建下不規(guī)則塊段充填開采技術(shù)研究

孟德軍 薛華俊 陳 駿

(1.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)力學(xué)與建筑工程學(xué)院，北京 100083;2.淮北礦業(yè)(集團(tuán))有限公司楊莊煤礦，安徽淮北 235025)

1 概述

楊莊煤礦擬開采區(qū)域3642工作面采區(qū)地質(zhì)構(gòu)造主要以褶曲和巖漿巖侵入為主，斷層以及古河床沖刷影響次之。采區(qū)煤柱煤巖層產(chǎn)狀變化較大，總體形態(tài)為一向斜構(gòu)造。煤層含水組總體而言富水性較弱，但因塊段中東部受河床沖刷影響，正常的煤層被砂巖含水層所取代，工作面掘進(jìn)期間和鄰近工作面回采時受此影響，將會出現(xiàn)大面積突水現(xiàn)象。由于受地質(zhì)條件影響工作面不能正常布置，屬于建下不規(guī)則塊段，故采用巷道充填開采［1-4］。

2 矸石充填巷道方案設(shè)計

2.1 矸石充填巷道布置依據(jù)

通過長期的現(xiàn)場實踐經(jīng)驗和豐富的理論分析，井下巷道在開挖掘進(jìn)過程中，因為矸石充填，在開挖巷道兩側(cè)會出現(xiàn)應(yīng)力疊加集中的現(xiàn)象，所以要求巷道開挖矸石充填區(qū)掘進(jìn)過程中，為防止充填巷道與相鄰充填巷道之間因側(cè)向支承壓力的影響而造成充填巷道變形或破壞現(xiàn)象的發(fā)生，必須重點分析研究確定充填巷道開挖后的側(cè)向支承壓力的分布規(guī)律，從而來確定相鄰充填開采巷道的開始掘進(jìn)方向和順序，避免危險事故的發(fā)生。

2.2 矸石充填巷道兩側(cè)煤柱的寬度確定

在保護(hù)煤柱中進(jìn)行充填巷道開挖，會導(dǎo)致在開挖的充填巷道兩側(cè)的煤柱中出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，從而造成在充填巷道兩側(cè)的煤體周圍形成一個受擾動的塑性區(qū)和在被塑性區(qū)包圍的煤柱中間部位形成一個相比之下未受擾動的柱核區(qū)，其應(yīng)力分布規(guī)律如圖1 所示［5］。

圖1 保護(hù)煤柱和周邊的應(yīng)力分布規(guī)律及應(yīng)力計算示意圖

保護(hù)煤柱因受到其周圍的塑性區(qū)的影響，出現(xiàn)了不同程度的垮落和破壞，嚴(yán)重時甚至可能產(chǎn)生流變現(xiàn)象，但正是因為煤柱周圍塑性區(qū)的存在，反而對中心煤柱起到了一種約束作用，再加上側(cè)向壓力對柱核區(qū)起著較強(qiáng)的支承作用，這二者在增加柱核區(qū)強(qiáng)度方面起到了很大的作用，使柱核區(qū)基本不產(chǎn)生塑性變形，而處于一種彈性變形狀態(tài)。柱核區(qū)內(nèi)保護(hù)煤柱的強(qiáng)度大小表示如下:

其中，σ0為煤體的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa;σ3為作用在保護(hù)煤柱上的側(cè)向壓力大小;tanβ為三向應(yīng)力系數(shù)，且tanβ=，φ 為煤層的內(nèi)摩擦角。

對于絕大多數(shù)煤層來說，tanβ=4，故有:

塑性區(qū)寬度為:

其中，σb為煤柱周邊的單軸抗壓強(qiáng)度，MPa;K1為側(cè)向支承壓力峰值處的應(yīng)力集中系數(shù);γ為上覆巖層的平均容重，kN/m3;h為上覆巖層到地表的厚度，m;H為煤層厚度，m。

當(dāng)K1=4時，式(1)可簡化為:

由于σb的值一般比較小，這里為了方便，可取σb=7 MPa，則式(2)又可近似地表示為:

為了保持煤柱的穩(wěn)定性，煤體中應(yīng)保證存在一個穩(wěn)定的柱核區(qū)，故有:

其中，Wp為矸石充填巷道兩側(cè)煤柱的寬度，m。

可見，必須保證柱核區(qū)的穩(wěn)定存在，才能控制地表變形在允許的變形范圍之內(nèi)。

故確定采5 m留5 m煤柱的充填方案，是符合要求的。

2.3 充填方案巷道布置

本次擬充填開采3642工作面不規(guī)則塊段6號煤層，方案設(shè)計的原則如下:1)布設(shè)工作面方向盡量沿著底板煤層等高線的走向方向布置;2)由于開采工作面位于城鎮(zhèn)建筑物保護(hù)煤柱范圍內(nèi)，設(shè)計要求工作面開采后，盡量減小地表移動和變形對村莊建(構(gòu))筑物的影響;3)在滿足地表移動和變形要求的前提下，盡可能延長工作面走向方向長度，盡可能提高面積采出率。

根據(jù)擬充填區(qū)域的分布狀況及煤層的開采技術(shù)條件分析，該塊段煤層的埋藏深度在400 m左右，煤層平均厚度2.8 m，又根據(jù)我國煤礦的多年探索，提出楊莊煤礦3642工作面建筑物下采煤的方案，如圖2所示。

圖2 3642采面巷道充填開采系統(tǒng)布設(shè)方案

3 經(jīng)濟(jì)效益分析

楊莊煤礦3642工作面不規(guī)則塊段矸石充填巷道一期工程新掘充填巷道2862 m，填充矸石量約4.08×104m3，不僅節(jié)省了因提升、運輸和處理井下矸石造成的大量費用，而且為楊莊煤礦置換出呆滯煤量近4萬t，為楊莊煤礦增產(chǎn)增效作出了巨大的貢獻(xiàn)。

4 結(jié)語

楊莊煤礦不規(guī)則塊段矸石充填工程，為楊莊煤礦貢獻(xiàn)了近4萬t的寶貴煤炭資源，也為復(fù)雜地質(zhì)條件下煤炭開采積累了豐富的經(jīng)驗。巷道矸石填充，不僅節(jié)省了提升、運輸和處理矸石的費用，減輕了矸石山造成的環(huán)境污染和次生災(zāi)害，變廢為利，為楊莊煤礦綠色安全可持續(xù)開采作出了重要的貢獻(xiàn)。

［1］惠功領(lǐng).我國煤礦充填開采技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展［J］.煤炭工程，2010(2)：21-23.

［2］郭廣禮，繆協(xié)興，查劍鋒，等.長壁工作面矸石充填開采沉陷控制效果的初步分析［J］.中國科技論文在線，2008，3(11)：805-809.

［3］李鳳明.注漿充填開采村莊下厚、中厚煤層的可行性［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2000，28(8)：39-42.

［4］佟 強(qiáng).綜采工作面矸石充填開采技術(shù)研究及應(yīng)用［J］.煤炭工程，2010(12)：40-42.

［5］劉鋒珍，張 鎮(zhèn)，翟德元.煤礦“三元”潔凈開采技術(shù)研究［A］.2010內(nèi)蒙古煤炭工業(yè)科學(xué)發(fā)展高層論壇文集［C］.內(nèi)蒙古：中國煤炭經(jīng)濟(jì)研究會，2010：185-194.