厚煤层分层膏体充填开采技术研究

侯晓飞

(1.潞安化工集团 安全管理部,山西 长治 046204;2.潞安化工集团 安保服务公司,山西 长治 046204)

长期以来我国“三下”压煤(建筑物下、路下、水体下压覆的煤层)主要采用村庄搬迁、短臂充填、水砂充填和覆岩离层注浆等几种方式[1]。目前我国“三下”压煤采出率仅为4%,特别是中厚煤层75%靠村庄搬迁来解决压煤问题,充填开采试验绝大多数在小于4 m的煤层中进行,采用的是一次采全高并且一次充填煤层全高的采充工艺。

1 矿井概况

山西高河能源有限公司作为潞安化工集团主力矿井,长期担负着保供用煤排头兵的重任,产量持续高位运行,衔接日趋紧张,资源濒临枯竭,“三下”压煤十分严重。若不能有效解决“三下”压煤开采问题,势必导致矿井减产。为有效解决此问题,矿井积极探索充填开采工艺,并结合矿区地质条件,提出了综合机械化膏体充填采煤方法。

2 长臂充填开采方法

高河煤矿开采的沁水煤田3号煤层为厚度为6.9 m的稳定煤层,埋深平均470 m,煤层近水平赋存,煤层直接顶主要为细粒砂岩,平均厚度7 m,老顶主要为粉砂岩,平均厚度8 m.有1层泥岩伪顶,厚度0.34 m,底板为粉砂岩—泥岩—粉砂岩—砂质泥岩—粉砂岩,厚度为14～15 m.根据该矿实际开采条件和压煤特点,提出一次采全高膏体充填采煤方法和分层膏体充填采煤方法两种回采充填方案。

一次采全高膏体充填采煤方法,即一次性将煤层整个厚度全部采出并进行采空区充填。一次采全高充填前顶板下沉1次,地表沉陷控制较好。但是6 m以上大采高高效隔离膏体充填支架目前尚未开发,且即便开发成功,其支架稳定性和架后充填能否相适应尚不确定,安全可靠性较差。

分层膏体充填采煤方法对于厚煤层来说,先充填开采上分层,采用沿空留巷技术保留回采巷道,充填体作下分层的假顶,待上分层回采完毕,充填体达到设计要求强度后,再充填回采下分层[2],两种充填开采示意图见图1.

图1 分层膏体充填方法示意(单位:mm)

该矿6.9 m煤层膏体充填回采主要有一次采全高和分层开采两种方案,两种开采方案具有不同的技术特点和要求。

1) 一次采全高全部充填开采技术。从高河矿目前的生产状况来看,若采用一次采全高全部充填采煤方法,在充填开采过程中,充填体早期强度要求较分层开采高,后期强度较分层开采强度低,煤炭开采效率高,充填前顶板下沉1次,地表沉陷控制较好。但是,目前国际上尚无6 m厚煤层膏体充填的工程应用,需要研发6 m大采高充填支架、大型高细破碎机、大排量充填泵设备,并且还要更换采煤机、刮板输送机、电气等配套设备,研发成本高,研发难度大。

2) 分层同采充填开采技术。膏体充填分层同采开采技术在国内的太平煤矿已经应用成功。针对高河矿目前的生产情况,若采用分层同采膏体充填技术,可借鉴矿井现有的4 m采高综采技术,沿用矿用综采相关设备,如采煤机、刮板输送机、电气等,无需研发大采高充填支架,节约开采成本。在充填开采过程中,如果合理控制上下分层开采错距,减少采动影响,能够很好控制地表沉陷,有利于企业的长远发展。

通过以上技术、经济、安全等方面的论述,可知分层同采充填开采技术在煤炭产能、对地表沉陷控制和节约生产成本等方面都有很大的优势,且技术较为成熟,安全性能高,地表建筑的保护情况良好,因此选择分层开采充填方案。

3 地表沉陷预计

3.1 充填开采地表沉陷预计模型

“三下”充填采煤地表沉陷值估算可以根据积分概率法,最大地表沉陷值见公式(1):

W0=Mqcosα

(1)

式中:M为等效采高(由充填前顶板下沉量、充填体不接顶量及充填体的压缩率决定)[2];q为工作面开采后顶板下沉系数;α为煤层倾角。等效采高模型如图2所示。

根据充填开采等效采高模型和等效采高的决定因素,得到等效采高的计算公式:

Mc=(1-B)(hf+hm)+MB

(2)

式中:hm为充填前顶板下沉量,取100 mm;hf为充填欠接顶量,取决于充填条带两端隔离挡板的防漏效果,取0;B为充填体的压缩率,取8%.

综上所述,充填开采地表沉陷最大值可以用公式(3)表示:

(3)

3.2 充填开采地表沉陷预计参数选取

高河煤矿充填开采煤层为3号煤层,充填工作面煤层平均厚度为6.9 m,平均埋深210 m(最大埋深为250 m),充填采用膏体充填材料,充填体的压缩率取8%,充填前顶板的下沉量为0～100 mm.参照上述条件,计算出等价采高为415 mm,根据充填开采地表下沉系数与等价采高的回归曲线计算地表下沉系数为0.04.

3.3 充填开采地表沉陷预计值

在确定3号煤层膏体充填开采地表沉陷预计参数的基础上,依据公式(4)可以得出膏体充填开采地表沉陷预计值。

(4)

式中:r=H/tanβ为主要影响角半径;tanβ为主要影响角正切值,取2.1;H为采深,取最大值250 m.计算得r=119.05 m.

W0为地表沉陷值,取256 mm;imax为最大倾斜值,取2.14 mm/m;Kmax为最大曲率,取±2.73×10-5/m;Umax为水平移动值,取66.3 mm;εmax为水平变形量,取±0.846 mm/m.

3.4 地表沉陷预计分析

“三下”采煤时地面建筑物的控制效果主要受地面沉陷及建筑物抗采动变形能力影响[3]。根据《砖混结构建筑物损坏等级》规定[4],对于长度不大于20 m的砖混结构建筑物,其允许地表变形值一般为:水平变形ε=±2 mm/m,倾斜i=±3 mm/m, 曲率K=±0.2×10-3/m.如前所述,试采区域内多为村庄,民房长度一般不超20 m,根据前文充填工作面地表沉陷预测数值可知,进行综合机械化膏体分层充填采煤后,地表构建物的变形量在允许范围内。

3.5 工程实践

高河矿E1302工作面采用长臂分层膏体充填,充填材料主要由矸石、粉煤灰、胶结料、水及添加剂组成。工作面充填完毕后,地表最大下沉量为190 mm,最大倾斜变形1.65 mm/m,最大水平变形为0.8 mm/m,工作面上方对应的地表建筑物运行变形值均控制在规范要求内,建筑物均得到了很好的保护,达到了充填开采的目的。

4 结 语

1) 为缓解资源枯竭问题,“三下”采煤势在必行,充填开采可有效缓解矿井接续。

2) 厚煤层分层充填开采较一次采全高开采地面沉陷小,地面建筑物可有效得到保护,不影响地面建筑物安全和正常使用。

3) 通过建立充填开采地表沉陷预计模型,利用预测的结果可以定量地研究受开采影响的岩层与地表移动在时间和空间上的分布规律,同时判断“三下”开采的可能性。