巷式充填采煤技術研究

姜 波

(同煤集團云岡礦綜采二隊，山西 大同 037017)

引 言

“三下”壓煤指的是在建筑物，水體和鐵路下的壓煤現象。據統計，我國探明的“三下”壓煤總量為141億t。其中，65%為建筑物下壓煤，約為91.6億t[1]。與鐵路壓煤和水體壓煤相比較，建筑物下壓煤的開采更為復雜。建筑物下壓煤大部分為村莊下壓煤，我國煤炭開采起步晚，分布零散，目前國內大部分礦區都存在村莊下壓煤的現象。特別是在山西、河南和河北這些人口密度大的省份，由于村莊眾多，人口密集，村莊下壓煤已經占到總儲量的20%以上。此外，一些老舊礦區也面臨著采區資源枯竭的問題，需要開發新的工作面來延長礦井的工作年限。鑒于此，村莊下壓煤開采技術已經成為了“三下”壓煤開采中的重要研究對象，包括如何最大限度地開采村莊下煤炭資源，保護地面環境和建筑物，提高煤炭企業物料資源的利用率和增加礦區使用壽命等。

1 國內外研究現狀

1.1 國外研究現狀

國外建筑物下煤炭開采技術經過多年發展，根據它們本國煤礦的自身情況，主要有以下一些開采方式：

1) 填充開采。包括風力填充、密實水砂填充和煤矸石填充[2]。該技術是利用其他物質對采取巷道進行填充，達到減輕開采沉降，提高采取穩定性和增加資源回收率的目的。采用煤矸石填充還可以起到減少煤礦開采廢棄物排放的作用。該項技術效果好，節能環保，但是需要高效的填充設備和成熟的填充工藝，目前采用這項技術的國家有波蘭和英國。

2) 協調開采。該技術主要通過搭建巷道防變形建筑物來防止采區沉降。包括在巷道建設液壓千斤頂，對已有的建筑物進行澆灌加固和設置變形縫等措施。協調開采效果好，成本較低但是對采區地質條件要求較高，部分英國煤礦企業和大部分德國企業使用該項技術。

3) 房柱式開采，目前國外大部分國家包括美國、澳大利亞、印度等國采用該項技術。其原理是在采煤區進行作業時，留設煤柱作為作業面支撐頂板。該項措施成本低、工期短，可以有效地防止地面沉降。但是煤柱的位置和煤柱的尺寸如何選取是一個關鍵性的問題，不合理的設計將存在安全隱患和開采率不高的問題。

1.2 國內研究現狀

我國建筑物下壓煤開采技術自20世紀60年代開始，經過60年的研究實踐，現已發展為開采沉陷學這門學科[3]。目前國內村莊下壓煤開采主要基于采區的實際情況，根據不同開采條件和地面設施，采用填充開采、協調開采、房柱式開采和覆巖離層注漿法開采等技術。

巷式填充采煤技術是當前國內外使用最為廣泛的村莊下壓煤開采技術。與其他建筑物下煤炭開采技術相比較，該技術可以維持煤層地面地壓的穩定，防止地面塌陷事故的發生，減少煤礦開采對環境的破壞。此外，還可以顯著提升煤礦開采率，增加煤礦企業得經濟效益，保證礦區的可持續發展。但是該技術有較高的技術和經濟要求，目前在我國還沒有得到廣泛應用。這也是筆者進行巷式充填采煤技術研究的原因。

2 巷式充填采煤技術研究

本文以山西某礦采區為例，對其采區內的村莊下壓煤開采技術作分析研究。

2.1 采區工作面開采方案

該采區工作面的巷道分布如圖1所示。該采區一共設有23條支巷，每支巷的高度為2.5 m，寬度為6 m，每隔6 m設置一根保護煤柱。在進行開采工作時，巷道開口開采角度為60°，使用連續采煤機對工作面進行開采。

