建下不規則塊段充填開采技術研究

孟德軍 薛華俊 陳 駿

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

1 概述

楊莊煤礦擬開采區域3642工作面采區地質構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。采區煤柱煤巖層產狀變化較大，總體形態為一向斜構造。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，工作面掘進期間和鄰近工作面回采時受此影響，將會出現大面積突水現象。由于受地質條件影響工作面不能正常布置，屬于建下不規則塊段，故采用巷道充填開采［1-4］。

2 矸石充填巷道方案設計

2.1 矸石充填巷道布置依據

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

2.2 矸石充填巷道兩側煤柱的寬度確定

在保護煤柱中進行充填巷道開挖，會導致在開挖的充填巷道兩側的煤柱中出現應力集中現象，從而造成在充填巷道兩側的煤體周圍形成一個受擾動的塑性區和在被塑性區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，其應力分布規律如圖1 所示［5］。

圖1 保護煤柱和周邊的應力分布規律及應力計算示意圖

保護煤柱因受到其周圍的塑性區的影響，出現了不同程度的垮落和破壞，嚴重時甚至可能產生流變現象，但正是因為煤柱周圍塑性區的存在，反而對中心煤柱起到了一種約束作用，再加上側向壓力對柱核區起著較強的支承作用，這二者在增加柱核區強度方面起到了很大的作用，使柱核區基本不產生塑性變形，而處于一種彈性變形狀態。柱核區內保護煤柱的強度大小表示如下:

其中，σ0為煤體的單軸抗壓強度，MPa;σ3為作用在保護煤柱上的側向壓力大小;tanβ為三向應力系數，且tanβ=，φ 為煤層的內摩擦角。

對于絕大多數煤層來說，tanβ=4，故有:

塑性區寬度為:

其中，σb為煤柱周邊的單軸抗壓強度，MPa;K1為側向支承壓力峰值處的應力集中系數;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:

為了保持煤柱的穩定性，煤體中應保證存在一個穩定的柱核區，故有:

其中，Wp為矸石充填巷道兩側煤柱的寬度，m。

可見，必須保證柱核區的穩定存在，才能控制地表變形在允許的變形范圍之內。

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工作面不規則塊段6號煤層，方案設計的原則如下:1)布設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建筑物保護煤柱范圍內，設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)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。

根據擬充填區域的分布狀況及煤層的開采技術條件分析，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布設方案

3 經濟效益分析

楊莊煤礦3642工作面不規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，為楊莊煤礦增產增效作出了巨大的貢獻。

4 結語

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

［1］惠功領.我國煤礦充填開采技術現狀與發展［J］.煤炭工程，2010(2)：21-23.

［2］郭廣禮，繆協興，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］.煤炭科學技術，2000，28(8)：39-42.

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

［5］劉鋒珍，張 鎮，翟德元.煤礦“三元”潔凈開采技術研究［A］.2010內蒙古煤炭工業科學發展高層論壇文集［C］.內蒙古：中國煤炭經濟研究會，2010：185-194.