侯曉飛

(1.潞安化工集團(tuán) 安全管理部,山西 長治 046204;2.潞安化工集團(tuán) 安保服務(wù)公司,山西 長治 046204)

長期以來我國“三下”壓煤(建筑物下、路下、水體下壓覆的煤層)主要采用村莊搬遷、短臂充填、水砂充填和覆巖離層注漿等幾種方式[1]。目前我國“三下”壓煤采出率僅為4%,特別是中厚煤層75%靠村莊搬遷來解決壓煤問題,充填開采試驗(yàn)絕大多數(shù)在小于4 m的煤層中進(jìn)行,采用的是一次采全高并且一次充填煤層全高的采充工藝。

1 礦井概況

山西高河能源有限公司作為潞安化工集團(tuán)主力礦井,長期擔(dān)負(fù)著保供用煤排頭兵的重任,產(chǎn)量持續(xù)高位運(yùn)行,銜接日趨緊張,資源瀕臨枯竭,“三下”壓煤十分嚴(yán)重。若不能有效解決“三下”壓煤開采問題,勢必導(dǎo)致礦井減產(chǎn)。為有效解決此問題,礦井積極探索充填開采工藝,并結(jié)合礦區(qū)地質(zhì)條件,提出了綜合機(jī)械化膏體充填采煤方法。

2 長臂充填開采方法

高河煤礦開采的沁水煤田3號煤層為厚度為6.9 m的穩(wěn)定煤層,埋深平均470 m,煤層近水平賦存,煤層直接頂主要為細(xì)粒砂巖,平均厚度7 m,老頂主要為粉砂巖,平均厚度8 m.有1層泥巖偽頂,厚度0.34 m,底板為粉砂巖—泥巖—粉砂巖—砂質(zhì)泥巖—粉砂巖,厚度為14～15 m.根據(jù)該礦實(shí)際開采條件和壓煤特點(diǎn),提出一次采全高膏體充填采煤方法和分層膏體充填采煤方法兩種回采充填方案。

一次采全高膏體充填采煤方法,即一次性將煤層整個厚度全部采出并進(jìn)行采空區(qū)充填。一次采全高充填前頂板下沉1次,地表沉陷控制較好。但是6 m以上大采高高效隔離膏體充填支架目前尚未開發(fā),且即便開發(fā)成功,其支架穩(wěn)定性和架后充填能否相適應(yīng)尚不確定,安全可靠性較差。

分層膏體充填采煤方法對于厚煤層來說,先充填開采上分層,采用沿空留巷技術(shù)保留回采巷道,充填體作下分層的假頂,待上分層回采完畢,充填體達(dá)到設(shè)計(jì)要求強(qiáng)度后,再充填回采下分層[2],兩種充填開采示意圖見圖1.

圖1 分層膏體充填方法示意(單位:mm)

該礦6.9 m煤層膏體充填回采主要有一次采全高和分層開采兩種方案,兩種開采方案具有不同的技術(shù)特點(diǎn)和要求。

1) 一次采全高全部充填開采技術(shù)。從高河礦目前的生產(chǎn)狀況來看,若采用一次采全高全部充填采煤方法,在充填開采過程中,充填體早期強(qiáng)度要求較分層開采高,后期強(qiáng)度較分層開采強(qiáng)度低,煤炭開采效率高,充填前頂板下沉1次,地表沉陷控制較好。但是,目前國際上尚無6 m厚煤層膏體充填的工程應(yīng)用,需要研發(fā)6 m大采高充填支架、大型高細(xì)破碎機(jī)、大排量充填泵設(shè)備,并且還要更換采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、電氣等配套設(shè)備,研發(fā)成本高,研發(fā)難度大。

2) 分層同采充填開采技術(shù)。膏體充填分層同采開采技術(shù)在國內(nèi)的太平煤礦已經(jīng)應(yīng)用成功。針對高河礦目前的生產(chǎn)情況,若采用分層同采膏體充填技術(shù),可借鑒礦井現(xiàn)有的4 m采高綜采技術(shù),沿用礦用綜采相關(guān)設(shè)備,如采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、電氣等,無需研發(fā)大采高充填支架,節(jié)約開采成本。在充填開采過程中,如果合理控制上下分層開采錯距,減少采動影響,能夠很好控制地表沉陷,有利于企業(yè)的長遠(yuǎn)發(fā)展。

