巷式充填采煤技术研究

姜 波

(同煤集团云冈矿综采二队，山西 大同 037017)

引 言

“三下”压煤指的是在建筑物，水体和铁路下的压煤现象。据统计，我国探明的“三下”压煤总量为141亿t。其中，65%为建筑物下压煤，约为91.6亿t[1]。与铁路压煤和水体压煤相比较，建筑物下压煤的开采更为复杂。建筑物下压煤大部分为村庄下压煤，我国煤炭开采起步晚，分布零散，目前国内大部分矿区都存在村庄下压煤的现象。特别是在山西、河南和河北这些人口密度大的省份，由于村庄众多，人口密集，村庄下压煤已经占到总储量的20%以上。此外，一些老旧矿区也面临着采区资源枯竭的问题，需要开发新的工作面来延长矿井的工作年限。鉴于此，村庄下压煤开采技术已经成为了“三下”压煤开采中的重要研究对象，包括如何最大限度地开采村庄下煤炭资源，保护地面环境和建筑物，提高煤炭企业物料资源的利用率和增加矿区使用寿命等。

1 国内外研究现状

1.1 国外研究现状

国外建筑物下煤炭开采技术经过多年发展，根据它们本国煤矿的自身情况，主要有以下一些开采方式：

1) 填充开采。包括风力填充、密实水砂填充和煤矸石填充[2]。该技术是利用其他物质对采取巷道进行填充，达到减轻开采沉降，提高采取稳定性和增加资源回收率的目的。采用煤矸石填充还可以起到减少煤矿开采废弃物排放的作用。该项技术效果好，节能环保，但是需要高效的填充设备和成熟的填充工艺，目前采用这项技术的国家有波兰和英国。

2) 协调开采。该技术主要通过搭建巷道防变形建筑物来防止采区沉降。包括在巷道建设液压千斤顶，对已有的建筑物进行浇灌加固和设置变形缝等措施。协调开采效果好，成本较低但是对采区地质条件要求较高，部分英国煤矿企业和大部分德国企业使用该项技术。

3) 房柱式开采，目前国外大部分国家包括美国、澳大利亚、印度等国采用该项技术。其原理是在采煤区进行作业时，留设煤柱作为作业面支撑顶板。该项措施成本低、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选取是一个关键性的问题，不合理的设计将存在安全隐患和开采率不高的问题。

1.2 国内研究现状

我国建筑物下压煤开采技术自20世纪60年代开始，经过60年的研究实践，现已发展为开采沉陷学这门学科[3]。目前国内村庄下压煤开采主要基于采区的实际情况，根据不同开采条件和地面设施，采用填充开采、协调开采、房柱式开采和覆岩离层注浆法开采等技术。

巷式填充采煤技术是当前国内外使用最为广泛的村庄下压煤开采技术。与其他建筑物下煤炭开采技术相比较，该技术可以维持煤层地面地压的稳定，防止地面塌陷事故的发生，减少煤矿开采对环境的破坏。此外，还可以显著提升煤矿开采率，增加煤矿企业得经济效益，保证矿区的可持续发展。但是该技术有较高的技术和经济要求，目前在我国还没有得到广泛应用。这也是笔者进行巷式充填采煤技术研究的原因。

2 巷式充填采煤技术研究

本文以山西某矿采区为例，对其采区内的村庄下压煤开采技术作分析研究。

2.1 采区工作面开采方案

该采区工作面的巷道分布如图1所示。该采区一共设有23条支巷，每支巷的高度为2.5 m，宽度为6 m，每隔6 m设置一根保护煤柱。在进行开采工作时，巷道开口开采角度为60°，使用连续采煤机对工作面进行开采。

