复合固结体巷式充填全采技术应用研究

李乃梁,冯光明,李宗国

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116;2.临沂矿业集团新驿煤矿,山东兖州 272116)

复合固结体巷式充填全采技术应用研究

李乃梁1,冯光明1,李宗国2

(1.中国矿业大学矿业工程学院,江苏徐州 221116;2.临沂矿业集团新驿煤矿,山东兖州 272116)

针对建下不规则煤层块段开采问题,根据充填控制地表沉陷的原理,提出了高水速凝材料与矸石复合固结体巷式充填全采技术,即首先掘进煤巷,然后充填复合固结体,以多轮置换方式实现充填区域煤炭的全部开采。通过充填体强度测试,研究了复合固结体强度与高水速凝材料水灰比、矸石掺入量、龄期之间的关系。经充填体稳定性需求分析,给出了确定充填体强度的方法。工程应用结果表明,该技术既可有效控制地表沉陷,又可避免矸石升井带来的环境危害,取得了良好的技术经济效果。

复合固结体;巷式充填;全采;稳定性

煤炭属于不可再生耗竭性资源,随着矿井的开采,“三下”压煤及保护煤柱回收问题越来越突出。最大程度地采出井田内的煤炭,既可延长矿井的服务年限,又可增加企业的经济效益。充填开采作为有效的解决途径逐渐受到重视,正规工作面多采用壁式充填开采,而不规则煤层块段多以巷道方式 (即巷式)进行充填开采[1]。巷式充填开采过程中煤柱的留设降低了采出率,造成了资源浪费,通常采出率约 30%～50%[2-3]。根据实际需求,提出运用高水速凝材料与矸石形成的复合固结体进行巷式充填全采的技术方案,经新驿煤矿工业性试验,不仅实现了充填区域煤炭资源的全部开采,同时消耗了煤矿生产的伴生废弃物——矸石。

1 充填区域位置与地质条件

新驿矿充填试验区北至南翼胶带大巷,南至1110下停采线,西到 1110下轨道巷,东到 1110下运输巷。充填区开采煤层为 3上2,位于山西组中上部,煤层平均厚度 2.22m;顶板以泥岩为主,厚2.52～2.83m,次为粉砂岩,厚 6.33～7.44m,偶见泥岩伪顶,厚 0.35m;底板以泥岩、砂质泥岩为主,厚 2.90～4.10m,局部为粉砂岩,厚 3.40～4.80m。其顶、底板岩石力学性质为：泥岩抗压强度 20～35MPa;粉砂岩抗压强度为 30～45MPa,细砂岩抗压强度为 35～40MPa。

2 巷式充填全采理论依据

2.1 充填控制地表沉陷的原理

煤矿开采地表沉陷是由于煤层开采形成的空洞对岩层原有平衡状态的破坏,造成空洞周围岩(煤)体临空而发生在垂直方向和水平方向上的缓慢或突发性的变形、破坏和运动的结果,即地表沉陷和矿山压力显现的根源是开采形成的空洞——采空区。对于充填开采来说,最大程度地密实采空空间,减少向地表的传播是解决问题的关键。根据空隙量守恒定律[4-6],煤炭开采形成的地表沉陷盆地体积 Vs可用式 (1)估算。

式中,Vg为采空区体积;Vf为充入采空区的充填材料体积;Vv为上覆岩层滞留空隙体积,即未扩散到地表的空隙体积;Vfc为充填体在采空区内凝固及承载后的体积压缩量。

由式 (1)可知,减少地表沉陷量的主要途径有 3个：提高充填率,密实采空空间;增强充填体物理力学性能,减少其压缩变形量;增大上覆岩层滞留空隙体积。但上覆岩层滞留空隙大小与所形成的自稳性结构之间的关系非常复杂,人为控制困难,故在工程中应主要采用前两个途径。

2.2 巷式充填全采过程

高水材料与矸石固结体巷式充填全采,其实质是利用高水材料与矸石凝结形成的具有一定强度的固结体,以掘进煤巷的方式间隔并逐步置换全部煤炭的一个过程。其基本思路为：首先通过掘进煤巷,把其中的煤炭取出,然后用抛矸机向巷道内抛矸并浇注高水速凝材料,经过一定时间的物理化学反应,形成固结体代替煤炭充实整条巷道;间隔 1个巷道宽度进行第 2条巷道的充填过程,再进行第3条,如图 1a中 (1), (2), (3)所示。待充填区第 1轮充填完毕后,进行第 2轮的置换开采,如图 1b中 (4), (5),至此完成一个循环。接着从第 6条巷道开始新的循环。反复按照前述顺序,最终实现整个块段的置换开采。间隔开采的目的是使高水速凝材料与矸石胶结形成的复合固结体有足够时间达到相应的强度需求,同时整个开采跨距小于基本顶初次垮落步骤。

