦廢料的排放，實現(xiàn)礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。