公路下压煤巷式似膏体充填开采暂留煤柱合理宽度优化

赵卫强

(北京工业职业技术学院，北京 100042)

巷式似膏体充填开采技术是间隔一定距离顺序掘进巷道，地面充填站将粉煤灰、矸石、水泥等制备的似膏体料浆通过管路输送至井下充填，待充填体凝固后依次回收巷间煤柱并充填。此技术已在赤峰西拉沐沦公格营子矿成功应用。它不仅采出了本矿“三下”压煤，而且消耗掉大量矸石，具有良好的经济效益和社会效益。巷式似膏体充填其充填体密实性、可塑性好，终凝后可承受较大的支承应力，能够为围岩提供主动侧限压力，因而不需要留设永久护巷煤柱，能实现全采全充，充分提高煤炭资源的采出率[1-3]。但是，由于技术经济等多方面原因，巷式似膏体充填法的应用较少。另外，实践中不同充填体质量条件下，对覆岩移动变形及地表沉陷规律影响的研究并不多见。

巷式似膏体充填开采中，暂留煤柱是指第一轮开挖的两条充填巷之间的煤柱，其合理宽度对于确定开采区域的工序循环、巷道布置、充填体承载力及稳定性、回采成本和地表沉陷控制等方面具有重要意义[4-6]。暂留煤柱完全采出，充填体要完全承受上覆岩层的重量，在采充过程中，其采场矿山压力的演化规律和时空分布特点与传统留设永久性煤柱方式有明显区别[7-10]。因而传统的煤柱宽度确定方法，已不能满足本文中暂留煤柱宽度的选择。

根据巷式似膏体充填开采的自身工艺特点以及采充全过程矿压分布规律，依据极限状态下似膏体充填体的强度要求，对暂留煤柱的宽度进行优化分析，并在公格营子矿高速公路下压煤的开采过程中进行了实践应用。研究成果不仅涉及到煤矿绿色开采的安全生产，而且对公格营子矿“三下”采煤(特别是其强含水层下)巷式充填开采的应用实践提供了一定的依据和指导。

1 公格营子矿水下压煤概况

公格营子煤矿位于赤峰市元宝山区公格营子村北部。矿区内地表较平坦，标高+488.12～+491.48m，第四系表土厚4～6m，下覆厚20～23m的强孔隙含水层，是该矿主要含水层。侏罗系含煤地层中，主采6#煤，平均厚度约15m，局部可达20m以上，倾角5°～14°，属特厚煤层。顶板以中硬砂砾岩为主，夹杂砂岩，局部有页岩，厚20～60m，无较好或较完整的泥岩隔水层，岩石裂隙较发育，有导水性。岩层岩性特征如图1所示。

图1 岩层岩性特征

2 充填体的承载机理

2.1 矿山压力时空演化规律

巷式似膏体充填开采技术中，掘进巷道即采煤，其工艺的过程为：首先掘一条充填巷，将其中的煤炭开采出来后，间隔一段距离掘下一条充填巷，同时，用充填料浆将上一条充填巷充满，待料浆凝固后，形成固结的充填体代替煤柱支撑顶板，之后重复多轮上述过程，直到该开采区域的煤炭完全采出，如图2所示。

图2 开采充填工艺

随着充填巷内煤炭被采出，充填巷顶板及其上方岩层在矿山压力作用下弯曲、下沉乃至破碎，并产生一定高度的裂隙带，在关键层的作用下，矿山压力向充填巷两帮深部转移。当下一条充填巷被掘出后，两条充填巷之间暂留煤柱的强度要大于其承受的载荷，即一条充填巷上方和煤柱上方的岩层重量之和。随着充填巷开掘循环次数的增加，充填巷数量的不断增加，裂隙带高度和范围增多、暂留煤柱变窄，暂留煤柱上方的载荷相对增多，但由于煤柱旁的充填体为煤柱提供了侧限，根据胡炳南对煤柱强度推导可以知道，当煤柱有侧限的情况下近似认为可以承受无限大的载荷，此时煤柱旁的充填体承受的载荷只是该充填体上方垮落带高度范围内的岩层重量，在该情况下充填体和煤柱的强度往往能满足要求，因此不需要考虑其强度问题。

当最后一个煤柱开采时，前一个充填巷尚未充满或者充填体尚未固结的时候，顶板支承压力完全由充填体承担。此时，充填体承受的压力最大，其所受支承压力为上覆岩层裂隙带、垮落带部分重量及其由未破断的关键层传递下来的上覆岩层重量，矿山压力显现明显。

2.2 煤柱强度校核

2.2.1 煤柱平均应力

根据巷式似膏体充填开采中顶板和煤柱的作用关系，充填巷上覆岩层的顶板受到的作用力为均布载荷，煤柱对顶板的支撑作用如图3所示。采充过程中暂留煤柱宽度相同，各煤柱的受力状态相同，故每条充填巷的载荷平均分配到两侧的煤柱上。

