埠村礦承壓水上充填復采條帶煤柱試驗研究＊

楊 平 朱衛兵 陳 夢

（1.山東能源淄博礦業集團埠村煤礦，山東省濟南市，250215；2.中國礦業大學礦業學院，江蘇省徐州市，221116）

埠村煤礦近10年來一直以傾向小條帶開采方法解放建筑物下及承壓水上壓煤，受資源枯竭影響，礦井產量逐年減少，如何進一步提高礦井煤炭資源回收率、延長礦井服務年限是該礦亟待解決的核心問題。鑒于充填開采技術特點及在煤礦領域中的推廣應用前景，淄博礦業集團曾從理論上探討了埠村煤礦911采區高水材料充填置換開采承壓水上條帶煤柱的可行性，并確定采用傾向間隔部分充填開采方法。本文通過充填復采實踐對采動底板破壞深度和地表沉陷影響進行了監測，以期掌握911采區建筑物下及底板承壓含水層上高水材料充填置換開采條帶煤柱的實際效果，為該礦充填復采技術的進一步推廣應用提供參考。

1 工作面概況

埠村煤礦911采區位于-390m 水平，為主采9-1＃煤層的首采區。該采區走向長260～1430m、傾斜寬400～780m，煤層厚度1.0～1.5m、平均1.3m，煤層傾角5°～14°、平均9.5°，煤層埋深345～480m。9-1＃煤層直接頂為厚度1.74m 的石灰巖，老頂為厚度6.64m 的砂質頁巖；底板有徐灰、奧灰含水層，富含高承壓巖溶裂隙水。其中，徐灰厚8.88～27.84m，平均13.88m，上距9-1＃煤層47.34～65.23 m，平均58.25 m。徐灰單孔涌水量2.8～246 m3／h，徐灰水壓力為3.0～4.0 MPa。據911采區水文補勘、物探和鉆探資料綜合分析，徐灰總體富水性較強，水力聯系好，并接受奧灰水垂直越流補給。

圖1 911采區右翼條帶開采情況

圖2 9111工作面間隔二次充填復采條帶煤柱

911采區原先采用走向條帶開采方案，設計條帶采寬和留寬均為40m。當911采區左翼的9110首采工作面推進至32m 時，工作面發生老頂初次來壓， 同時出現底板突水， 涌水量達到331.2m3／h。為了防止底板徐灰奧灰突水，此后911采區兩翼均改為傾向小條帶開采，工作面面長為80～180m，走向條帶采出寬度為6～20m，走向留設條帶煤柱寬度為10～25m，采出率34.2%。911采區右翼的9111、9113下、9113上以及9115下工作面均采用采15m、留15m 的條帶開采方案，9115上工作面則采用采20m、留20m 的條帶開采方案。實際開采情況見圖1，其中9111 工作面走向長621m，傾斜寬110 m。為提高煤炭采出率，延長礦井服務年限，2011年首先在9111工作面進行了高水材料間隔二次充填置換開采實踐，見圖2。該方案的總體思路是先充后采、采充分離，即首先對已采出的條帶采空區實施開放自流式一次充填，使即將回采的工作面和鄰近工作面所有條帶老采空區充實；待條帶采空區內充填體的強度達到2.2 MPa以上，再間隔回采條帶煤柱，每采完一個條帶煤柱后對其采空區及時進行充填；最后再依次回采工作面內遺留的條帶煤柱，此時不用充填。

2 承壓水上充填復采條帶煤柱對底板破壞深度的影響

以往對9113上和9115下工作面進行的條帶開采底板破壞深度實測結果表明，該采區條帶開采后的底板破壞深度為5～10m。高水材料充填復采承壓水上條帶煤柱后，如果采動底板破壞深度繼續增大，則有效的隔水層厚度將進一步減小，從而增加底板突水危險；如果采動底板破壞深度未能增大，則將有利于減少底板突水危險。為此，采用FLAC有限元模擬軟件對9111工作面充填復采條帶煤柱對底板破壞深度的影響進行了數值模擬研究。

根據埠村煤礦9111工作面地質資料，建立對應的二維計算模型。該模型長度400 m，高度200m，其中，底板深度50m。在模型頂界面設置6.5 MPa的均布載荷，模擬的埋深條件約480 m，模型中9-1＃煤層厚度1.3 m，模型兩側及底部邊界為位移約束。模擬分為3步進行：第一步進行采15m、留20m 的條帶開采；第二步對第一步中的條帶采空區進行高水材料充填；第三步對條帶煤柱回收后進行間隔二次充填。

