多斷層復雜地質條件下條帶充填開采工藝研究

高 鵬，杜超杰，石 騰，邵小平，趙兵朝，李龍清，段明岸

(1.陜西涌鑫礦業有限責任公司 沙梁煤礦，陜西 府谷 719300；2.西安科技大學，陜西 西安 710054)

煤礦開采區域賦存眾多斷層發育的復雜地質構造時，將導致煤層被切割成諸多面積大小不等的非連續區域、斷層處應力分布異常、開采過程可能引起斷層活化[1-4]及誘發沖擊地壓[5-7]等現象，從而對礦井的開采布局、采煤方法選擇、工作面巷道布置及開采工藝造成極大影響。針對復雜地質構造礦井的開采，王波等[8]提出工作面采前針對斷層帶超前工作面300～400 m與 30～50 m采取靜、動壓條件下分步耦合預注漿加固措施；翁明月等[9]指出，采用連采機短壁機械化開采技術可以實現復雜地質條件下破碎頂板邊角煤和不規則塊段的安全高效開采；張俊杰等[10]針對山西石碣峪煤礦多斷層的復雜地質條件，指出采用連采機組短壁機械化開采技術，可實現連采工作面60萬t/a的生產能力；趙慶民等[11]成功實施了復雜地質條件下旋采角度18°、旋轉距離22.608 m的工業性試驗；江小軍[12]針對邢東煤礦的高地應力復雜地質構造，指出采用連采機開采工藝和充填技術，可實現煤炭資源的高效回收。因此，針對復雜地質條件礦井形成的小區域開采范圍，采用短壁工作面配備連采機的開采方式是可行的。此外，學者們近年來也提出采用條帶充填開采方法控制覆巖沉降和解決煤礦不規則小區域塊段的開采。馮國瑞等[13]根據彈性地基理論構建了條帶式結構充填力學模型，認為充填間距越小結構控制體系越穩定，直接頂可充分發揮自承載作用；郭文兵等[14]建立了邊界煤柱、條帶充填體和覆巖組合力學模型，確定了充填寬度和充填間隔；周華強等[15]分析了條帶充填開采孤島煤柱的覆巖活化機理；石斌等[16]分析了逐巷充填開采覆巖移動破壞規律；邵小平等[17]分析了基于合理煤柱留設尺寸的條帶煤柱的長時效應，論證了條帶煤柱前進式充填置換開采的可行性。

綜上所述，針對本文研究的沙梁煤礦井田范圍內斷層十分發育，且延伸出眾多規模不等的次級斷裂構造的復雜地質條件，采用連采機掘采與充填相結合的條帶充填開采技術具備可行性。鑒于條帶充填開采技術在有效控制覆巖沉降[18]、優化礦井開采布局、提高煤層采出率、保護生態環境[19]等方面具有顯著優勢，同時該技術在沙梁煤礦周邊的榆林市榆陽區上河、三臺界、麻黃梁等多個煤礦已取得了成功實踐，因此，針對沙梁煤礦開展條帶充填開采技術研究非常必要。本文重點對沙梁煤礦條帶充填開采參數、采充工藝、充填體接頂保障及檔墻設計等開展深入研究，旨在為沙梁煤礦和類似復雜地質條件煤礦的充填開采提供理論指導，并為沙梁煤礦后期地表建(構)筑物下壓煤開采提供借鑒。

