煤矸石梯形条带充填采空区可行性研究

徐春云

(安徽理工大学机械工程学院)

钱鸣高等提出了煤矿绿色开采的概念［1-3］，矸石的井下处理是绿色采矿的关键。矸石回填采空区，不仅能够实现绿色开采，解决矿区的矸石污染问题，而且矸石充填体还可以作为地下结构承载体支承上覆岩层，控制地表沉陷。在能满足控制岩层移动目标的同时，采出传统技术无法回收的煤炭资源，尤其在经济发达地区解决“三下”(建筑物、道路和水体下)压煤、边角煤柱等应受到重视［4-5］。

本研究在对矸石井下分选技术［6-8］、巷采矸石条带充填技术［9］以及综合机械化固体充填采煤技术［5，10］基础上，提出了梯形条带充填采煤岩层控制的等价采体理论，优化分析给出了梯形条带充填体的尺寸，并分析了采深、采高、充填体尺寸的变化对充填体稳定性的影响。

1 梯形条带充填采煤岩层控制的等价采体理论

实施采空区充填后，从岩层移动的角度看，就是使实际采出的煤厚降低了。对密实充填而言，等价采高［5，10-12］是指实际采高H减去充填物体的高度H0。以沿工作面方向单位长度采空区作为研究对象，等价采体指实际采出的煤和矸石体积减去充填矸石体积。实际充填工作面上，充填体都要在覆岩下沉作用下有一定的压缩变形量。以固体充填为例，任何固体在破碎状态都有一定的体积松散膨胀量，而在不同的压力下都会有相应的体积压缩量。假设充填固体经最终覆岩下沉压实后的高度为H0，则根据定义，等价采煤高度

如果充填时采空区的覆岩已有一定的下沉量Hc，设充填体从充填到最终压实过程中，压实系数变化量为Δk，则

将式(2)代入式(1)，得

如果初始充填时已经充分压实，即压实系数变化量为Δk=0，则从式(3)可看到

如果充填时采空区没有初始下沉，即Hc=0，则可从式(3)得到

假设某采煤工作面宽度为D，以2个梯形充填带作为一个充填周期，一个充填周期工作面向前推进距离为L，实际采出的煤和矸石体积为V，则根据定义，等价采体

采出的矸石用于回填采空区体积:

将式(1)和(6)代入式(7)得:

采用梯形条带充填，如果需要额外煤矸石(固体废物)压实充填到采空区的等价高度为Hs，则根据等体积充填有

由式(9)得

式中，a、b分别为梯形上、下底宽度，且满足

将式(10)其代入式(11)，且有a≤b，则每个梯形充填单元上下边长满足

2 梯形充填体尺寸的确定

为了降低充填成本，基于岩层控制的关键层理论［1，13-14］，提出了条带充填控制开采沉陷的思路:仅充填部分采空区，只要保证未充填采空区的宽度l小于覆岩主关键层的初次破断跨距L0(l≤L0)，且充填条带能保持长期稳定，就可有效控制地表沉陷。

未充填区域宽度l≥L－2a，由式(11)得

基本顶岩梁的初次破断极限跨度模型简化为［9］

式中，mt为直接顶的厚度，m;［σt］为基本顶岩梁的许用抗拉强度，MPa;γ为上覆岩层的平均容重，kN/m3。

对式(13)和(14)进行简化为

将式(15)化简得

根据某作面煤层地质条件，mt为粉砂岩的厚度，取18.31 m，粉砂岩的抗拉强度σt取1 MPa;容重γ取25 kN/m3。

3 梯形充填体稳定性分析

威尔逊通过实验得出从煤柱应力峰值到煤柱边界这一区段，煤体应力已超过了屈服点，并向采空区有一定量的流动，这个区域称为屈服区［13］，其宽度Y与采深h和采高H之间的关系为Y=λhH，其中λ=0.004 92。采用垂直工作面推进方向的梯形充填方式，由于其长度即采煤工作面的宽度D远大于其梯形等效支撑宽度e=(a+b)/2，可将其视为平面问题，因而可忽略梯形充填体前后两端的边缘效应。

充填体所能承受的极限荷载［13-14］为

式中，c为充填体体黏聚力，取3 MPa;φ为充填体内摩擦角，取32°。

充填体所能承受的实际荷载为

充填体的安全系数s=σs/σp，把式(17)和(18)代入其中得

以安全系数最大为目标函数，以梯形尺寸为约束条件，通过整数规划，优化得到最优梯形充填体尺寸为a=50 m。b=60 m梯形尺寸按Δ=10 m变化，取采高H=4 m和采深h=800 m，得到如图1所示的采深和采高对安全系数的影响曲线。