從模擬結果可知，當9111 工作面采用采15m、留20m 條帶開采方案之后，圍巖破壞范圍較小，僅在底板形成了8 m 的塑性破壞區，即底板破壞深度為8m，與實測結果基本一致。而在條帶開采的基礎上進行間隔二次充填置換開采后，雖然底板塑性破壞的區域范圍在原條帶開采的基礎上有所增加，但是底板破壞深度沒有繼續增大，仍為8m，即底板隔水層的厚度并沒有隨開采程度的增加而減小。由此可知，9111 工作面若采用高水材料間隔二次充填置換開采，將有利于底板承壓水上安全回采。

3 工程實踐

3.1 充填系統與充填工藝

9111工作面承壓水上充填復采條帶煤柱采用的高水材料以粉煤灰和水為主料，配以水泥、石灰、石膏、鋁養熟料、膨脹劑等輔料，充填成漿固液重量比為1∶1.2。其中，粉煤灰由該礦周邊15km之內的幾家大型電廠及熱電廠提供。經試驗測定，該高水材料具備在一定時間內不凝固、流動性好、不堵管、固結時間短、強度高等優點，8h后料漿能從液體完全變為固體，抗壓強度達到1.0～2.2 MPa。

地面制漿站選擇在埠村煤礦西區工業廣場，高水充填材料經輸料鉆孔由地面輸送至-260 m 大巷，再經-260m 大巷、九十行總回風巷、采區軌道上山至采區待充填工作面，充填能力可達1000 m3／d。

3.2 條帶煤柱回收與充填效果

自2011年6月至2012年2月期間，對911采區右翼深部的9111、9113下工作面條帶采空區進行了一次充填。9111、9113下工作面原條帶采空區體積約25411m3，高水材料一次充填量為25079m3，充填率達到98.7%，表明原條帶冒落區基本上已被注實。在9111工作面回采巷道內進行了充填體鉆孔注水試驗 （鉆孔位置見圖2），鉆孔深度達20m以上，直至揭露頂板灰巖為止，試驗過程中在1.5 MPa壓力下充填體不進水，表明充填體自身以及充填體與頂板之間均無明顯的離層、裂隙，說明采空區充填較為密實。

9111工作面條帶煤柱實際采出煤炭量為2.45萬t，采用高水材料充填復采條帶煤柱后的成本增加了98元／t。

4 承壓水上充填復采工程實測

4.1 充填復采底板破壞深度實測

充填復采條帶煤柱之前在9111工作面底板安裝了位移傳感器，監測9-1＃煤層開采前后的應力和位移變化情況，以確定煤層底板的破壞深度和破壞規律。

4.1.1 測點布置方案

底板位移監測鉆孔為斜孔，鉆孔延伸至工作面煤層之下，其深度視工作面底板隔水層厚度而定，但垂深必須大于底板采動破壞深度的經驗值，根據埠村礦以往測試資料和經驗，本次測點布置深度最大為底板以下16.0m。

在9111工作面上出口距首個條帶168m處安裝了底板位移監測傳感器，見圖3，共布置6個位移監測點，6個監測點的垂直深度分別為6.0m、8.0m、10.0m、12.0m、14.0m 和16.0m，位移傳感器布置見圖3。施工完成后，測量孔深并做好記錄，繪制鉆孔成果圖，以指導傳感器的正確安裝。

圖3 位移測點布置

圖4 位移變化曲線

4.1.2 觀測結果與分析

位移監測工作自2012年4月開始，至2012年11月回采結束，總計觀測了53次，不同深度底板位移計變化曲線如圖4、表1所示。

由表1可知，1、2 號位移傳感器的累計位移量和相對位移量均較大，3～6 號位移傳感器的累計位移量和相對位移量均減少，說明受采動影響后，在埋深6.0m、8.0m 處，底板位移較明顯，底板以下10.0～16.0m 測點對應的相對位移量僅為0.54～0.62mm。據此得出，工作面回采引起的底板位移變化最大深度為10.0m。實測結果表明，建筑物下及承壓水上充填復采條帶煤柱后的底板破壞深度沒有繼續增大，保證了承壓水上的安全回采。

表1 各傳感器位移量變化

4.2 充填復采地表沉陷觀測

9111工作面充填置換開采頂底板實測結果表明，9111 工作面中部頂底板最大變形量為80.8mm，端部頂底板變形量為57.4 mm。9111工作面充填復采后地表實測最大下沉量僅為11 mm，保障了地面建筑物的安全。

5 結論

（1）采用高水材料充填復采承壓水上條帶煤柱，采出煤炭約2.45萬t，充填后成本增加了98元／t；一次充填率可達98.7%，實測冒落區充填體較密實。

（2）底板位移監測結果表明，9111 工作面充填復采后的底板破壞最大深度仍為10.0 m，表明承壓水上充填復采條帶煤柱后的底板破壞深度沒有繼續增大，保證了承壓水上的安全回采；地表沉陷實測結果表明，該面采后地表最大下沉量僅為11 mm，保障了地面建筑物的安全。

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