1 礦井概況及開采布置

1.1 礦井概況

沙梁井田位于廟哈孤礦區西北部，行政區劃隸屬于榆林市府谷縣廟溝門鎮賀家梁行政村東窯溝自然村管轄，設計生產能力1.20 Mt/a，服務年限60.6 a。沙梁井田含煤地層沿走向、傾向的產狀有一定變化，根據勘探報告和三維地震勘探結果，井田內當前共發現斷層94條，其中落差大于20 m的斷層有17條。沙梁煤礦主要斷層分布如圖1所示，井田構造形態整體為一向斜式斷陷帶，主要受到井田南北邊緣二條較大的正斷層(F1、F2)控制，其中F1斷層位于井田北部邊界，斷層走向98°～123°，傾向188°～213°，一般傾角65°～70°，局部75°～80°，近直立，斷層落差在70～140 m左右；F2位于井田中南部邊界，斷層走向98°～113°，傾向8°～23°，傾角60°～70°，斷層落差在80～100 m左右。井田斷陷帶內發育規模不等的次級斷裂構造，斷陷帶北部、南部為向西南緩傾斜的單斜構造形態。井田內共有2-2、3-1、4-2、5-1和5-2煤層共5層可采煤層，其中，2-2煤層均厚4.12 m、3-1煤層均厚0.92 m、4-2煤層均厚1.70 m、5-1煤層均厚1.34 m、5-2煤層均厚2.3 m。

圖1 礦區斷層與條帶充填開采區域布置Fig.1 Layout of fault and strip filling mining areas in the mining area

1.2 開采布置

依據初步設計，沙梁井田劃分為兩個水平8個盤區，其中一水平劃分為6個盤區。礦井開采過程揭露了眾多次級斷裂構造，導致井田東部規劃開采的2-2煤層一盤區與3-1煤層二盤區、西部規劃開采的2-2、3-1煤層的五盤區與4-2煤層六盤區受斷層切割與煤層風化影響無法正常開采，因此，礦井將首采盤區布置在F2斷層以南處于平緩區域的三盤區。沙梁煤礦一水平綜采與條帶充填開采區域布置如圖1所示，礦井在三盤區布置了135201—135205共5個綜采工作面，均已開采完畢；接續四盤區為大巷兩翼盤區，受次級斷裂構造影響，僅布置了144201—144203、1(4-1)4201—1(4-1)4205共8個正規綜采面，造成四盤區正規開采區域大幅減少，4-2煤層采出率大幅降低，由此影響了礦井的正常達產與服務年限。通過對礦井一水平斷層賦存產狀與鉆孔柱狀的分析表明，一水平三盤區存在不規則開采區域，四盤區受斷層切割形成了諸多正規工作面推進長度過短，或工作面形狀不規則的區域，這些特殊區域采用條帶充填開采方法具備開采可行性?；诤侠硪巹澆贾?，礦井一水平三盤區可布置條帶充填開采工作面3個、四盤區可布置8個，估算11個工作面可采儲量共計218萬t，可有效保證礦井達產與延長礦井一水平服務年限。

2 條帶充填開采參數及采充工藝

2.1 采帶充填開采參數

2.1.1 條帶充填開采工藝基準類型

條帶充填開采方法自2016年以來在陜北榆陽區十余個淺埋煤層賦存礦井得到了成功實踐，該方法是在基于“保水采煤”的條帶開采方法基礎上發展起來的，本質上是通過工作面窄條帶的掘采，既發揮直接頂的自承載作用，保證直接頂的穩定性，又能將初期留設的條帶煤柱合理置換采出，工作面采出率能達到85%以上。當前陜北煤礦現場應用的條帶充填開采參數主要包括以下三種基準類型：①單倍基準類型，工作面條帶煤柱初始留設寬度為條帶采寬的單倍，第一輪采充完成后，再分奇數與偶數煤柱進行兩輪采充，工作面實體煤經三輪采充完畢；②雙倍基準類型，工作面條帶煤柱初始留設寬度為條帶采寬的2倍，工作面實體煤經三輪采充完畢；③三倍基準類型，工作面條帶煤柱初始留設寬度為條帶采寬的3倍，工作面實體煤經四輪采充完畢。

基于陜北榆陽區十余個淺埋煤層充填開采礦井的地層特征研究與開采實踐表明[20]：當基巖與載荷層厚度之比的基載比JZ<0.8，且基巖厚度與采高之比的基采比JC<9時，由于基巖厚度較薄，覆巖中不易形成結構承載體，覆巖載荷將全部作用于充填體，工作面宜開展高強度充填體的全充填開采，適合采用三倍基準類型；當基載比1.515時，基巖厚度厚，覆巖中存在良好的結構承載體，可承擔部分覆巖載荷，工作面宜開展高強度充填體的局部充填開采，適合采用單倍或雙倍基準類型。

