似膏体材料巷式充填地表减沉试验分析

张 帅

（山西焦煤集团店坪煤矿，山西 吕梁 033199）

1 工程概况

充填采煤是解决我国“三下”压煤问题的有效方法，符合国家倡导绿色矿山的概念，因而在我国煤矿被广泛应用[1-2]。根据充填材料的不同，现有的充填方式主要有膏体充填、似膏体充填以及高水材料充填。充填材料是影响充填效果的关键，其中粉煤灰膏体充填材料获取广泛，强度高，地表控制效果比矸石充填显著，但粉煤灰的浆体质量浓度高，管道输送困难，需要高压泵体输送，不适合在地表下沉控制要求极高的地区使用[3-5]。为了避免这些缺点，以店坪煤矿152304 工作面巷式充填为背景，展开以粉煤灰为主料且能够自流输送的高流态似膏体材料的研究。

店坪煤矿152304 工作面走向长约290 m，平均倾向长约160 m，埋深近235 m，煤层厚约2.5 m，倾角较小，为近水平煤层。通过对国内部分充填开采的工程实例分析，提出该工作面采用似膏体巷式充填开采具备以下技术优势：（1）短壁式充填开采一次揭露顶板面积小，围岩闭合量小；（2）15#煤层的顶板为9 m 厚的稳定灰岩，顶板管理难度低；（3）工作面采用连采机，掘进速度快，效率高，极大程度缩减工期；（4）巷式充填的采、充工序可以实现平行作业，施工效率较高；（5）粉煤灰取自矿方自产，有助于降低充填成本；（6）高性能充填材料，在简化充填工艺的同时确保有良好的充填效果；（7）相邻周边矿井（某煤矿高水巷式充填开采）已有的成功实践为店坪煤矿巷式充填开采的顺利实施提供了宝贵经验。综合考虑，决定在152304 工作面采用巷式充填开采，自主研发高性能的似膏体充填材料，并在工业性试验前通过相似模拟展开似膏体充填的地表减沉效果分析。

2 似膏体充填材料配比试验

似膏体充填材料配比试验中，固定水料比为0.7，其中粉煤灰的质量比例为80%，激发剂A1 为1%，矿粉和生石灰的百分比总和固定为20%，变化二者的比例，对比二者比例变化对充填材料的扩展度以及抗压强度的影响。试验结果见表1。

根据试验过程和试验结果可知，随着矿粉的质量比例减小，生石灰质量比例增大，粉煤灰似膏体充填材料的流动扩展性能逐渐降低，即生石灰比例越小，矿粉比例越大，材料的流动性能越好。随着矿粉掺量增大，生石灰减小，似膏体材料的单轴抗压强度先增大后减小。最后确定，在实际应用中，矿粉的比例在5%～10%之间，生石灰的质量比例在15%～10%之间。

3 似膏体巷式充填相似模拟试验

确定好似膏体充填材料矿粉和生石灰的比例后，在进行工业试验前，以实际工作面地质条件为基础，展开相似模拟试验，分析似膏体巷式充填的效果。根据工作面实际条件，选用4 m×0.3 m×2.5 m（长×宽×高）规格的钢模型架进行试验，如图1。综合考虑模型架尺寸及其他相关因素，得出其几何相似比为1:100，时间相似比0.1，容重比为0.6，强度比0.006，弹模比0.006，泊松比1。

图1 相似模拟试验模型

本次试验选取沙子、石膏、碳酸钙、水和硼砂为相似模拟材料，依据被模拟岩层的物理力学性质及试验设计的相似系数确定其各自的配比号。相似模拟试验中采用经纬仪进行岩层位移观测。岩层位移观测点的布置方式如下：沿岩层方向从下至上布置6 条观测线，每条测线布置19 个观测点，总计114 个。1～6 号测线分别距煤层顶板3 cm、19 cm、36 cm、52 cm、125cm、210 cm，每条测线上相邻两测点间水平间距为20 cm。各位移测点布置如图2。

