建筑群下構造帶傾斜條帶充填開采實踐

汪華君，陳善樂,2

(1.畢節學院資源與安全工程學院， 貴州 畢節市 551700；2.遼寧工程技術大學安全科學與工程學院， 遼寧 阜新市 123000)

南下冶煤礦開采煤層可采煤量82.9%位于村莊建筑物下，傳統條帶開采損失大量煤炭資源，影響礦井可持續發展與服務年限。為提高回采率，降低經濟損失，進行了充填條帶開采技術的探索與實踐。

1 開采條件概況

1.1 煤層條件

南下冶煤礦主采煤層為3、4、19煤層，基礎儲量340.3萬t。3、4煤層間距11.6 m，4、19煤層間距187.9 m。其中3、4煤層為薄煤層，平均煤層厚度分別為0.9,0.89 m，19煤層為中厚煤層，平均厚度為2.02 m。煤層總體構造形態為一走向105°～285°左右，傾向15°，傾角20°～25°，平均22°的單斜構造，煤層傾角平均24°。

1.2 地質構造情況

斷裂構造比較發育，落差10 m以上的斷層計22條，均為正斷層。其中一采區主要斷層的產狀、落差詳見表1。

表1 南下冶煤礦一采區斷層

1.3 地面建筑情況

井田范圍內地面村莊稠密，建筑主要為住宅樓、學校和村莊民房等。基礎儲量中村莊等建筑物下壓煤總量占82.9%，因此初步設計可采儲量僅為154.3萬t。其中一采區上西溝新村，共有5層住宅樓7座，長度均超過20 m，占地面積約19000 m2，人口1500人；學校占地面積約33000 m2，有3層樓4座，4層樓2座，長度均超過20 m；另一壓煤村莊顏莊村人口3100人左右，建筑有沿街樓和民房，其中沿街樓為2層，大約40余座，長度均小于20 m；民房均為磚瓦結構，約計8萬m2。

2 傾斜條帶充填開采方案

依據煤礦實際回采區域、開采情況以及井上下相對位置關系，結合該區域的實際地層結構，按照國家煤炭工業局制定的《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》(以下簡稱“三下”規程)的規定，參照長壁開采條件下地表移動與變形預計方法-概率積分法對南下冶煤礦地下開采引起的地表移動變形進行計算[1-6]。

計算參數參考臨近礦井南冶煤礦、潘西煤礦，結合本區的具體覆巖巖性、地質采礦條件和開采方法及采空區處理方法，分別對以下3種情況進行地表移動與變形預測：

(1) 3、4煤層垮落法開采時地表變形量；

(2) 3煤層垮落法開采，4煤層充填條帶開采時地表變形量；

(3) 3、4煤層全部充填條帶開采時地表變形預計。

參數選擇見表2～表4，計算變形指標主要有：地表下沉、地表水平變形、地表傾斜、地表水平移動。計算結果見表5。

從表2～表5分析可知，3、4煤層全垮落法開采后，走向方向傾斜變形、傾向方向地表水平變形和傾斜變形值都超過了破壞等級III級；全垮落法開采3煤層、充填開采4煤層后，地表變形預計傾向方向地表水平變形和傾斜變形值都超過了破壞等級II級；充填法開采3、4煤層后，地表移動變形預計每個指標都小于破壞等級I級的指標，地表變形控制程度較好。

為保護地表建筑物，同時提高煤炭回采率，確定采用充填法開采3、4層煤炭。

城市燃氣即是指天然氣，主要是通過城市燃氣官網進行輸送，結合相關調查研究來看，輕微的燃氣泄露并不會帶來負面影響，但當其燃氣泄露的濃度超過15%之后，就會對人體造成危害，具體表現為因缺氧引起的中樞神經損害，進而出現昏迷或是死亡。同時，燃氣易燃易爆炸的特性使得其燃氣泄露成為城市火災的主要引發原因之一。此外，燃氣泄露還會對大氣環境造成一定的污染。

表2 3、4煤層全跨落地表移動與變形計算參數

注：q-煤層開采下沉系數；tgβ-影響角正切；b-水平移動系數；θ-開采影響傳播角；S—拐點平移距。

表3 3煤層全跨落開采、4煤層充填開采地表移動與變形計算參數

表4 3、4煤層充填開采地表移動與變形計算參數

3 充填條帶開采方案設計[7-9]

3.1 工作面布置及回采順序

根據地質資料和以往開采資料及經驗，3、4煤層的直接頂為穩定的粉砂巖或中砂巖，不易垮落，初跨距離達到25～30 m。因此，回采條帶寬度最佳寬度為15～20 m，采區條帶劃分見圖1。工作面走向布置，長度60 m，回采方法和普通垮落法相同。在一個條帶采完后，撤出設備，進入相隔條帶回采，留下的空區隨后充填。待已采的兩側條帶空區充填完畢并固化后，再采所留條帶，隨后充填空區。開采順序為先依次回采Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ條帶，充填完成后，再依次回采Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ條帶。