图1 巷式充填全采过程

2.3 煤岩体受力及岩移分析

整个开采过程中,复合固结体逐步替代原位岩体支撑上覆岩层。由于复合固结体具有一定的可压缩性,覆岩体内部岩层从下向上在重力γH的作用下逐步产生较小的弯曲变形。在存在支撑煤柱的情况下,由于固结体本身支撑力没有达到足够的强度,煤柱上方压力将超过原来的γH,随着充填体在巷道产生一定的变形后,煤柱与充填体共同承担覆岩载荷。在全部回采结束后,覆岩压力γH平均分布在复合固结体上。整个过程表现为从一元承载结构向二元承载结构,再从二元承载结构向一元承载结构的转变。故从控制地表沉陷的角度看,增强充填体的初期强度,减少压缩变形量是较好的工程选择。

3 复合固结体强度测试

3.1 试验设计

为了测定复合充填体在不同配比下的强度,以矿井掘进矸石的体积在复合充填体中所占比例为基准设计了 5组试验,每组试验中又分为 3个小组(采用不同的水灰比),每种条件组合分别就龄期1d,3d,7d,28d进行了单轴压缩试验。具体试验设计见表 1。

表1 复合充填体强度试验设计

3.2 试验结果与分析

各条件下单轴压缩试验结果见图 2。

试验结果表明：当矸石掺量小于 10%时,复合固结体强度与纯高水速凝材料固结体相比,性能有所提高,当矸石掺量大于 20%后,固结体强度总体性能有所降低。固结体性能能否满足生产要求,取决于复合充填体能否满足自稳和长期稳定的强度需求。

4 复合固结充填体稳定性分析

充填开采时充填体是采空区岩层控制的主要承载体,其稳定性对于地表沉陷的控制有重要影响[4]。复合固结体初期主要作用是占据采煤形成的采空空间,需要保证其自身的稳定性;后期随着工作面向前推进,上覆岩层逐渐发生变形,新的充填体逐渐起到对上覆岩层的支撑作用,故需要保持其长期稳定性。

图2 单轴抗压强度与时间及水灰比的关系

4.1 自稳性分析

充填体自身的稳定性主要与其高度、宽度和强度有关,可用基于岩石力学极限平衡分析得到的托马斯模型进行计算[7],公式为

式中,σc为充填体的强度,MPa,γf为充填体重力密度,MN/m3;hf为充填体高度,m;l为一次构筑的充填体宽度,即巷道宽度,m。

对于新驿矿巷式充填开采区域,煤层平均厚度2.5m;巷道沿煤层掘进,宽度 4.0m,参照复合充填体强度试验,即使在矸石所在体积百分比为70%时,充填体重力密度 0.025MN/m3,其强度远远满足自稳要求。

4.2 长期稳定性分析

充填体的长期稳定性,反映了充填体在长期承受最大载荷的情况下保持稳定的能力,应首先确定充填体所承受的载荷,然后根据充填体的强度及其尺寸对其稳定性进行分析。

(1)充填体载荷计算 充填体的工作载荷是指充填体承受的最大载荷。充填体的受力与许多因素有关,如采深、上覆岩层结构、地质构造、岩层的物理力学性质、充填区域尺寸及倾角等多种因素有关。要准确计算充填体所承受的载荷目前尚无好的方法[4]。对于近水平完全充填开采,可采用覆岩自重进行估算。

式中,γ为上覆岩层密度,MN/m3;H为采深,m。

(2)充填体强度 充填体强度是充填体稳定性分析的基础。参照比涅乌斯煤柱强度模型确定[3],公式为式中,σp为充填体强度,MPa;σm为现场临界立方体试件单轴抗压强度,MPa;W为充填体的宽度,m;h为充填体的高度,m。

根据文献[8-9]对于充填体——人工构筑物转换参数的研究,结合现场实践经验,对于高水速凝材料与矸石组成的复合充填体,按σm=0.8σc进行充填体的稳定性分析是可行的,其中σc为实验室充填体试块的单轴抗压强度,MPa。故充填体的整体强度可按式 (5)进行计算：

(3)充填体稳定性分析 要保证充填体的长期稳定,可以取 1.5～2.0倍的安全系数[3],即安全系数满足：

把式 (3)、式 (5)代入式 (6),取安全系数为 2.0,即可得到保持充填体长期稳定性的实验室充填试块强度要求计算公式

新驿矿充填区巷道宽度为 4.0m,采深平均502m,采高 2.5m,上覆岩层密度按平均 2.1t/m3计,可知复合充填体的实验室试块强度应大于2.01MPa。根据高水材料与矸石形成的复合充填体试验可以看出,在矸石体积比 70%,水灰比 2.5,龄期 8d时,强度仍能满足要求。

