錦丘煤礦膏體充填開采技術研究

種化省,陳 曦

(1.滕州郭莊礦業有限責任公司 錦丘煤礦,山東 棗莊 277515; 2.太原理工大學 安全與應急管理工程學院,山西 太原 030024)

目前我國的煤炭開采活動主要采用全部垮落法處理采空區,煤層采空后頂板自然垮落進采空區,將形成大范圍的地表沉陷區,影響地下水系統、地表建筑及交通系統,同時采出的煤矸石會造成環境污染[1-3]。為解決傳統垮落法采煤引起的地表沉陷及環境污染問題,解放“三下”壓覆煤炭資源,我國采礦專家學者研究提出了充填開采技術[4-6]。充填開采技術是將矸石、粉煤灰及膏體等充填材料充填至開采形成的采空區以控制頂板下沉空間。通過充填開采有效控制地表下沉量,提高“三下”壓煤資源回收率,同時可實現矸石不升井,降低矸石山對環境的污染。目前充填采煤技術已成為協調煤炭開采活動與環境保護最有效的技術途徑之一,同時國家能源“十二五”規劃針對煤炭資源的安全高效開發也提出:積極推廣保水開采、充填開采等先進技術,實施采煤沉陷區綜合治理[7]。

本文基于錦丘礦162-1采區地質條件,研究采用膏體充填開采技術控制開采地表沉陷,解放建筑物下煤炭資源壓覆問題。通過理論分析確定地表沉陷的關鍵影響因素和覆巖穩定性判據,利用數值模擬研究膏體充填開采對地表沉陷的控制情況,最終通過地表沉陷觀測驗證技術的應用效果。

1 工程背景

錦丘礦162-1采區位于井田西南部,開采16號煤層,煤層平均厚度1.3 m,采區內可采儲量約117.8萬 t。地表地形平坦,上方有村莊和學校,采區內沒有淺表水體。162-1采區煤炭儲量主要分布于地表建筑物下方,由于煤層可采厚度較小,進行村莊搬遷在經濟效益上不可行,但留設煤柱對于儲量比較貧乏的錦丘煤礦同樣不可行,所以必須進行村莊及建筑物下壓煤開采。同時考慮到礦井的生產技術條件,考慮采用膏體充填開采技術進行建筑物下壓煤開采。

2 充填開采地表沉陷理論分析

不同于傳統垮落法開采,膏體充填開采具有頂板下沉僅出現在采面煤壁前方和支架控頂區的特點,由于膏體充填材料的支承作用限制了采空區頂板的移動下沉空間,頂板巖層的完整性較好,采空區上方僅出現彎曲帶和裂隙帶。因此,可以通過計算采空上方頂板巖層的變形量來預測采用膏體充填開采后地表沉陷數值。

由于采空區上覆巖層的載荷可通過頂板均勻的傳遞于充填體頂界面,因此使用彈性梁的基本假設對膏體充填開采的頂板受力進行分析,建立膏體充填開采頂板受力分析模型如圖1所示。

圖1 膏體充填開采頂板力學分析模型Fig.1 Mechanical analysis model of roof in paste filling mining

2.1 膏體充填開采地表沉陷基本方程

充填開采控制地表沉陷的關鍵是控制采空區上方的直接頂及基本頂,從而控制其上覆直至地表的巖層移動下沉,地表沉陷量是檢驗巖層的控制效果直觀反映。在不考慮巖石碎漲系數時,則頂板巖層的下沉量y與頂板載荷q、充填材料對頂板的支承力p三者之間滿足如下方程。

(1)

式中,E為頂板巖石的彈性模量;I為頂板巖層的慣性矩;y為頂板巖層的下沉量;p為充填材料的支承力;q為頂板承受載荷。

采用充填開采時下位頂板巖層的撓曲方程可表示為:

y=

(2)

式中,M為煤層實際厚度;hm為充填前的頂底板移近量;hq為充填欠接頂量;hy為充填體的壓縮量;q為巖梁載荷;β為特征系數;E為頂板巖梁的彈性模量;y為頂板撓度;kt為充填體對頂板的支承力系數;ε為充填體的壓縮率。