图3 煤柱对顶板的支撑作用

煤柱单位面积的平均载荷即平均应力为：

式中，W为煤柱宽度，m；a为充填巷宽度，m；H为巷道埋深，m；r为上覆岩层平均体积力，kN/m3。

根据公格营子煤矿的实际情况，巷道工作面充填宽度定为4m，上覆岩层平均体积力r取25kN/m3，巷道的埋深147m。当煤柱宽度分别为4m、8m、12m时，由式(1)计算的煤柱的平均应力分别为：7.35MPa、5.51MPa、4.90MPa。

2.2.2 煤柱强度计算

煤柱强度主要由组成煤柱的煤体强度、煤柱宽度和高度及总的构造特征决定。浩兰德(Holland)公式：

式中，σP为煤柱强度，MPa；σm为煤柱单轴抗压强度，MPa；W为煤柱宽度，m；h为煤柱高度，m

取煤层的单轴抗压强度σm=6.3MPa，煤柱高度h=3m，得出了不同煤柱宽度下的煤柱强度和平均应力，具体见表1。

表1 不同煤柱宽度下的煤柱强度和平均应力

从表1中可以看出，随着煤柱宽度的增大，煤柱的强度在不断地增大。当煤柱宽度为W=8m或12m时，煤柱的强度大于平均应力，在这种情况下，煤柱短期内是稳定的。当W=4m时，煤柱的强度7.27MPa小于煤柱的平均应力7.35MPa，表明煤柱短期内已不稳定。

2.3 煤柱塑型区宽度计算

煤柱的弹塑性变形区及应力分布如图4所示。根据岩体的极限平衡理论，回采空间和采准巷道在护巷煤柱两侧形成了各自的塑性变形区，塑性区的宽度分别为x0、x1、x2。煤柱承受顶板压力后，相邻煤柱赋存条件基本相同，因此，两侧形成的塑性变形区宽度也基本相同，可取x0=x1=x2。

图4 煤柱的弹塑性变形区及应力分布

巷式充填开采，充填巷的掘进过程中对巷道两帮进行支护，支护阻力使暂留煤柱的强度和稳定性增加，同时也使暂留煤柱产生了一些与条带煤柱不同的一些性质，为此巷式充填暂留煤柱宽度的计算可采用极限平衡理论。该理论最早由A.H.Wilson提出，并经国内外学者进行了大量的补充和完善，其计算公式如下[11，12]：

该煤柱保持稳定的条件为：煤柱两侧产生塑性变形后，在煤柱的中央存在一定宽度的弹性核，该弹性核的宽度应不小于煤柱高度的2倍。为此，保持煤柱稳定性的最小宽度B应为：B=x0+2m+x1，经计算得x0=0.44m，则B=6.88m。因此，考虑到煤柱的长期稳定性，暂留煤柱的宽度选取W=8m或12m合理。

3 暂留煤柱宽度优化模拟研究

3.1 模型建立

模型X方向尺寸为100m，Y方向尺寸为20m，Z方向尺寸为112m；分层开采，采高3m，采宽4m，每次回充宽度4m；模型底板厚度为22m，顶板厚度为25m。

根据公格营子煤矿的煤层柱状图，模拟计算所采用的各煤岩层力学参数见表2。实验中充填料浆能够良好接顶，工程实践中充填率可达95%甚至以上，计算中充填率取95%。

3.2 模拟方案及过程分析

本次模拟主要针对巷式似膏体充填开采暂留煤柱的合理宽度进行研究。在巷道宽为4m，充填巷间护巷暂留煤柱宽分别为4m、8m、12m的不同宽度组合情况下，分析煤柱塑性区范围、煤柱最大垂直应力等变量的变化情况[15-20]。

表2 煤岩力学参数

3.2.1 方案一：暂留煤柱宽度W=4m

煤柱宽度4m，煤柱一侧为充填体，但充填时间短，充填体强度较低时，可认为尚无承载力，暂留煤柱承担全部载荷，另一侧为正在回采的巷道。煤柱塑性区和垂直应力分布如图5所示。

图5 4m暂留煤柱模拟结果

由图5可得，巷道顶板和两帮都发生了塑性破坏，煤柱两帮塑性区深度为2m，顶板塑性区深度为2m。煤柱最大垂直应力为3.30MPa。分析可知，煤柱宽度4m时，煤柱已完全发生塑性破坏，不存在弹性区，不能保证煤柱的稳定性要求。煤柱最大垂直应力为3.30MPa，远小于理论分析的应力7.35MPa，说明煤柱已破坏，上覆岩层的重量由周围的煤体支承，应力峰值向周围的煤体转移。

3.2.2 方案二：煤柱宽度W=8m

煤柱宽度8m，煤柱一侧为充填体，但充填时间短，充填体强度较低时，可认为尚无承载力，暂留煤柱承担全部载荷，另一侧为正在回采的巷道。煤柱塑性区和垂直应力分布如图6所示。

