龐龐塔礦高承壓工作面膏體充填開采技術(shù)應(yīng)用研究

和 杰

（霍州煤電集團(tuán)機(jī)關(guān)總調(diào)度室，山西 霍州 031400）

1 工程概況

霍州煤電集團(tuán)龐龐塔煤礦位于山西省臨縣程家塔—吉家莊—陽泉村一帶，井田平面形態(tài)基本呈一長方形， 南北長約 9km， 東西寬約 1.5km， 面積13.2639km2。井田內(nèi)含煤地層為太原組和山西組，主要可采煤層為5上#、5#、9# 煤層。現(xiàn)階段正在回采的5# 煤層賦存穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，一般含1 層夾石，煤層以鏡煤、亮煤為主，內(nèi)生裂隙發(fā)育。5- 108 工作面煤層總厚3.1～3.55m，平均3.3m，屬中厚煤層，不含夾矸，結(jié)構(gòu)簡單，層位穩(wěn)定，全區(qū)可采，頂板為黑色泥巖，底板為砂質(zhì)泥巖，煤層傾角2°～6°，平均傾角4°，變異系數(shù)6.67%，儲(chǔ)存穩(wěn)定，開采標(biāo)高為1180～1250m，根據(jù)井田內(nèi)104 號(hào)及補(bǔ)4 號(hào)水文孔抽水試驗(yàn)資料，石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r、砂巖裂隙含水層水位標(biāo)高為+1376.49～+1398.82m。由于5# 煤層與下部太灰含水層的間距較近，5- 108 工作面底板承壓水的存在會(huì)對(duì)煤礦的安全開采帶來隱患，加之?dāng)鄬印⑾萋渲鹊刭|(zhì)構(gòu)造的存在，更增加了危險(xiǎn)系數(shù)，因此需對(duì)工作面的安全開采進(jìn)行研究。

2 5# 煤層承壓開采底板突水分析

由于工作面的采動(dòng)影響，引起煤層及圍巖體內(nèi)部應(yīng)力場發(fā)生變化，導(dǎo)致采場的煤巖體發(fā)生應(yīng)變破壞，5# 煤層開采主要的承壓水威脅來自下部的太灰含水層，5- 108 工作面底板與太灰含水層的最小距離為16.9m，煤層底板帶壓2.4MPa 左右，而5- 108 工作面回采期間是否存在突水的危險(xiǎn)需要通過分析計(jì)算確定。工作面回采過程中底板出水的危險(xiǎn)性大小與底板隔水層有效厚度密切相關(guān)，采用突水系數(shù)法確定工作面采用全部垮落法開采底板突水危險(xiǎn)性的公式如下[1]：

式中：Ts為突水系數(shù)，單位：MPa/m；P 為底板隔水層承受的水頭壓力，單位：MPa；M為底板有效隔水層厚度，單位：m。

式中：hD為煤層底板距離含水層最上部的垂直距離，單位：m；h1為煤層底板采動(dòng)破壞深度，單位：m；Hd為承壓水導(dǎo)升高度，單位：m；

5# 煤層開采底板塑性區(qū)的深度h1，查閱相關(guān)的文獻(xiàn)可知，采動(dòng)礦壓和承壓水壓力共同作用下的煤層底板破壞深度應(yīng)綜合考慮兩個(gè)應(yīng)力場，將他們引起的煤層底板塑性破壞高度疊加，采動(dòng)引起的底板塑性破壞深度計(jì)算公式為：

式中：k1為峰值系數(shù)，取1.3 ；H 為煤層平均埋深，取 340m；γ 為頂板巖層容重，取 2.9MN/m3；Cm為煤體內(nèi)聚力，取2.10MPa；Φ 為煤層內(nèi)摩擦角，取28°；M為煤層厚度，取3.3m；

將5# 煤層具體的參數(shù)帶入上式計(jì)算可得，5- 108工作面采動(dòng)底板最大破壞深度為6.1m。5- 108 工作面開采時(shí)采動(dòng)引起的底板最大破壞深度加上承壓水引起的底板隔水層頂部塑性區(qū)高度計(jì)算公式為：

