充填采矿法在某煤矿的应用

2015-01-17郭健伟

现代矿业 2015年10期

关键词：步距采区条带

郭健伟

(枣庄市工业设计院)

充填采矿法在某煤矿的应用

郭健伟

(枣庄市工业设计院)

借鉴金属矿山充填采矿法，研究回收某矿“三下”压煤的可能性及具体充填方案；利用FLAC软件进行方案对比，最终确定充填方案。充填开采后，地表村庄建筑物的采动影响均控制在Ⅰ级范围内，地表沉陷量较小，可以保证村民正常、安全地生产生活，提高了煤炭资源回收率，延长了矿井服务年限，保持了矿井可持续发展，从根本上消除了条带采空区内煤柱失稳造成的地表塌陷、建筑物破坏等潜在的重大灾害的隐患，达到合理、安全开采的目的。

充填开采顶板管理采动影响地表下沉

随着煤炭资源的不断开采，很多矿区特别是老矿区正面临着资源枯竭的考验。为此很多煤矿企业联合科研院所共同研究新技术、新方法来缓解煤矿企业面临的压力，借鉴金属矿山充填采矿法的经验，充填采矿法在不少煤矿生产中得到了应用。本文以枣庄滕北井田某煤矿为例，研究利用充填采矿法回收已采区域的呆滞煤柱和未采区域煤层，为煤矿安全开采提供了技术方案和决策依据。

1 矿井概况

井田内地形平坦，地势由东向西逐渐降低，地面坡度约千分之一，属滨湖冲积平原，海拔标高为+39～+35 m，工业广场及井口标高分别为+38和+39.5 m。矿井采用一对立井开拓，为单一水平上下山开采，矿井东翼以-88 m、西翼以-127 m作为主要开采水平。采用中央并列抽出式通风，主井进风，副井回风。

本次设计范围为矿井西翼村庄下16煤已开采部分(包括西翼一采区、二采区、三采区)和东翼一采区。东翼一采区位于-88 m水平，位于B15断层以南到-88 m水平大巷范围内；西翼3个采区位于-127 m水平。其中东翼一采区无村庄及建筑物，西翼煤层全部位于村庄下面。设计区域已经部分进行条带开采，从1992年起，井田西翼村下压煤全部采用条带采煤法开采，采10 m留10 m。到目前为止16煤共采出条带655个，采出煤量80.7万t，保留条带564个，保留储量71.7万t。

该煤矿资源已接近枯竭，剩余储量基本都在村庄建筑物下，“三下”压煤量较大，建筑物下压煤开采是矿井的一项常态工作。同时，山东省煤炭工业局(2012)58号文件要求：年产量小于30万t/a的矿井必须在2015年底前关闭。因此，为了扩大产能、保证可持续发展，根据该煤矿现有的开拓布局和采区接续计划，开采西翼一采区西部的16煤资源势在必行。

2 充填采矿方案设计

近几年井下采空区充填控制地表沉陷逐渐被重视，主要有矸石充填、膏体充填等开采工艺。该煤矿已在东翼一采区进行了膏体充填开采实践，取得了成功的经验。根据区域地质开采条件及地表移动变形的基本规律，结合建筑物下压煤开采技术特点，该煤矿建筑物下压煤采用条带充填法开采。

采用条带充填体置换条带开采留设的煤柱，只要保证未充填采空区的宽度小于覆岩主关键层的初次破断跨距，覆岩主关键层结构保持稳定，且充填条带能全部承担上覆岩层的重量并保持长期稳定，就可有效控制地表沉陷。

2.1 初次裂断步距计算

按照嵌固梁计算直接顶(关键层)初次裂断步距：

(1)

式中，mz为直接顶厚度，4.33 m；σc为直接顶岩层抗拉强度，石灰岩为 4.9 MPa；ρ为直接顶岩层密度，2.5 t/m3。

计算得出Lz=41.19 m。

按照经验公式计算直接顶(关键层)初次裂断步距：

Lz=0.8M+25.7 ,

(2)