圖1 采區工作面巷道分布

對巷道采取錨索和錨桿聯合防護的加固措施[4]。使用高強度螺紋鋼，在巷道內每2 m裝置3根錨桿。錨索沿巷道中心線設置，采用高強度絞線。其設置圖如圖2所示。在設置完成后，對巷道頂板進行觀察，若有構造損壞和崩裂現象，在該區域內改為間隔為1.2 m的錨桿分布，并且設置兩條錨索。在進行開采工作時，采用支巷掘進技術和連采機開采工藝，具體配備設備包括連續采煤機、皮帶傳送機和鏟用車。

圖2 巷道支護裝置設計圖(mm)

2.2 巷式充填工藝

為了滿足工作面的壓力要求，結合該煤礦的現場實際狀況使用高水膨脹材料作為填充物。該材料是以粉煤灰為主料，結合固化劑、膨脹劑和水進行攪拌后制成的漿狀充填物。填充材料需要具備以下特性：

1) 凝固時間短，要求初凝時間大于1.5 h，在10 h內達到完全凝固。

2) 具有膨脹性，膨脹率不得低于0.02。

3) 流動性強，初始流動速度不得低于280 mm/h，平均速度不得低于220 mm/h。

4) 擴展性能強，但是沁水率必須小于0.03。

井下巷式充填工藝的流程如圖3所示，在充填物準備完畢后，井下的充填工作需要和采煤工作相結合同步進行。充填工藝包括：

圖3 充填工藝流程

1) 充填的循環方式，使用兩條巷道充填一條巷道的模式。

2) 充填的管道鋪設，充填主料管道采用強度大的鋼材料，在出料口為了減輕對頂板的壓力同時也方便搬運移動，采用輕型的PE管。

3) 充填的空間封堵，兩側由預留煤柱進行封堵，對于前后兩端可以采用強度較高的鋼材料板進行封堵，在充填時由頂板上方注入充填材料以達到封堵效果。

4) 充填程序，在兩條巷道開采完畢后，對第一條巷道進行充填，通過相鄰巷道檢查煤柱的穩定性，為之后留設煤柱提供經驗。

3 巷式充填采煤工作面上覆巖層變形規律模擬

為了研究巷式填充對覆巖層造成的影響，筆者根據該煤礦的地質條件對進行開采作業后的巖層形變進行了模擬研究。王臺鋪煤礦采區的巖層共分為26層，首先通過巖層荷載計算公式[4]，得到了關鍵層1(第1層)、關鍵層2(第15層)、關鍵層3(第22層)和主關鍵層(第25層)。根據固支梁理論公式，它們的破斷距分別為39.63 m、60.04 m、67.07 m和80.52 m。

根據上述關鍵層和層破斷距的數據，使用適當材料對該煤礦進行巖層模擬，模型如下圖4所示。

圖4 巖層模擬圖

圖4中白點代表煤柱，6條橫向白線代表6個測線，每條縱向白點代表巷道。在煤柱的上方設置了壓力傳感器，通過模擬軟件將壓力信號轉化為電信號，輸出應力值。將每5條巷道編為一組進行實驗模擬，共4輪。圖5為每輪模擬實驗中巖層應力的變化。

圖5 巖層模擬應力變化圖

從模擬的巖層應力變化圖中可以看出，在支巷開始工作后，其周圍的煤柱產生較大應力，但是對于遠距離的煤柱幾乎沒有影響。煤柱的應力變化是根據巷道的工作狀態分布，隨著巷道的不斷增多，巷道頂板對煤層的壓力越來越大，所以各個煤柱承受的應力也隨之增大。但是在巷道挖掘的整個過程中，所有巷道煤柱的應力值變化都不大。說明巷式充填開采可以有效緩解巷道煤柱受到的應力，達到保護巷道、維持巖層穩定的效果。

4 結語

巷式充填采煤技術作為一種新興的建筑物下壓煤開采技術，目前在煤礦的實際開采工作中還未得到廣泛的運用。本文通過對該技術現場工藝的介紹和開采實驗的模擬，得出了巷式充填采煤技術有著工藝簡單、開采率高、保持巖層穩定和保護地面建筑等優點?？梢蕴岣吡嗣旱V的使用壽命，節約了能源消耗，減少了煤礦廢料的排放，實現礦區的可持續發展。