圖1 5- 108 工作面底板突水可能性示意圖

將 xa=6.1m 帶入式（4）計(jì)算可知，5- 108 工作面回采期間底板塑性破壞最大深度為11.2m。5# 煤層隔水層內(nèi)太灰水的承壓導(dǎo)升帶根據(jù)現(xiàn)場鉆孔實(shí)測情況取4.1m。由此可知式（2）中，h1=11.2m，hd=4.1m，而 hD為太灰含水層與5# 煤層底板的距離，根據(jù)現(xiàn)場鉆孔探測數(shù)據(jù)可知，太灰含水層距離5# 煤層16.9～29.8m，平均為21.9m，根據(jù)隔水層的厚度繪制出的隔水層總厚度如圖 1（a）所示。式（1）中 P=1.35MPa，有效隔水層厚度（M）隨著底板隔水層的總厚度變化，將底板厚度的變化映射到式（1）中，得到5- 108 工作面開采范圍的突水系數(shù)變化圖，詳細(xì)情況如圖1（b）所示。

采用突水系數(shù)法確定工作面采用全部垮落法開采底板突水危險(xiǎn)性，通過以上的分析計(jì)算可得，太灰含水層對(duì)5# 煤層開采期間的突水系數(shù)為0.18～0.75MPa/m，通過查閱相關(guān)的資料可知，對(duì)于受到斷層、陷落柱等地質(zhì)構(gòu)造影響較大的底板巖層，底板突水系數(shù)應(yīng)小于0.06MPa/m，當(dāng)煤層底板完整性較好，基本不受不良地質(zhì)因素影響時(shí)，突水系數(shù)應(yīng)不大于0.10MPa/m，而根據(jù)以上分析計(jì)算的結(jié)果，太灰水突水系數(shù)全部大于0.10MPa/m，如果5# 煤層5- 108工作面采用正常的全部垮落法進(jìn)行開采的話，工作面底板存在非常大的突水危險(xiǎn)性，因此需采用特殊的開采方法進(jìn)行開采。

3 膏體充填開采技術(shù)應(yīng)用

通過以上的研究分析可知，采用傳統(tǒng)的全部垮落法進(jìn)行5# 煤層的開采，底板太灰水存在很大的突水可能，因此通過查閱相關(guān)的研究成果和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[2～3]，設(shè)計(jì)在龐龐塔礦5211 工作面采用膏體充填采空區(qū)的開采工藝，為確定合理的采空區(qū)充填工藝參數(shù)，下面對(duì)充填體所需的強(qiáng)度進(jìn)行分析計(jì)算。參考條帶工作面開采煤柱的穩(wěn)定性研究，將采空區(qū)的充填體視為一個(gè)煤柱，沿工作面推進(jìn)方向取一個(gè)剖面圖進(jìn)行分析，工作面回采時(shí)后方采空區(qū)的狀態(tài)可簡化為圖2 所示。

圖2 膏體充填采空區(qū)采煤法充填體受力模型

在圖2 所示的情況下，采空區(qū)內(nèi)的充填體所示的垂直方向的壓力為：

式中：Pp為采空區(qū)充填體平均應(yīng)力，單位：MPa；γ為煤層上覆巖層平均容重，單位：MN/m3；H 為工作面平均埋深，單位：m；We為兩側(cè)回采巷道的寬度，單位：m；Wp為回采工作面傾斜長度，單位：m；