沙梁煤礦一水平三盤區邊角煤和大巷煤柱估算可采儲量33萬t，可將已開采完畢的135204與135201工作面所夾實體煤區域作為條帶充填開采試驗面(C135206工作面)，該區域5-2煤層均厚2.3 m，基巖均厚35 m，松散層均厚25 m，平均埋深60 m，為典型的薄基巖淺埋煤層賦存狀態。C135206異型充填開采工作面的巷道布置如圖2所示。C135206工作面處于基載比JZ<0.8，基采比JC<9的范圍，適合采用三倍基準類型的充填開采參數。

圖2 C135206異型充填開采工作面巷道布置Fig.2 Layout of roadway in C135206 irregular filling mining face

2.1.2 條帶采寬確定

沙梁煤礦C135206工作面直接頂為厚度4 m的粉砂巖，基本頂為厚度9.1 m的中粒砂巖。條帶充填開采應保證工作面開采過程直接頂巖層的穩定性。當工作面直接頂厚度t小于裸露的直接頂巖板中面最小尺寸l=2b的1/8～1/5時，可采用彈性力學薄板理論分析直接頂的穩定性。前蘇聯的加列爾津院士認為，當巖板的厚度t與板的中面最小尺寸滿足t/l≤1/5時，即可用薄板方式處理；而前蘇聯列寧格勒礦業學院科學家A.A.鮑里索夫教授研究認為，當巖板滿足t/l≤1/3時，也可用薄板方式處理[21]。因此，將巖板作為薄板研究的范圍可適當放寬。假定C135206工作面窄條帶開采后裸露的直接頂巖層為一個空間態矩形薄板，薄板邊長為2a×2b，其中，參數2a是一個定量，表示工作面長度；參數2b表示工作面推進長度，是一個變量。5-2煤層按近水平煤層考慮，則直接頂巖層的受力狀態簡化為僅承受垂向載荷的作用。假定直接頂巖板的材質是連續、各相同性且均勻的，則可用彈性薄板小撓度理論來分析薄板在荷載q作用下的應力與形變。直接頂薄板的邊界條件按四周固支設置，建立C135206工作面直接頂板破斷模型如圖3所示。

圖3 C135206工作面直接頂板破斷模型Fig.3 Model of immediate roof fracture in C135206 working face

依據彈性薄板小撓度理論，得到直接頂薄板內沿y軸方向的應力為：

[(x2-a2)2(3y2-b2)+μ(y2-b2)2(3x2-a2)]

(1)

式中，σy為直接頂薄板內任一點沿y軸方向的應力，MPa；q為直接頂巖層承受的均布垂向荷載，MPa；t為薄板的厚度，m；μ為直接頂巖層的泊松比；a為工作面長度的一半，m；b為工作面推進距離的一半，m；x為薄板內沿x方向距薄板中心O的距離，m；y為薄板內沿y方向距薄板中心O的距離，m；z為薄板內距薄板中面的距離，m。

對于直接頂薄板上表面，在x=0，y=±b，z=-t/2處，即在工作面長邊的中點處產生最大拉應力，沿y軸方向，其值為：

工作面窄條帶開采過程中，直接頂薄板上支承端上表面長邊的中點處最早出現拉裂裂隙，即在沿y軸方向上表面最大拉應力作用下，工作面長度方向的中部首先出現拉裂隙。工作面直接頂不發生破斷的判據為直接頂的極限抗拉強度σLt滿足判別式(2)，即：

σLt≤|σmax|

(3)

