綜放工作面膏體充填條帶開采研究

2013-11-19 01:50:14朱萌萌梁嘯塵

采礦技術 2013年6期

朱萌萌，梁嘯塵，任禹，張恒

(1.安徽理工大學采礦工程系，安徽淮南市 232001;2.山東省新汶礦業集團水簾洞煤礦，陜西咸陽市 712000)

隨著煤礦開采深度逐步轉向增大，淺部煤層多為“三下”(建筑物下、鐵路下、水體下)壓煤及留設的煤柱。利用條帶開采與充填相結合的方法可解決壓煤的問題。條帶充填時，充填材料能夠及時減小頂板巖層的自由活動空間，降低覆巖下沉變形量，可以減小開采對地表沉陷的影響［1-2］，保證建筑物安全，同時可為企業創造一定的經濟效益。

1 開采地質條件

某礦開采3煤層，煤層厚度6.5～7.3 m，平均6.8 m;煤層傾角5°～10°。煤層底板標高為－260～－380 m，煤層埋深300～420 m，壓煤面積大。2811工作面采用綜放開采，直接頂以粉砂巖為主，平均厚度2.04 m，次為泥巖，平均厚2.54 m，直接底以泥巖為主，平均厚1.45 m，次為粉砂巖和細砂巖。

2 條帶充填開采技術分析

2.1 合理滯留煤柱尺寸

條帶開采后，煤柱處于相對分割的狀態，在頂板的壓力下，承受來自頂板的壓力，在其邊緣遭受破壞后會形成一定范圍的“屈服區”，如圖1所示。

煤柱中央部分相對穩定、承載的區域稱為“核區”S［3］。而只有保留煤柱寬度在屈服帶寬度的兩倍以上時，就會存在核區。

式中:m—開采厚度，m;

H—開采深度，m。

圖1 煤柱合理承載寬度計算原理

2811工作面埋深H為390 m，開采厚度m為2.0m時，安全的窄煤柱寬度應大于7.65 m;開采厚度為3.4 m時，安全的窄煤柱寬度應大于12.99 m;開采厚度為4.0 m時，安全的窄煤柱寬度應大于15.28 m;開采厚度為7.0 m時，安全的窄煤柱寬度應大于26.76 m。

由于待回收的條帶遺留煤柱寬度為約60 m，掘巷期間的煤柱最小寬度為44 m，開采寬度較大，均大于安全開采寬度，且開掘兩側回采巷道后中間煤柱的寬度仍然大于安全開采寬度，因此遺留的條帶煤柱穩定性較好，可進行開采。

2.2 充填體承受載荷計算

滯留條帶煤柱開采后，按照采空區上覆巖層重力全部轉移到充填體上，并與之共同形成一個“頂板－充填體－底板”圍巖穩定體系［4－5］。充填體所受載荷計算模型見圖2，圖中陰影部分即為煤柱承受上覆巖層重力的計算范圍。

對于圖2(a)，充填體承擔其正上方及其兩側各一半采空區上的巖層重力。對于圖2(b)、(c)，充填體承擔其正上方及其兩側各一部分采空區上的巖層重力。其中，圖2(b)稱為超臨界狀態，圖2(c)稱為亞臨界狀態。一般認為，當We/H＞2tanθ或We＞0.6H，為超臨界狀態;當 We/H ＜2tanθ或 We＜0.6 H，為亞臨界狀態。

對于圖2(a)所示最危險狀態，載荷計算式為:

式中，γ——煤柱上覆巖層平均容重，取 0.025 MPa/m;

H——平均采深，取380 m;

圖2 充填體受載計算模型

We——煤層采出條帶寬度，取50 m;

Wp——條帶煤柱寬度，取60 m。

對于圖2(b)所示超臨界狀態，載荷計算式為:

對于圖2(c)所示亞臨界狀態，載荷計算式為:

滯留煤柱充填開采后，按照采空區上覆巖層重力全部轉移到充填體，充填體承擔其上方及其兩側各一半的采空區上的巖層重力。此狀態承受載荷最大，也最為危險狀態。此狀態充填體所受載荷計算式為:

代入數據，可得危險狀態下充填體所受載荷17.4 MPa，超過承載能力后，充填體會被破壞。

2.3 充填體容許載荷計算

膏體充填開采后，充填體處于單向受力狀態。理論上，單軸應力狀態下的煤體容許強度［σ］的計算公式有4種［6］:分別是 Obert－Kwvall/Wang公式(適用于寬高比為1～8的煤柱)、Holland公式(適用于寬高比為2～8的煤柱)、Salamon－Mnuro公式以及Bienia wski公式。

由Bienia wski公式可知，滯留條帶煤柱開采后，充填體容許強度［σ］的可由下式計算:

w/h——煤柱寬高比;

n當 w/h＞5時取1.4。

根據2811工作面條件，膏體充填工作面寬度為48 m，采高為6.4 m 計算，w/h=7.5 ＞5，n 取1.4，參照條帶煤柱強度穩定性評價方法［7］，所以充填體容許強度計算公式為:

按照Bienia wski計算式，代入1312工作面充填開采條件參數，即煤層埋深平均390 m，厚度平均3.2m，煤柱寬度為60 m，充填體最小寬度44 m，按照保守估計取1312工作面左右兩側采空區寬度50 m，得出充填開采時充填材料的28 d強度大于2.0 MPa即可實現充填體的長期穩定，此時安全系數達到3.0。

3 膏體配比及強度試驗

3.1 膏體材料的抗壓強度

選用合理的矸石破碎設備，使得矸石的破碎粒徑小于10 mm，其中小于4.75 mm顆粒含量占80%以上，80 μm以下的顆粒含大于15%，根據膏體輸送性能及充填體強度設計要求，破碎的矸石中細粒度物料可取代粉煤灰做集料，所以只需將破碎的煤矸石、膠凝結料和水按比例混合攪拌即可得到合格的充填膏體。

圖3(a)、(b)分別是膏體膠結料和在普通水泥不同用量的條件下煤矸石膏體充填材料強度實驗結果。膏體膠結料的摻量在120～240 kg/m3之間，普通水泥的摻量在240～400 kg/m3之間，摻量越大，充填材料各齡期抗壓強度越高。對比膏體膠結料與普通水泥作為膠凝材料的膏體強度，兩者用量相同時(240 kg/m3)，膏體膠結料8 h強度達到0.10 MPa以上，普通水泥8 h無法拆模，無強度，而膏體膠結料的28 d強度是普通水泥的2.09倍，達到了8.39 MPa。再比較兩者的各齡期強度，膏體膠結料用量在普通水泥一般的情況下即達到了與普通水泥膏體材料相同的強度。

圖3 各材料用量與充填材料抗壓強度關系

3.2 煤矸石膏體材料的應力－應變特征

圖4是不同膏體膠結料用量下的試件28 d單軸應力－應變曲線。試件的一般破壞機理可以概括為:首先是粗骨料和膠結材料的界面及膠結材料的內部形成微裂紋;應力增大后，微裂紋逐漸的延伸和擴展，并連通成宏觀裂紋，試件承載力大大下降［8］。從圖4的應力應變曲線可以看出，試件具有良好的彈性變形能力，煤矸石膏體材料破壞前的變形很小，不超過2%，壓縮率不大于3%。

為保證充填體抗壓強度能滿足工程需要，相應的配比為:膏體膠結料200～250 kg/m3;煤矸石1100～1300 kg/m3;煤礦井水400～420 kg/m3。