式中，M为石灰岩厚度，m。

计算得出Lz=29.16 m。

级索煤矿实测16煤顶板初次裂断步距为23～45 m。

综合考虑,确定初次裂断步距Lz=20 m。

2.2 充填体宽度计算

西翼一采区西部16煤单位推进距离所需充填条带总宽度：

(3)

式中，H为工作面采深，150 m；L为工作面长度，80 m；ρ为岩层密度，2.5 t/m3；σt为充填体强度，7.5 MPa。

计算得出Wz=40 m。

工作面推进20 m范围内充填12 m，充填率为60%，相当于80 m工作面长度范围内总的充填宽度为48 m，充填条带间距为8 m，即充填间距(Sc=8 m)小于直接顶初次垮落步距(Lz=20 m)，充填体支撑能力大于上覆岩层的重力，安全系数为1.2。最终确定条带充填开采方案为充12 m空8 m。

3 地表移动变形预计

根据充填开采沉陷控制的基本原理，采空区内充填体占据了上覆岩层的下沉空间，相当于大幅减小了开采高度；充填开采引起的地表沉陷就相当于充填体经充分压实后的等价采高所引起的地表沉陷。因此，可采用基于等价采高的常规垮落法进行地表沉陷预测。

概率积分法的移动变形计算主要公式[1]：

(4)

式中,x为计算点的坐标，m；坐标原点为计算边界(考虑拐点偏距)在地表的投影。

移动和变形的最大值及其位置：

(5)

地表移动变形计算结果见表1。由预计结果可以看出，采用充12 m空8 m，所有地面房屋遭受的最大移动变形值在Ⅰ级损坏程度下限以内，受采动影响很小，满足安全开采及保护建筑物的要求。

表1 充12 m空8 m地表村庄移动变形计算结果

注：W为地表下沉量；ε为水平变形；I为倾斜变形；K为曲率变形。

根据预计结果，该煤矿采用上述充填开采方案能够满足安全开采的要求，对地表建筑物的影响能够完全控制在设计范围以内。

4 充填采矿工艺

工作面采用倾斜长壁后退式采煤，膏体充填管理顶板[2-3]，上下面对拉生产，一次采全高，见顶见底，循环进尺为1.5 m，两面错距为3～6 m。采用单体液压支柱全断面支护顶板，柱距为1.5 m，排距为1.5 m。

在正常推采时，按照采4.5 m充4.5 m的标准执行，即上面开采煤层进尺达到4.5 m时，停止推采，充填4.5 m。同时，下面开始推采，待进尺达到4.5 m时，停止推采，充填4.5 m，上面继续推采。如此循环作业，将采面推至停采线位置结束。

充填前，沿第三排支柱打设隔离墙，待充填区长度约90 m。隔离墙采用单体支柱及竹胶板打设，柱间距不大于500 mm，竹胶板用14#细铁丝固定在待充填区的密集点柱内侧，并紧贴支柱。隔离墙要与顶底板接触严密，防止浆液泄漏，保证接顶效果。

隔离墙打设好后，用塑料编织布在待充填区内构筑半封闭充填空间。塑料编织布规格为120 m×2.0 m(长×宽)。塑料编织布依次铺设，顶底部各留0.35 m，底部向待充区折后用浮矸压住，顶部向待充区折后，沿折边用单体支柱加木板帽挤住，布边用水泥药卷和14#铁丝每0.5 m固定在顶板上。铺设在待充填区内的塑料编织布留有适当余量。

工作面由低处向高处充填。第一布料管充填5～10 min后，打开第二充填管，当第二布料管出料后，关闭第一布料管。第二布料管充填5～10 min后，再打开第三布料管，关闭第二布料管。依此类推，如此轮流切换充填。充填隔离示意见图1。