图1 采区工作面巷道分布

对巷道采取锚索和锚杆联合防护的加固措施[4]。使用高强度螺纹钢，在巷道内每2 m装置3根锚杆。锚索沿巷道中心线设置，采用高强度绞线。其设置图如图2所示。在设置完成后，对巷道顶板进行观察，若有构造损坏和崩裂现象，在该区域内改为间隔为1.2 m的锚杆分布，并且设置两条锚索。在进行开采工作时，采用支巷掘进技术和连采机开采工艺，具体配备设备包括连续采煤机、皮带传送机和铲用车。

图2 巷道支护装置设计图(mm)

2.2 巷式充填工艺

为了满足工作面的压力要求，结合该煤矿的现场实际状况使用高水膨胀材料作为填充物。该材料是以粉煤灰为主料，结合固化剂、膨胀剂和水进行搅拌后制成的浆状充填物。填充材料需要具备以下特性：

1) 凝固时间短，要求初凝时间大于1.5 h，在10 h内达到完全凝固。

2) 具有膨胀性，膨胀率不得低于0.02。

3) 流动性强，初始流动速度不得低于280 mm/h，平均速度不得低于220 mm/h。

4) 扩展性能强，但是沁水率必须小于0.03。

井下巷式充填工艺的流程如图3所示，在充填物准备完毕后，井下的充填工作需要和采煤工作相结合同步进行。充填工艺包括：

图3 充填工艺流程

1) 充填的循环方式，使用两条巷道充填一条巷道的模式。

2) 充填的管道铺设，充填主料管道采用强度大的钢材料，在出料口为了减轻对顶板的压力同时也方便搬运移动，采用轻型的PE管。

3) 充填的空间封堵，两侧由预留煤柱进行封堵，对于前后两端可以采用强度较高的钢材料板进行封堵，在充填时由顶板上方注入充填材料以达到封堵效果。

4) 充填程序，在两条巷道开采完毕后，对第一条巷道进行充填，通过相邻巷道检查煤柱的稳定性，为之后留设煤柱提供经验。

3 巷式充填采煤工作面上覆岩层变形规律模拟

为了研究巷式填充对覆岩层造成的影响，笔者根据该煤矿的地质条件对进行开采作业后的岩层形变进行了模拟研究。王台铺煤矿采区的岩层共分为26层，首先通过岩层荷载计算公式[4]，得到了关键层1(第1层)、关键层2(第15层)、关键层3(第22层)和主关键层(第25层)。根据固支梁理论公式，它们的破断距分别为39.63 m、60.04 m、67.07 m和80.52 m。

根据上述关键层和层破断距的数据，使用适当材料对该煤矿进行岩层模拟，模型如下图4所示。

图4 岩层模拟图

图4中白点代表煤柱，6条横向白线代表6个测线，每条纵向白点代表巷道。在煤柱的上方设置了压力传感器，通过模拟软件将压力信号转化为电信号，输出应力值。将每5条巷道编为一组进行实验模拟，共4轮。图5为每轮模拟实验中岩层应力的变化。

图5 岩层模拟应力变化图

从模拟的岩层应力变化图中可以看出，在支巷开始工作后，其周围的煤柱产生较大应力，但是对于远距离的煤柱几乎没有影响。煤柱的应力变化是根据巷道的工作状态分布，随着巷道的不断增多，巷道顶板对煤层的压力越来越大，所以各个煤柱承受的应力也随之增大。但是在巷道挖掘的整个过程中，所有巷道煤柱的应力值变化都不大。说明巷式充填开采可以有效缓解巷道煤柱受到的应力，达到保护巷道、维持岩层稳定的效果。

4 结语

巷式充填采煤技术作为一种新兴的建筑物下压煤开采技术，目前在煤矿的实际开采工作中还未得到广泛的运用。本文通过对该技术现场工艺的介绍和开采实验的模拟，得出了巷式充填采煤技术有着工艺简单、开采率高、保持岩层稳定和保护地面建筑等优点。可以提高了煤矿的使用寿命，节约了能源消耗，减少了煤矿废料的排放，实现矿区的可持续发展。