通過以上技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、安全等方面的論述,可知分層同采充填開采技術(shù)在煤炭產(chǎn)能、對地表沉陷控制和節(jié)約生產(chǎn)成本等方面都有很大的優(yōu)勢,且技術(shù)較為成熟,安全性能高,地表建筑的保護(hù)情況良好,因此選擇分層開采充填方案。

3 地表沉陷預(yù)計(jì)

3.1 充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)模型

“三下”充填采煤地表沉陷值估算可以根據(jù)積分概率法,最大地表沉陷值見公式(1):

W0=Mqcosα

(1)

式中:M為等效采高(由充填前頂板下沉量、充填體不接頂量及充填體的壓縮率決定)[2];q為工作面開采后頂板下沉系數(shù);α為煤層傾角。等效采高模型如圖2所示。

根據(jù)充填開采等效采高模型和等效采高的決定因素,得到等效采高的計(jì)算公式:

Mc=(1-B)(hf+hm)+MB

(2)

式中:hm為充填前頂板下沉量,取100 mm;hf為充填欠接頂量,取決于充填條帶兩端隔離擋板的防漏效果,取0;B為充填體的壓縮率,取8%.

綜上所述,充填開采地表沉陷最大值可以用公式(3)表示:

(3)

3.2 充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)選取

高河煤礦充填開采煤層為3號煤層,充填工作面煤層平均厚度為6.9 m,平均埋深210 m(最大埋深為250 m),充填采用膏體充填材料,充填體的壓縮率取8%,充填前頂板的下沉量為0～100 mm.參照上述條件,計(jì)算出等價采高為415 mm,根據(jù)充填開采地表下沉系數(shù)與等價采高的回歸曲線計(jì)算地表下沉系數(shù)為0.04.

3.3 充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)值

在確定3號煤層膏體充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)參數(shù)的基礎(chǔ)上,依據(jù)公式(4)可以得出膏體充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)值。

(4)

式中:r=H/tanβ為主要影響角半徑;tanβ為主要影響角正切值,取2.1;H為采深,取最大值250 m.計(jì)算得r=119.05 m.

W0為地表沉陷值,取256 mm;imax為最大傾斜值,取2.14 mm/m;Kmax為最大曲率,取±2.73×10-5/m;Umax為水平移動值,取66.3 mm;εmax為水平變形量,取±0.846 mm/m.

3.4 地表沉陷預(yù)計(jì)分析

“三下”采煤時地面建筑物的控制效果主要受地面沉陷及建筑物抗采動變形能力影響[3]。根據(jù)《磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級》規(guī)定[4],對于長度不大于20 m的磚混結(jié)構(gòu)建筑物,其允許地表變形值一般為:水平變形ε=±2 mm/m,傾斜i=±3 mm/m, 曲率K=±0.2×10-3/m.如前所述,試采區(qū)域內(nèi)多為村莊,民房長度一般不超20 m,根據(jù)前文充填工作面地表沉陷預(yù)測數(shù)值可知,進(jìn)行綜合機(jī)械化膏體分層充填采煤后,地表構(gòu)建物的變形量在允許范圍內(nèi)。

3.5 工程實(shí)踐

高河礦E1302工作面采用長臂分層膏體充填,充填材料主要由矸石、粉煤灰、膠結(jié)料、水及添加劑組成。工作面充填完畢后,地表最大下沉量為190 mm,最大傾斜變形1.65 mm/m,最大水平變形為0.8 mm/m,工作面上方對應(yīng)的地表建筑物運(yùn)行變形值均控制在規(guī)范要求內(nèi),建筑物均得到了很好的保護(hù),達(dá)到了充填開采的目的。

4 結(jié) 語

1) 為緩解資源枯竭問題,“三下”采煤勢在必行,充填開采可有效緩解礦井接續(xù)。

2) 厚煤層分層充填開采較一次采全高開采地面沉陷小,地面建筑物可有效得到保護(hù),不影響地面建筑物安全和正常使用。

3) 通過建立充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)模型,利用預(yù)測的結(jié)果可以定量地研究受開采影響的巖層與地表移動在時間和空間上的分布規(guī)律,同時判斷“三下”開采的可能性。