图6 8m暂留煤柱模拟结果

由图6可得，巷道顶板和两帮都发生了塑性破坏，煤柱两帮塑性区深度为2m，顶板塑性区深度为2m，煤柱最大垂直应力为4.50MPa。分析可知，煤柱弹性区宽度4.0m，该值介于煤柱高度与两倍煤柱高度之间(3～6m)，能满足煤柱较长时间内的稳定性要求。煤柱最大垂直应力4.50MPa，接近于理论分析的5.51MPa，该值远小于这种情况下的煤柱强度10.29MPa，说明煤柱可稳定承载上覆岩层的全部重量。

3.2.3 方案三：煤柱宽度W=12m

煤柱宽度12m，煤柱一侧为充填体，但充填时间短，充填体强度较低时，可认为尚无承载力，暂留煤柱承担全部载荷，另一侧为正在回采的巷道。煤柱塑性区和垂直应力分布如图7所示。

图7 12m暂留煤柱模拟结果

由图7可知，巷道顶板和两帮都发生了塑性破坏，煤柱两帮塑性区深度为2m，顶板塑性区深度为2m，煤柱最大垂直应力为4.30 MPa。分析可知，煤柱弹性区宽度8m，该值大于两倍煤柱高度(6m)，能满足煤柱长时间内的稳定性要求。煤柱最大垂直应力4.33MPa，与理论分析的4.90MPa大致相等，该值远小于这种情况下的煤柱强度12.60MPa，说明煤柱能稳定承载上覆岩层的全部重量。

综上三种方案可知，煤柱为8m和12m时，煤柱的稳定性好，能够满足煤柱较长时间内的稳定性要求。

3.3 采充工艺过程模拟

为研究采充工艺过程中充填体逐渐承载压力时，矿压显现时空演化规律，对煤柱、充填体的垂直应力和顶板的垂直位移进行模拟计算。以暂留煤柱宽度W=8m方案为例，采充过程中分别依次选取8m暂留煤柱、4m煤柱+4m充填体、8m充填体三种典型工艺流程时垂直应力和垂直位移分布，如图8、图9所示。

图8 三种典型工艺流程时其上垂直应力分布

图9 三种典型工艺流程时其上垂直位移分布

由图8可以看出，随着采充过程的不断推进，已凝结的充填体所承受的垂直应力不断增大。第一轮首采时，其上载荷全部由8m暂留煤柱承担，煤柱最大应力为4.50MPa；第二轮随采4m暂留煤柱随充4m充填体，煤柱最大应力为5.60MPa，充填体逐渐承接应力在1～2MPa；第三轮完成全部暂留煤柱随采随充，充填体逐渐承接应力在约3.00MPa。即随着采充工艺的推进，充填体逐渐承接暂留煤柱所承受的载荷，并最终承担其上覆岩层的全部载荷。在整个采充过程中，其采场上覆最大应力依次为4.50MPa、5.60MPa、3.00MPa，均小于对应的煤柱强度值(表1中“8m煤柱”强度10.29MPa)。因此，在三轮采充过程中煤柱和充填体柱均不会发生破坏，该方案可行。

由图9可以看出，随着采充过程的不断推进，煤层顶板会发生弯曲下沉，从第一轮到第三轮顶板最大下沉量依次为29mm、32mm、36mm。可见，随着充填开采的进行，煤层顶板下沉量逐渐增大，但下沉量总体比较小。因此，选取留设8m煤柱进行三轮采充的方案是可行的。

3.4 模拟结果分析

1)当煤柱宽度为4m时，没有弹性核煤柱，煤柱体全部塑性破坏，且有坍塌的危险；当煤柱宽度为8m时，有4m的弹性核宽度，实际所受应力接近煤柱强度的一半，能够保证煤柱的长期稳定；当煤柱的宽度为12m时，有8m的弹性核宽度，实际所受应力远小于煤柱强度，能够保证煤柱的长期稳定。

2)对留设8m煤柱充填过程的模拟可知，采充过程中煤柱和充填体承受的最大载荷均小于相应煤柱的强度，顶板的总体下沉量不大，且回采次数最少，煤炭回采率最高。综合考虑经济与安全，煤柱宽度W=8m为最优方案。

4 结 论

1)暂留煤柱宽度为4m时，煤柱短期内已不稳定；暂留煤柱宽度为8m时，煤柱短期内稳定，且煤柱弹性核宽度大于煤柱高度，也能保证煤柱的长期稳定；暂留煤柱宽度为12m时，煤柱短期和长期内都能达到稳定。技术经济分析，确定方案二为最优方案，暂留煤柱W=8m。

2)在采充工艺过程模拟中，分析暂留煤柱、充填体的垂直应力和顶板的位移可知，随着采充工艺的推进，充填体逐渐承接暂留煤柱所承受的载荷，并最终承担其上覆岩层的全部载荷，完全取代煤柱后不会发生破坏，且顶板的总体下沉量较小，因此，保证了地表的安全稳定。

3)公格营子煤矿提出采用采高3m、采宽4m、留设8m煤柱的巷式似膏体充填开采方案，这种方案回采次数最少，技术经济效果最好。