由式(2)可知,y|x=0=Wmax,Wmax為頂板巖層最大下沉值,可表述為:

Wmax=Mc

(3)

式中,Mc為膏體充填開采的計算開采高度,如圖1(b)所示。

2.2 采空區覆巖穩定性判據

在進行膏體充填開采時,假設充填膏體量等于采出煤炭量,則能夠保證采空區上方巖層不發生變形。但在實際充填工作中,受控頂圍巖提前下沉和充填工藝等問題影響,不可能實現完全充填采空空間。因此把充填開采過程當做開采計算采厚的煤層(圖1(b))?；诖?可得出膏體充填開采的覆巖穩定性判據為:

(4)

式中,Mmax為保護地表建筑允許的最大開采高度。

當充填材料充填入采空區內,充填體可為頂板巖層提供支承力,同時減小了頂板下沉空間,進而限制了頂板下沉量,從而控制上覆巖層的運移和降低地表開采沉陷程度。在充填完成后,充填體會在上覆巖層的載荷下發生壓縮變形,充填體的抗變形剛度是影響上覆巖層下沉的關鍵因素。因此,為獲得更好的充填開采控制地表沉陷效果,需重點關注如何減小充填前頂板下沉量和欠接頂空間,以及增大充填體的剛度。

2.3 地表沉陷關鍵影響因素

根據上述可知,所承受載荷、充填欠接頂量、充填前頂板下沉量、充填體的壓縮率是影響膏體充填開采過程中采空區上方頂板巖層下沉量的主要因素。為研究分析4個影響因素對頂板下沉的影響顯著程度,選用對口正交表設計正交方案,然后將方案中的4個影響因素的參數代入式(2)進行計算,然后對計算結果進行極差計算,從而分別確定4個因素對頂板下沉的影響顯著程度。極差數值越大,影響顯著程度越高。各因素同頂板巖層下沉量的極差分析如圖2所示。

由圖2可知,充填前的頂底移近量變化引起的地表下沉量曲線的波動最顯著,表明充填前的頂底移近量是影響地表下沉的主要因素;充填欠接頂量波動幅度次之,為次要因素。因此,在膏體充填開采現場施工過程中,應重視頂板控制工作,提高充填率,減小欠頂空間,保證充填接頂效果。并且需保證充填體的強度及剛度,以快速固結提供支承力,通過膏體充填開采更好的降低地表沉陷。

圖2 影響因素變化同地表下沉的極差分析Fig.2 Range analysis between changes in influence factors and surface subsidence

3 不同欠頂率地表沉陷數值模擬

為驗證膏體充填開采對地表開采沉陷的控制效果,同時研究不同欠頂率對地表沉陷控制效果的影響,構建了膏體充填開采數值模型,分別模擬了不充填、欠頂10%、欠頂20%和欠頂30%共4種條件下地表沉陷情況,模擬結果如圖3所示。

從圖3可以看出,當不充填、采用全部垮落法控制頂板時,采空區上方巖層整體發生下沉位移,開采擾動波及至地表,地表最大下沉量達617 mm;當膏體充填開采的欠頂率達到10%時,采空區頂板下沉空間較小,開采擾動未波及至地表,地表下沉量較小,僅為11 mm;隨著欠頂率的增大至30%,地表下沉量逐漸增至60 mm,表明欠頂率是影響充填開采控制地表沉陷效果的關鍵影響因素,需在充填開采過程中減小欠頂空間。

4 膏體充填開采工藝流程

4.1 采煤工藝

結合162-1采區地質賦存情況及現場生產條件,提出采用高檔普采技術進行煤層開采,通過充填法控制采空區頂板。通過支撤單體柱控頂,最小控頂距為3.95 m(3排單體柱),最大控頂距7.55 m(6排單體柱),單體柱間距為0.85 m,單體柱排距為1.2 m。

