膏體充填置換煤柱開采工藝研究

連海濤

（山西鄉寧焦煤集團燕家河煤業有限公司，山西 臨汾 042100）

煤炭作為不可再生資源，在未來很長一段時間內依然在能源結構中占據主導地位，在實際開采過程中需要保證其開采效率和煤炭資源的回采率。房柱式開采工藝在實際應用中存在回采率低、資源浪費嚴重等問題。雖然在房柱式開采工藝的基礎上引入條帶式開采技術可適當提高資源利用率，但是效果不明顯[1]。本文將對條帶式開采技術中滯留的煤柱進行回收開采，提高煤炭資源的回收率。

1 工程概況

本文以永樂煤礦為例開展系列研究，該煤礦當前采用條帶式開采工藝，生產能力為0.6 Mt/a。目前，該煤礦可開采的煤層包括有3#、7#和8#，本文以3#煤層的開采進行研究。3#煤層屬于后煤層，煤層結構相對簡單且基本不含矸石，僅在煤層的西北區域含有厚度僅為0.24～0.35 m 的泥巖。總體來講，3#煤層屬于穩定型煤層，煤類單一且煤質的變化較小。3#煤層的詳細特征如下：

3#煤層厚度在5.72～6.56 m 之間，煤層平均厚度為6.05 m；該煤層埋藏在地下107.85～159.75 m 之間。3#煤層的頂底板條件，如表1 所示：

表1 3#煤層頂底板條件及其參數

結合周圍采用條帶式開采工藝的煤礦進行對比，基于“有效面積”理論計算得出3#煤層的極限強度為9.68 MPa，在實際開采中采用采12 m 預留8 m 煤柱的方式進行開采，經核算所預留8 m 煤柱的實際承受載荷最小為5.62 MPa，最大為6.65 MPa。

因此，最終在理論分析計算的基礎上并結合相似工程的類比方法最終得出：對3#煤層預留8 m 的煤柱進行開采時要求所充填的膏體的最小膏體的強度不得小于5.44 MPa。本文將重點對膏體充填材料的配比展開研究，并對膏體充填換煤柱開采效果進行模擬分析。

2 膏體充填材料配比實驗研究

對于膏體充填置換煤柱開采工藝而言，最為關鍵的是選取高效且匹配的充填材料，本著經濟合理、配備簡單以及流動性良好的原則[2]；同時，結合煤礦所在地取材方便的原則，初步選擇風積沙、黃土、粉煤灰和水泥作為充填材料，并通過實驗方式得出最佳的配比方案。

2.1 實驗方法

目前，膏體充填主流的充填材料為風積沙，要求所配備的膏體充填材料的強度大于5.44 MPa；為保證膏體充填材料具有良好的流動性，要求其坍落度大于200 mm。將上述常用的充填材料按照m（水泥）∶m（風積沙）∶m（粉煤灰）∶m（黃土）=1∶4∶2∶1 的比例進行配備，得到質量分數分別為75%、77%、79%和81%的膏體漿液；將所配制的漿液灌裝至尺寸規格為7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm 的立方體磨具中，分別對不同濃度的膏體漿液靜態放置3、7、28、60 d 后的抗壓強度進行對比。期間，其可對任何一種充填材料的配比比例進行調整，已獲得最佳的充填膏體。

2.2 基礎配比實驗結果分析

對m（水泥）∶m（風積沙）∶m（粉煤灰）∶m（黃土）=1∶4∶2∶1 所配制的不同濃度的漿液在不同時期的抗壓強度進行測試，測試結果如表2 所示。

表2 基礎配比漿液的抗壓強度對比

如表2 所示，隨著所配比漿液濃度的增加，其坍落度減小，流動性較差。因此，要求在基礎配比條件下漿液濃度不得大于77%；同時，隨著漿液濃度的增加，對應單軸抗壓強度隨著時間的延長而增強[3]。

2.3 單因素對充填膏體性能的影響

采用單一變量法分別對風積沙、粉煤灰、黃土以及水泥對充填膏體的流動性和抗壓強度的影響進行研究，以風積沙為例，m（水泥）∶m（風積沙）∶m（粉煤灰）∶m（黃土）=1∶X∶2∶1 試驗結果如表3 所示：

表3 風積沙對充填膏體性能的影響

如表3 所示，隨著風積沙比例的增加，對應充填膏體抗壓強度減小，對應的坍落度增大。同理。分別得出粉煤灰、水泥以及黃土對充填膏體性能的影響。最終確定m（風積沙）∶m（粉煤灰）∶m（黃土）∶m（水泥）=40∶25∶10∶15。

3 膏體充填置換煤柱開采模擬研究

本節基于FLAC3D 軟件對“2”中實驗是所得的充填膏體在實際應用的效果進行模擬分析。根據3#煤層所屬3231 工作面的地質條件構建尺寸為400 m×110 m×118 m 的數值模擬模型，如圖1 所示：

圖1 FLAC3D 數值模擬模型

首先，在初始條件對3#煤層的最大承載應力進行分析，得出其可承載的最大應力為2.34 MPa；同時，通過仿真分析得出在對預留煤柱的煤炭進行開采時其需要充填體的強度范圍為5.72～6.72 MPa 之間。上述仿真結果與理論計算結果相近，驗證了所構建FLAC3D 模型的準確性。

將“2”中所配備的充填膏體加入數值模擬模型中，并將充填膏體的重度、體積模量、剪切模量、黏聚力、內摩擦角以抗拉強度等指標在模型中進行設置，分別對從第一開采條帶采空區向第19 條帶采空區移動時膏體的應力變化及分布情況進行仿真分析[4-5]。通過仿真可知：

將所配比的充填膏體在進行充填后，其所承載的最大應力為3.4 MPa；當對預留煤柱進行開采時，充填膏體所承受的最大應力值為3.95 MPa。而實驗室中所配備的充填膏體的強度值為6.6 MPa＞3.95 MPa。因此，可以認為實驗室所配置的充填膏體可滿足置換煤柱開采工藝的承載要求。

4 結語

房柱式開采工藝為當前主流的開采工藝之一，但是該沖開采方式存在回采率低、資源浪費嚴重的問題。為解決房柱式開采工藝的上述問題雖然引入了條帶開采方式，但是其回采率提升不明顯。為此，本文提出膏體充填置換煤柱開采工藝對條帶式開采的預留煤柱進行開采的方式，重點對充填膏體材料的配比和應用效果進行研究，總結如下：

1）通過實驗可知，當確定m（風積沙）∶m（粉煤灰）∶m（黃體）∶m（水泥）=40∶25∶10∶15 時所得充填膏體的流動性和抗壓強度可滿足本工程的要求。

2）將所配比的充填膏體在進行充填后，其所承載的最大應力為3.4 MPa；當對預留煤柱進行開采時，充填膏體所承受的最大應力值為3.95 MPa；實驗室所配置的充填膏體可滿足置換煤柱開采工藝的承載要求。