即滿足表達式：

已知C135206工作面條帶巷道最大長度為144 m，取a=72 m；直接頂厚度取t=4 m；直接頂所受載荷為其自重，取q=96 kPa。依據《沙梁煤礦生產地質報告》提供的煤巖物理力學參數，5-2煤層粉砂巖直接頂的極限抗拉強度均值為1.05 MPa。將各參數代入式(4)，求得b=8.2 m，則C135206工作面直接頂的極限跨距的理論計算值為2b=16.4 m。

考慮充填開采工作面四輪采充過程對直接頂的持續擾動，C135206工作面現場條帶掘采過程，直接頂在每一輪條帶掘采的極限跨距可結合沙梁煤礦周邊礦井的充填開采實際，按極限跨距的1/2～3/5對理論計算值進行折減，則取C135206工作面直接頂現場開采時的極限跨距為8.2～9.84 m。

沙梁煤礦條帶掘采時選用連采機，考慮到連采機的機身寬度為3.3 m，選取工作面條帶采寬為兩倍機身寬度，即取條帶采寬為6.6 m，該采寬取值在直接頂8.2～9.84 m的極限跨距范圍內。按沙梁煤礦充填開采選取的三倍基準參數，C135206工作面采用“采6.6 m留19.8 m”的條帶充填開采參數是適宜的。

2.2 采充工藝

C135206工作面采用三倍基準類型的四輪循環采充工藝。工作面內平行于切眼每26.4 m劃分為一組，每組分四輪開采并充填。采充順序包括順序采充和間隔采充兩種方式，已有的充填開采現場實際表明，順序采充更有利于條帶煤柱的穩定性。C135206工作面四輪順序采充開采工藝如圖4所示，采充順序依次為開采/充填每組A號條帶/采空區→開采/充填每組B號條帶/采空區→開采/充填每組C號條帶/采空區→開采/充填最后一組D號條帶/采空區。

圖4 C135206工作面四輪順序采充工藝Fig.4 Four round sequential mining and filling process for C135206 working face

1)第一輪開采/充填?；谒妮喲h采充工藝，第一輪開采寬度為6.6 m的條帶巷道，留設寬度為條帶采寬3倍的19.8 m的煤柱。連采機由C135206工作面主運巷向輔運巷側掘進標號為A的綠色條帶，并開展條帶巷道頂板支護。條帶巷道掘采完畢后，在巷道頂部布置導氣管與注漿管，在條帶巷道兩側布置擋墻，以滿足充填體接頂與工作面通風的需求。工作面采用后退式連采連充方式完成第一輪A組條帶的開采/充填。

2)第二輪開采/充填。將C135206工作面第一輪采充完成后遺留的19.8 m煤柱等分為三部分，第二輪順序開采緊鄰A號條帶的邊部煤柱，即圖4中標號為B的紅色條帶，同時開展條帶巷道頂板支護。單個條帶巷道掘采完成后實施頂部管道布設和條帶巷道端部擋墻布置，工作面采用連采連充方式完成第二輪B組條帶的開采/充填。

3)第三至第四輪開采/充填。第三輪開采緊鄰B號條帶的標號為C的黑色條帶，第四輪開采緊鄰C號條帶的標號為D的黃色條帶，開采過程同步進行條帶巷道頂板支護?？紤]到多輪采充過程中頂板將受到多次重復采動的影響，第三至第四輪在條帶巷道頂板采用錨索加強支護。第三至第四輪單個條帶掘采完成后實施頂部管道布設和條帶巷道端部擋墻布置，工作面采用連采連充方式分別完成C組和D組條帶的開采/充填。