5 工程应用概况

5.1 充填设备与工艺

根据开采方案,高水材料充填系统设备构成包括：1台双液注浆泵 YZB-200/11,用于同时泵送A,B两种充填料;4个 Jb-1000搅拌桶,其中 2个用于 A料,2个用于 B料;混合器 1个,位置位于距充填头 40m处。矸石充填系统选用以下设备各 1台：矸石充填机 (由胶带机自制),TLL-1/6推车机、FDBZ-1/6翻车机、破碎机,K300A给煤机、DSP1010/650机尾驱动式胶带输送机。

充填工艺：高水材料充填和矸石充填采取平行作业方式。矸石矿车经推车机推入翻车机,翻车机翻矸到破碎机,破碎机把矸石破碎成粒径小于150mm的矸石存放到矸石仓,由矸石仓下口入给料机,将矸石转载到胶带输送机上运至充填机,充填到充填巷内。高水材料 A,B料在泵站搅拌均匀后,按 1∶1比例经 2路 φ75mm钢管向充填巷泵送,在充填头混合器内充分混合,最后从混合器经 1根胶管把混合好的高水材料灌入充填巷。

5.2 经济效益分析

新驿煤矿充填试验区可布置巷道 40条,长度87～122m,平均 111m,可采出煤炭 80kt,所需充填体积 27672m3,按矸石所占体积 60%计,可解决掘进断面为 13.6m2的全岩巷道 1220m的矸石量。不考虑矸石地面堆积费用,充填全采可获得的直接经济效益为 1208万元。

6 结论

(1)根据空隙量守恒定律,在工程中减少地表沉陷量的主要途径为：提高充填率,密实采空空间;增强充填体初期强度,减少压缩变形量。

(2)运用矸石与高水速凝材料形成的复合固结体进行巷式充填开采时,应根据开采条件合理确定材料配比,满足充填体保持稳定的强度需求。矸石掺入量增加,固结体强度减弱。

(3)本技术的成功运用既可有效控制地表沉陷,又可避免矸石升井带来的环境危害,具有良好的技术经济效果。

[1]胡炳南,张文海,高庆潮,等 .矸石充填巷式开采永久煤柱试验研究 [J].煤炭科学技术,2006,34(11)：46-48.

[2]杨 逾,刘文生,冯国才,等 .注充宽条带跳采全采采煤法[J].煤矿开采,2005,10(5)：1-3.

[3]吴立新,王金庄,刘延安,等 .建 (构)筑物下压煤条带开采理论与实践 [M].徐州：中国矿业大学出版社,1994.

[4]瞿群迪 .采空区膏体充填岩层控制的理论与实践 [D].徐州：中国矿业大学,2007.

[5]郝庆旺 .采动岩体空隙扩散模型及其在开采沉陷研究中的应用 [D].徐州：中国矿业大学,1988.

[6]郝庆旺 .采动岩体的空隙扩散模型与空源作用分析 [J].中国矿业学院学报,1988,17(2)：30-36.

[7]卢 平 .确定胶结充填体强度的理论与实践 [J].黄金,1992,13(3)：14-19.

[8]王泽云 .不同强度等级混凝土尺寸效应的讨论 [J].四川建筑科学研究,2005,31(1)：95-98.

[9]钱觉时,黄煜镔 .混凝土强度尺寸效应的研究进展 [J].混凝土与水泥制品,2003,(3)：1-5.

Application of Full M in ing by Stowing Roadway with Combined Induration Body

L INai-liang1,FENG Guang-ming1,Li Zong-guo2
(1.Mining Engineering College,China University ofMining&Technology,Xuzhou 221116,China;2.Xinyi Colliery,LinyiMining Group,Yanzhou 272116,China)

For anomalistic coal mining under buildings,this paper put forward a technology of full mining by stowing roadway with combined induration bodywhich included high-water-content quick-setting material and waste rock on the basis of subsidence control theory of stowing.After coal roadwaywas driven,combined induration bodywas stowed into the roadway.Coalwas fullymined by repeatedly replaced.It also researched the relationship of combined induration body strength and high-water-content quick-settingmaterial’s ratio ofwater to ash and refuse quantity and time with strength test of stowing body.It presented a method for deter mining stowing body strength by analyzing stability requirement.Practical application showed that this technologymight control effectively surface subsidence and avoid refuse pollution.Good technical and economic effect hasmade.

combined induration body;stowing roadway;fullmining;stability

TD823

A

1006-6225(2010)01-0050-04

2009-10-13

煤炭资源与安全开采重点试验室基金 (07LF13)

李乃梁 (1973-),男,河北泊头人,讲师,博士研究生,从事采矿技术方面的应用与研究。

徐乃忠]