(1)落煤。雙滾筒采煤機沿頂板雙向割煤,滾筒截深0.6 m。前滾筒割頂煤,后滾筒割底煤,每循環割1刀。采用斜切進刀方式,進刀長度為30 m。

(2)裝煤。采煤機自行裝煤,刮板輸送機配合裝煤。

(3)運煤。用刮板輸送機運煤,經過轉載機轉運至膠帶輸送機。

(4)支護。通過單體液壓支柱支護頂板。

(5)采空區頂板控制。采用膏體充填法控制采空區頂板。

4.2 充填工藝

完成采煤工藝流程的6個作業循環后,在達到最大控頂距7.55 m時,開始進入膏體充填工藝。

(1)充填準備。采面回采至達到最大控頂距離后,將膏體充填的管道布置在側排和次側排煤柱之間的間隙內,充填模板布置于中間巷道采空區側附近。采用分段回柱填筑方式,根據“見五填二,自下而上”的順序開始填筑,每段的填筑長度為10～15 m。在充填模板外側用單體柱進行固定避免模板傾倒。單體柱的間距不大于0.3 m,初撐力不小于50 kN。每完成1個充填周期,拆卸上一周期的模板和塑料彩布,回收用于下一充填周期。塑料彩布每3個循環進行更換,模板可隨時更換。

圖3 膏體充填開采地表沉陷模擬結果Fig.3 Simulation results of surface subsidence in paste filling mining

(2)檢查準備。進行井上井下的檢查以及聯系確認,保證系統正常和設備完好后,才能開展下一步工作。

(3)管道充水。安排專人查看充填管末端處的出水情況,觀察到出水后報告充填站,充水的目的是潤管,從而降低充填料泵送時的水分流失。

(4)灰漿推水。在泵送充填膏體料漿之前,先用清管器把清潔球裝進充填管道內,再啟動充填泵,清潔球可將清水與料漿隔開,清水經充填管道和排水管道排入礦區沉淀池,當發現清潔球從管道中排出后,通過液壓開關閥控制充填管道把充填料漿充填進模板中。

(5)膏體推灰漿。當計量好的砂漿泵出后,把矸石膏體放入料斗連續泵送。

(6)灰漿推膏體。當泵送充填料漿填充滿模板后,把粉煤灰砂漿放進緩沖斗中,通過粉煤灰砂漿把灰斗內的膏體全部推入充填管道,隔離開后續沖洗水和膏體,避免漿液離析導致堵管。

(7)水推灰漿。模板充填完成后,需要清洗充填管道,避免殘留漿料堵塞管道。因此,應在泵送砂漿前注入清水,并在泵入充料漿后用清水沖洗管道。

(8)工作結束后,報告控制室。

5 地表沉陷情況

為驗證充填開采對地表沉陷的控制效果,采用剖面線狀布站觀測地表沉陷情況。對觀測得到的地表沉陷數據進行整理,如圖4所示。

圖4 地表下沉觀測曲線Fig.4 Observed curves of surface subsidence

從圖4(a)可看出,隨著靠近采空區中心,地表下沉量逐漸增大。G觀測線累計下沉量最大值位于距離切眼480 m處,最大可達95 mm;從圖4(b)可看出,162-102工作面的地表沉陷曲線呈現“V”形,采面兩邊的沉降量較小,采空區中心沉降量較大,T觀測線累計下沉量最大值位于距離切眼493 m處,最大可達96 mm。因此,可以得出,同自然垮落法開采相比,膏體充填開采法能夠較好地緩解開采擾動對地表沉陷的影響。

6 結論

(1)建立了膏體充填開采地表沉陷基本方程,分析了影響地表開采沉陷的關鍵影響因素,確定了覆巖穩定性判據。

(2)構建了膏體充填開采數值模型研究不同欠頂率對地表沉陷量的影響,得出10%欠頂率時地表沉陷量最小,不充填時沉陷量最大。

(3)提出了膏體充填開采工藝,并進行了地表沉陷觀測。觀測數據表明,采用膏體充填后,地表沉陷量較小,開采擾動不會影響地表建筑物。