小煤礦舊采區預充填技術研究

李　鵬

(大同煤礦集團 大斗溝煤業公司，山西　大同　037000)

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·試驗研究·

小煤礦舊采區預充填技術研究

李鵬

(大同煤礦集團 大斗溝煤業公司，山西大同037000)

摘要以旺田煤礦工作面過小煤礦舊采區為背景，運用理論分析及公式計算得出：充填體提供的支撐力不小于379 MN；現場實踐發現，漿液能夠與垮落的煤巖形成穩固的膠結體，保證了頂板與煤壁的穩定性，安全可靠。預充填舊采區能提高井下煤炭資源回收率和延長礦井服務年限，具有顯著的經濟與社會效益。

關鍵詞舊采區；關鍵塊；力學分析；預充填；超高水材料

20世紀末受到“有水快流”政策的影響，全國各地開始大力興辦煤礦，據統計在山西省煤礦最多時達1萬余座[1-2]，其中大部分是鄉鎮小煤礦，受當時裝備水平、開采技術條件與市場行情等各種因素的影響，采富棄貧、采易棄難、亂采濫挖的現象異常嚴重，小煤礦煤炭回收率一般在10%～30%[2-4]，致使大量的煤炭遺滯在采空區，對煤炭資源造成極大的浪費與破壞。隨著井下煤炭的不斷開采，礦井資源逐漸趨于枯竭，為延長礦井的服務期限和更好地規劃整合礦井的開采，使地下煤炭資源得到充分回收，實現煤礦的可持續開采，旺田煤礦決定對原小煤礦舊采區進行復采。

1工程概況

旺田煤業現開采8號煤層，厚度5.6 m，為中灰、特低硫～低硫、特高熱值無煙煤，是良好的動力用煤和化工用煤。頂板巖性多為灰色～深灰色砂質泥巖、泥巖，老頂厚度約4.6 m，節理、裂隙發育，單向抗壓強度56 MPa，穩定程度屬2類頂板中等穩定類。底板巖性多為灰色砂巖，含鋁質，水平層理，質硬性脆，斷口平坦，厚度約3 m.單向抗壓強度68.2 MPa，直接底板穩定程度屬堅硬類。在井田北部有小煤礦舊采區，小煤礦原采用割底留頂、反復掘送巷道刷擴兩幫的舊巷柱式方法回收煤炭資源。工作面情況見圖1.

圖1　工作面布置圖

2舊采區情況分析

依據舊采區技術資料分析和現場巷道揭露、探測情況，舊采區內多為原小煤礦運輸巷道和刷幫開采形成的空巷，經過長時間的擱置，空巷頂板和兩幫存在不同程度的冒頂和片幫。工作面采用預充填技術過小煤礦舊采區。

2.1空巷圍巖力學性質分析

舊采區空巷力學模型見圖2.在工作面回采逐漸靠近舊采區空巷的過程中，空巷與工作面之間的煤柱寬度不斷減小，煤柱由穩定狀態逐漸向塑性狀態變化，當煤柱寬度減小到一定程度時，窄小煤柱在超前支承壓力的作用下發生失穩破壞，由于空頂長度的突然增加，空巷上方基本頂容易發生斷裂，形成鉸接巖塊A、B、C[5-6].如果基本頂不能在回采過程中保持自身的穩定，B塊失穩從而造成工作面上方頂板整體下沉，出現較為嚴重的礦山壓力顯現。B塊主要有滑落與轉動兩種失穩形式，舊采區空巷的良好支護形式能夠防止B塊出現滑落或轉動失穩的狀態，又能維持空巷煤壁兩幫的穩定，從而保證工作面順利通過舊采區。

圖2　空巷圍巖力學結構示意圖

2.2充填體強度

塊A、B、C之間形成鉸接，B塊為復采面安全通過舊采區空巷的關鍵。作用于B塊的上方巖層視為均勻載荷q；B塊受到A塊對其水平方向上的推力T1和垂直方向上的剪力F1，受到C塊對其水平方向上的推力T2和垂直方向上的剪力F2；B塊長度L為工作面周期來壓步距。空巷充填體通過上方頂煤與直接頂對B塊有垂直方向力P充的作用。