从图1(a)可见，开采深度对梯形充填安全系数影响较大。对于开采高度H=4 m的厚煤层开采，以a=50 m，b=60 m梯形充填尺寸的s－h曲线为例，要保证安全系数s≥2的开采，其最大采深hmax=659 m，且随开采深度增加梯形充填体安全系数减小。

图1 采深h和采高H对安全系数s的影响曲线

从图1(b)可见，开采高度对梯形充填安全系数影响较大。对于开采深度h=800 m的煤层开采，以a=50 m，b=60 m梯形充填尺寸的s－H曲线为例，要保证安全系数s≥2的开采，其最大采高hmax=3 m，且随开采厚度增加梯形充填体安全系数减小。

显然，随采深和采高的增大，要保持充填体的稳定性，必须增大梯形充填的尺寸宽度或提高充填体的强度，此时充填成本将会随之增大，因此，梯形充填开采对深部开采的适应性将降低。

分别以薄煤层、中厚煤层、厚煤层的3个采高为例，对梯形充填和密实充填方式进行比较，绘制如图2所示的梯形充填和密实充填采深对安全系数的影响曲线。

从图2(a)和(b)比较可见，采深和采高对安全系数影响较大，对于同一安全系数的开采，随着开采高度的增加，最大采深在减小。分别以梯形充填和密实充填采高H=4 m的s－h曲线为例，对于安全系数保证在s≥2.5的条件下开采，梯形充填和密实充填的最大允许采深为HTmax=402 m，HMmax=853 m采用密实充填方式最大采深提高了近1.12倍，但密实充填消耗了更多的充填材料。

显然，对于采高较小的薄煤层开采，梯形充填方式能满足深度开采的安全要求，但对于采高较大的厚煤层深度开采，密实充填方式具有更好的稳定性。

图2 梯形充填和密实充填采深h对安全系数s的影响曲线

4 结语

(1)提出了等价采体理论，实现矸石采空区的直接回填，是绿色开采理念的运用。

(2)充填体的稳定性随采深和采高的增大而减小，随充填体截面尺寸的增大而增大。

(3)梯形充填方式适用于采高较小的中薄煤层开采，密实充填方式更适用于采高较大的厚煤层的深度开采，梯形充填条带开采对深部厚煤层开采的适应性较低。

［1］ 钱鸣高，许家林，缪协兴.煤矿绿色开采技术［J］.中国矿业大学学报，2003，32(4):343-348.

［2］ 钱鸣高，缪协兴，许家林.资源与环境协调(绿色)开采及其技术体系［J］.采矿与安全工程学报，2006，23(1):1-5.

［3］ 缪协兴，钱鸣高.中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望［J］.采矿与安全工程学报，2009，26(1):1-14.

［4］ 王家臣，杨胜利.固体充填开采支架与围岩关系研究［J］.煤炭学报，2010，35(11):1821-1826.

［5］ 缪协兴，张吉雄，郭广礼.综合机械化固体充填采煤方法与技术研究［J］.煤炭学报，2010，35(1):1-6.

［6］ 董长双，姚平喜，刘志河.井下煤和矸石液压式自动分选技术［J］.煤炭科学技术，2007，35(3):54-56.

［7］ 钟志平，孔 力，刘文中.煤矸石在线自动分选系统的识别原理［J］.煤炭科学技术，2000，28(11):27-29.

［8］ 丰建荣.煤和矸石井下破碎分选理论及实验研究［D］.太原:太原理工大学，2006.

［9］ 徐春云.基于岩层移动理论的矸石条带充填采空区可行性研究［J］.金属矿山，2013(10):36-39.

［10］ 缪协兴.综合机械化固体充填采煤技术研究进展［J］.煤炭学报，2012，37(8):1247-1255.

［11］ 缪协兴.综合机械化固体充填采煤矿压控制原理与支架受力分析［J］.中国矿业大学报，2010，39(6):795-801.

［12］ 缪协兴，张吉雄.矸石充填采煤中的矿压显现规律分析［J］.采矿与安全工程学报，2007，24(4):379-382.

［13］ 王旭春，黄福昌，张怀新.A.H.威尔逊煤柱设计公式探讨及改进［J］.煤炭学报，2002，27(6):604-608.

［14］ 郭忠平，黄万朋.矸石倾斜条带充填体参数优化及其稳定性分析［J］.煤炭学报，2011，36(2):234-238.