3 條帶充填開采接頂工藝

C135206工作面開采的5-2煤層為淺埋煤層薄基巖賦存狀態，應保證工作面條帶巷道充填體接頂充分。以C135206工作面條帶巷道最大長度144 m為例，分別在條帶巷道頂部近回風巷側(距巷口30～40 m)、中部及近運輸巷側(距巷口30～40 m)尋找三處高點，作為導氣管由條帶巷道回風巷側引入的終端位置。若條帶巷道頂部平整，難以尋找到合適的高點，則在條帶巷道頂部近回風巷側、中部及近運輸巷側分別開掘深度20 mm的三角形槽口，并將導氣管端口引至槽內。導氣管一般選用直徑為1.5寸的塑料管，條帶巷道每處高點或三角形槽內布設3根導氣管終端，同時沿條帶巷道頂部近回風巷側、中部及近運輸巷側各布設1條注漿管，管道內徑為150 mm，管路借助條帶巷道頂部錨桿捆綁牢固。該接頂工藝保證了C135206工作面規劃的每個條帶內配置3條注漿管路，每條注漿管路配備3條導氣管，從而保證條帶巷道內充填體分布均勻，接頂充分。條帶巷道導氣管與注漿管的接頂工藝布置如圖5所示。

圖5 條帶巷道導氣管與注漿管的接頂工藝布置Fig.5 Layout of roof connection process between roadway gas pipe and grouting pipe

4 充填擋墻設計

4.1 擋墻材質與尺寸

為保證C135206工作面充填過程條帶巷道兩側擋墻良好的封堵效果，采用條形預制塊混凝土砌塊構筑檔墻。砌塊長度60 cm，寬度30 cm，高度20 cm。為加強擋墻的穩定性，對每個需要支設擋墻巷口的頂板與底板進行切槽工作，槽深為100 mm。針對C135206工作面，混凝土砌塊擋墻長度為6.6 m，厚度為30 cm，高度為2.3 m，墻背直立、光滑，充填體面水平。

4.2 擋墻穩定性分析

條帶巷道端頭充填密閉擋墻受力如圖6所示，擋墻所受側壓載荷為：

圖6 條帶巷道端頭充填密閉擋墻受力Fig.6 Force on the end filling and sealing retaining wall of a strip roadway

p=kγh

(5)

式中，p為檔墻的側壓載荷，kN/m；γ為充填體容重，MPa/m；h為充填體高度，m；k為側壓系數。

取膏體充填體容重γ為0.02 MPa/m，一次充填最大高度h為2.3 m，側壓系數k為0.6，求得擋墻最大側壓力為27.6 kN/m。

擋墻上下有頂底板約束，墻體按固定端考慮取L=2.3 m。依據《建筑結構靜力計算手冊》，計算充填漿體以三角形側向壓力作用下的內力分別為：

混凝土磚塊墻體長×寬×高=600 mm×300 mm×200 mm，擋墻受彎、受剪承載力應滿足：

MA≤ftmW

(6)

VA≤fvbz

(7)

式中，W為截面抵抗距，m3；b為單位寬度，m；z為截面內力臂，m。據《砌體結構設計規范》，取砌體沿齒縫彎曲抗拉強度設計值ftm=0.5 MPa，抗剪強度設計值fv=0.15 MPa。

取1 m寬墻體計算單元且按矩形截面計算，取t為檔墻厚度，則計算檔墻的各項參數為：

砌塊檔墻受彎承載力：ftmW=7.5 kN·m≥5.52 kN·m。

砌塊檔墻受剪承載力；fvbz=30 kN≥19.32 kN。

計算表明，C135206工作面所選混凝土砌塊擋墻的受彎、受剪承載力，在充填體一次性充填高度不大于2.3 m時滿足式(6)與式(7)，表明所選混凝土砌塊檔墻是適宜的。

5 結 論

1)沙梁煤礦處于F1、F2兩條大斷層控制下的斷陷帶內發育有規模不等的次級斷裂構造的復雜地質條件，采用條帶充填開采方法為礦井優化開采布局，提升礦井采出率提供了一種嶄新思路。

2)C135206條帶充填開采試驗工作面處于基載比JZ<0.8、基采比JC<9的范圍，采用連采機開采的“采6.6 m留19.8 m”的三倍基準類型四輪采充工藝是適宜的。

3)C135206工作面條帶巷道采用多通道導氣管加注漿管的接頂工藝保證了充填體接頂充分，采用一次充填高度不超過2.3 m的條形預制塊混凝土砌塊檔墻能夠保證擋墻良好的穩定性。