图2 相似模型测点布置示意图

（1）开挖参数

现场施工时，采场巷道和隔离煤柱的尺寸选为6 m×1.5 m（宽×高），采用“采一留一、随采随充”的作业方式，掘进面日进尺为15 m/d。模拟试验中，相似模拟试验设计，取几何相似比为1/100，时间相似系数为0.1，据此折合计算后的模型中采场巷道尺寸为6×1.5 cm（隔离煤柱尺寸与之一致），每间隔1 h 推进6.3 cm，单条采场巷道开挖完毕需4.8 h。此外，模型两端各留出50 cm 的隔离煤柱以降低其边界效应。

（2）充填材料的制备

以试件1-4为参照，以其最终强度（90 d）为依据，选定合适的材料配比号。以沙子为骨料，石灰、石膏为胶凝材料，用事先做好的模具（模具规格与模型中的采场巷道一致）将充填体提前制备成型并晾干，待采场巷道开挖完毕后再将其回填至采出空间。

（3）开挖及回填过程

在距模型左边界500 mm 处开挖第一条采场巷道，巷道贯通后随即进行回填，同时间隔一定距离开挖下一条采场巷道，以此为循环直至距模型右边界500 mm的位置完成第一阶段的开挖和回填工作。第一阶段回采和充填完成后，模型中共开挖采场巷道23 条，回填23 条，遗留隔离煤柱22 条，至此间隔一定时间待覆岩达到充分采动之后，使用全站仪观测各测点的坐标值，整理数据绘制图。

由图3 可知，巷式充填的第一采充阶段完成后，下沉盆地中部各测点垂直位移大小的分布表现出明显的“区域性”。其中，煤层上方的1#测线中的1-8号测点的下沉量达0.23 mm，为该条件下的最大下沉值，发生在距模型左边界1600 mm。此外，模型从上至下各测线的垂直位移逐渐减小，其中5#、6#测线的测点下沉值为零，说明在充填体和隔离煤柱形成的覆岩支承体系中，开采扰动引发的岩层移动只波及到煤层上方4#测线位置。

图3 第一采充阶段后测点位移曲线

从图4 可知，完成第二采充阶段后，各测线的下沉量较第一阶段有显著增加，其中距离煤层较近的1#测线最大下沉值达0.52 mm，发生在距离模型左边界1500 mm 处。此外，随着远离工作面各测线的下沉量逐渐降低，但6#测线较第一阶段已经产生较为明显的移送下沉，最大下沉值为0.132 mm，说明二次采动进一步加深了采动影响程度，扩大了采动影响范围，覆岩运移表现得更为活跃；下沉盆地中部各测点垂直位移分布的“区域性”消失，转而表现为下沉盆地中部各测点垂直位移近似相等；岩层间的下沉趋势表现出明显的“一致性”，下沉曲线的形态都近似为碗形。

图4 第二采充阶段后测点位移曲线

综合所述，采用似膏体材料充填，煤层上覆岩移动稳定后，工作面处地表的最大水平变形率为0.011 mm/m，最大倾斜值0.06 mm/m，工作面的地表建筑在Ⅰ级损害范围内。该相似模拟试验表明，店坪煤矿15#煤采用巷式似膏体充填开采能取得较理想的地表保护效果。

4 结论

（1）形成了以粉煤灰为主料，矿粉、生石灰和石膏为胶凝材料的似膏体充填材料体系，确定了似膏体材料配比，粉煤灰比例为80%，矿粉为5%～10%，生石灰为10%～15%。粉煤灰似膏体材料的研发为152304 工作面开展充填开采提供了基础。

（2）似膏体巷式充填开采地表减沉相似模拟试验结果表明，第一阶段采充后煤层上覆岩层移动较为“轻缓”，顶板最大下沉值为0.23 mm，第二阶段岩层移动相对剧烈，下沉曲线的形态近似为碗形，垂直位移最大值0.52 mm。结果表明巷式充填开采能高效回收煤炭资源，有效控制工作面地表的下沉，确保地表建筑破坏在I 级损害范围，为152304 工作面展开巷式充填开采提供理论指导。