3.2 充填工藝設計

為保證條帶回采第二個循環(兩個充填條帶之間的條帶)回采安全，第一次條帶采空區充填的強度要高一些。參照以往礦山充填經驗，充填體強度可取2.0 MPa左右。第二次條帶采空區充填的強度可以低一些，只要達到固化要求就行，可取0.3～0.5 MPa。

表5 不同開采方案地表移動變形預計

圖1 條帶采充工序

充填條帶開采關鍵技術是條帶回采之后的空區頂板保護，特別是下部擋墻和上部充填口附近的頂板保護要解決好，否則將造成充填的困難，影響充填接頂。因此，在回采過程中，隨著工作面的前移，采用粉煤灰加氣混凝土砌塊砌筑上下擋墻，加強和維護上下擋墻附近的頂板。設計下部擋墻寬0.9 m，上部擋墻0.6 m。上部擋墻留出充填口，下部擋墻預埋排水管(見圖2、圖3)。

充填之前，采空區可能局部冒落。考慮到煤層傾角達到24°，直接頂4～5 m，只要上下擋墻砌筑及時保證質量，配合進風回風巷已有的維護措施，充填口近距離內不會發生大的冒落，可以保證充分接頂。

為保證濾水效果，在工作面推進過程中，間隔4～5 m預置一根濾水管。

3.3 充填材料選擇

充填主料：利用井下所產矸石(廢石)和當地粉煤灰。其中矸石料與粉煤灰所占比例為2∶1。矸石(廢石)加工后粒度不大于10 mm，小于5 mm的粒度應占50%以上。

充填輔料：減水劑。

膠結材料：高水速凝型膠固料。

圖2 條帶采空區充填

圖3 充填擋墻設計

3.4 充填體強度試驗

料漿固化強度試驗采用建筑材料試驗標準，試塊尺寸7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm，在標準養護室養護。試驗齡期分3,7,28 d三種。選取試塊脫模質量和試驗結果較好的3塊試驗結果進行計算，各種配比和齡期的強度值見表6。

表6中的“粉石比”指粉煤灰與碎石之比，濃度為質量百分比。考慮到破碎成本問題，試驗主要采用粗粒碎石，也給出了部分細粒碎石的試驗結果。

由表6可見，采用2號膠固料，灰料比1∶10，粉煤灰與碎石之比1∶2，料漿28 d的固化強度即超過3.0 MPa，滿足前期條帶空區充填要求。對于后期空區充填，采用1∶40的灰料比強度即達到0.38 MPa，完全滿足要求。

3.5 分布充填工藝設計

(1) 第一步回采的條帶充填料配比及充填體強度。根據采煤工藝要求，回采時采用條帶式二步開采法，第一步對劃分的采煤條帶進行間隔式回采，嗣后進行一次性充填。該條帶充填后，對第二步回采相鄰條帶時要起支撐作用，參照冶金礦山充填經驗[1]，充填體強度取2.0 MPa左右。

充填料配比為充填主料：高水速凝型膠固料=10∶1。充填輔料減水劑根據情況適當加人，應控制在高水速凝型膠固料用量的0.2%～0.5%。

表6 2號膠固料試塊抗壓強度試驗結果

(2) 第二步回采的條帶充填料配比及充填體強度。第二步對剩下條帶回采后，對空區進行一次性充填，充填體的強度可以低一些，只要達到固化要求就行，可取0.2～0.4 MPa。充填料配比為充填主料：高水速凝型膠固料=30∶1～40∶1。充填輔料減水劑根據情況適當加人，應控制在高水速凝型膠固料用量的0.2%～0.5%。

3.6 地表移動觀測站設置

為了掌握一采區各煤層回采工作面開采引起的地表移動變形的基本規律，監測開采對地面村莊房屋的影響情況，在一采區開采過程中，沿近工作面走向和傾斜方向，在村莊公路和205國道上布置觀測線，并根據設計工作面的布置情況及開采順序，分別在開采影響村莊內，尤其在一些主要建筑物上，布置監測點，嚴格按照《煤礦測量規程》的基本要求，定期進行觀測和監測，及時分析觀測資料。

4 結 論

(1) 條帶充填開采應用效果明顯。對覆巖破壞較小，只引起開裂性破壞而無冒落性破壞，地表移動變形監測表明，3煤層使用條帶開采后，地表最大下沉值為50 mm，地表磚混結構建筑物無開裂破壞現象，地表變形控制程度較好。

(2) 該技術應用后，無地面建筑、人員搬遷，減少民、企之間的社會矛盾，較好地維護了礦區社會穩定；

(3) 減少了地面矸石的堆放量，實現了“綠色開采”，保護了礦區生態環境；

(4) 延長了礦井服務期，可多采煤20.41萬t,提高了煤炭資源回采率，直接經濟效益達3212.53萬元，總體經濟效益達1.38億元。

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