將采空區(qū)的受力狀態(tài)簡化為單軸受壓的狀態(tài)，根據(jù)Bienia wski 公式，充填體應(yīng)有的強(qiáng)度為：

式中：D 為充填體試件尺寸，單位：m；M 為工作面采高，單位：m；σc 為不同安全系數(shù)情況下所需的強(qiáng)度，單位：MPa；

參照條帶工作面煤柱穩(wěn)定性的計(jì)算方法：

通過式（7）進(jìn)行計(jì)算，當(dāng) k1＞1 時(shí)，充填體能夠支撐采空區(qū)的煤層頂板，龐龐塔礦5- 108 工作面具體的參數(shù)如下：Wp=52m，H=340m，γ=0.025MN/m3，We=4m，m=2m，D=100×100mm，將以上參數(shù)帶入式（5）～（7）可知，充填體的強(qiáng)度大于 1.4MPa 時(shí)，能夠有效地對(duì)采空區(qū)進(jìn)行維護(hù)。為了充分保證工作面承壓開采的安全性，設(shè)計(jì)充填體的后期強(qiáng)度應(yīng)在2.0MPa 左右，通過實(shí)驗(yàn)室實(shí)驗(yàn)確定的配合材料及比例為：膏體質(zhì)量濃度84%，粉煤灰283kg/m3，膠結(jié)料95.4kg/m3，外加劑6.8kg/m3。龐龐塔礦采用“三八”制，為了施工方便設(shè)計(jì)充填步距為2.4m，充填體高度為3.3m，充填開采的示意圖如圖3 所示。

圖3 5- 108 工作面采空區(qū)充填開采示意圖

4 應(yīng)用效果

為考察龐龐塔礦5- 108 工作面采用膏體充填開采的效果，采用鉆孔注水法來測量工作面回采期間底板的破壞深度，底板巖層破壞越嚴(yán)重鉆孔的注水量就越大[4]。根據(jù)現(xiàn)場的生產(chǎn)情況，在5- 108 運(yùn)輸順槽距離停采線80m 的位置布置兩個(gè)測站，每個(gè)測站布置4個(gè)注水孔，孔間距2.0m，測站布置詳情如圖4 所示。壓水試驗(yàn)的注水壓力0.10～0.15MPa，壓水時(shí)間在20min 左右，每隔5min 對(duì)鉆孔的注水量進(jìn)行一次記錄，注水鉆孔如圖5 所示。測站與回采工作面的距離大于 40m 時(shí)，兩周進(jìn)行一次測試，40～20m 時(shí)，每周監(jiān)測一次，小于20m 時(shí)，每天監(jiān)測一次，根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，整理得表1 所示的結(jié)果。

圖4 注水實(shí)驗(yàn)測站布置示意圖

圖5 鉆孔布置剖面圖

表1 現(xiàn)場注水實(shí)驗(yàn)結(jié)果

根據(jù)表1 所示的監(jiān)測結(jié)果可知，隨著測站與回采工作面距離的減小，1# 和2# 測站，注水鉆孔測試深度為2m、3m、5m 時(shí)，鉆孔的注水量整體呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，而測試深度為7m 的鉆孔注水量基本不發(fā)生變化，由此可知，底板巖層0～5m 內(nèi)，由于工作面采動(dòng)的影響巖體發(fā)生拉剪破壞，裂隙發(fā)育增大鉆孔圍巖的導(dǎo)水能力，而當(dāng)采空區(qū)的充填體強(qiáng)度逐漸增大，應(yīng)力向采空區(qū)轉(zhuǎn)移，底板巖體塑性區(qū)裂隙在應(yīng)力作用下逐漸壓實(shí)，滲透性降低，鉆孔的注水量進(jìn)而逐漸減小。當(dāng)測試深度為7m 時(shí)，注水量基本不受工作面采動(dòng)的影響，由此可知，采用膏體充填開采對(duì)底板的破壞深度約為6m，并且工作面回采期間底板未出現(xiàn)涌水量異常的情況。

5 結(jié) 論

龐龐塔礦5# 煤層為承壓開采，通過理論分析和計(jì)算得知，5- 108 工作面回采導(dǎo)致底板塑性破壞深度為11.2m，工作面回采期間底板存在極大的太灰水突水出危險(xiǎn)，因此設(shè)計(jì)采用采空區(qū)膏體充填進(jìn)行開采，通過分析計(jì)算確定充填體所需的強(qiáng)度為2MPa，充填步距為2.4m，應(yīng)用過程中進(jìn)行底板注水實(shí)驗(yàn)，監(jiān)測結(jié)果表明，充填開采底板的破壞深度減小為6m，并且工作面未出現(xiàn)異常的涌水情況，取得了良好的應(yīng)用效果。