依據“S-R”平衡理論[7-8]對圍巖結構進行力學分析，得到使B塊不發生滑落失穩的充填體提供的支撐力P充計算公式為：

式中：a=(h-lsinθ)/2

T1=ql/(h/l-0.5sinθ)

tanφ為巖塊間摩擦系數，取0.2[6]，P為支架阻力，q1為直接頂單位長度自重，MN/m，h為老頂厚度。

依據旺田煤礦實際情況，將各參數L=14 m，q=0.3 MN/m，h=4.6 m，q1=0.1 MN/m，P=4 MN，d=4.5 m，b=4 m代入公式得到充填體提供的支撐力P充=3.79 MN.

3工程分析

圖3　制漿系統示意圖

現場預充填采用在“三下”開采中應用廣泛的超高水材料，其主要由兩部分構成：以鋁土、石膏為主煉成的A料和以混磨石灰、石膏形成的B料。A、B兩種料與水分別配成的A漿液和B漿液單獨最高可持續40 h不出現凝結。A、B單漿液的制備系統是根據雙液泵的輸送能力200 L/min(單吸漿管流量為100 L/min)設計的，由于攪拌好1桶料實際需要時間3～4 min，為保證現場的連續制漿能力，并結合現場實際情況，A、B單漿液生產線在井下要分別備置吸漿桶和攪拌桶。根據漿液在管路中的平均流速，需要確保兩種漿液在管路內的混合時間不小于20～30 s.在充填之前舊采區空巷兩端應砌墻并密實，墻高隨著巷內漿液的注入而向上砌筑。制漿系統見圖3.注漿材料充實冒落間隙效果見圖4.從圖4中可以看出，漿液能夠很好地滲入到煤層裂隙中，并與舊采區內空巷垮落的煤巖膠結形成穩固的充填體，對頂板及兩幫起到較好的支撐作用。

圖4　注漿材料充實冒落間隙效果圖

回采過原小煤礦舊采區期間，工作面頂板保持了較好的完整性，未出現破碎煤巖掉落的情況；同時形成的膠結煤壁未出現大范圍片幫；工作面礦壓顯現沒有異常現象。工作面順利通過舊采區。

與堆木垛方法相比，預充填避免了使用大量木材，充填體變形量小，保持頂板與煤壁的穩定，解決了頂板易碎和煤壁易片幫的問題；與錨桿(索)金屬網聯合支護相比，降低了材料消耗，減少了勞動量；與重開切眼方法相比，節省了搬家倒面的時間與費用，保證了工作面連續推進。

4結論

1) 從理論上對舊采區空巷圍巖力學性質進行了分析，通過公式得出巷內充填體提供的支撐力為3.79 MN.

2) 現場實踐發現，漿液能夠與垮落的煤巖形成穩固的膠結體，保證了頂板與煤壁的穩定性，安全可靠，并與傳統方法對比分析了充填的優點。

3) 眾多資源整合和機械化升級改造礦井，都會面臨工作面通過原小煤礦舊采區的問題，預充填舊采區能提高井下煤炭資源回收率和延長礦井服務年限，具有顯著的經濟與社會效益。

參考文獻

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[8]錢鳴高,石平五.礦山壓力與巖層控制[M].徐州：中國礦業大學出版社，2003：105-110.

Research on Prefilling Technique in Small Coal Mine Old Mining Area

LI Peng

AbstractTakes Wangtian coal mine working face passing old mining area as the background, by using theoretical analysis and formula calculating obtains that the supporting force of filling is not less than 379 MN. Field practice found that grouting and collapsed coal rock can formulate the stable cemented body, which guarantees the stability of roof and coal wall, and is safe and dependable. Prefilling old mining area can improve recovery rate of coal resources underground and extend the service life of coal mine, has significant economic and social benefits.

Key wordsOld mining area; Key block; Mechanical analysis; Prefilling; Super high-water material

中圖分類號：TD353

文獻標識碼：A

文章編號：1672-0652(2016)01-0040-03

作者簡介：李鵬(1986—)，男，山西大同人，2007年畢業于山西大同大學，助理工程師，主要從事煤礦開采與技術管理工作(E-mail)wying0903@126.com

收稿日期：2015-11-02