魏彩萍

（山西省孝義市煤炭工業(yè)局， 山西 孝義 032300）

煤炭作為促進國民經濟發(fā)展的基礎性能源資源，在人類社會發(fā)展進步中占據著極其重要的地位。在長期的開采中，在煤炭開采區(qū)形成了大量的地下空洞，導致地表下沉、塌方等，不僅嚴重威脅著臨近綜采區(qū)域的綜采安全而且也對綜采區(qū)周邊村落的安全造成了極大的安全隱患。為降低采空區(qū)域發(fā)生塌陷的概率同時降低新巷道開采時廢料的轉運成本，提出了充填開采技術，包括全面充填開采及部分充填開采，其中部分充填開采得到了廣泛的應用。在部分充填開采技術發(fā)展過程中，先后開發(fā)了水砂充填開采、膏體充填開采等，但這兩種開采方法一方面需要的回填物料體量大，實際生產時很難滿足井下填充需求，另一方面在填充時需配備多種專用填充設備，資金投入量大、效率低下，因此其應用受到了非常大的限制，嚴重影響了部分充填的推廣應用[1]。因此如何根據煤礦井下生產的實際情況，對現(xiàn)有部分充填技術進行改進，提升充填效率、降低充填成本是必須考慮的問題。

根據現(xiàn)有填充技術的缺點及長期工作經驗，本文提出了兩種新的部分填充技術，并對其應用原理、設計方法進行分析，極大提升了井下部分充填的效率，對加快推進部分充填技術的應用，提升煤礦綜采安全具有十分重要的作用。

1 部分充填采煤技術的研究與實踐

根據現(xiàn)有煤礦井下充填采煤技術所面臨的技術缺陷，結合長期工作經驗，并通過研究在井下開采中不同地層條件下煤系層狀覆巖的分布特點，提出了新的部分充填開采方案。在新的開采方案中，摒棄了傳統(tǒng)的完全依靠外來的填充物進行巷道回填的技術方案，而是在回填中依靠填充體、煤系層狀覆巖關鍵體以及隔離煤柱等綜合作用，從而達到避免巷道塌方、地表沉降的目的。根據新的部分充填采煤機理，將需要回填的區(qū)域分為采空區(qū)和離層區(qū)，針對不同的區(qū)域，根據其各自對應的地質條件，提出不同的部分充填采煤技術，其部分填充采煤技術的系統(tǒng)框架結構如圖1所示。

圖1 新的部分填充采煤技術系統(tǒng)框架圖

2 覆巖隔離注漿充填技術的應用

覆巖隔離注漿充填技術是在傳統(tǒng)的水砂填充的基礎上，對井下綜采區(qū)進行合理的優(yōu)化設計，在煤炭開采時即預留具有一定間隔的隔離型煤柱結構，利用地層原有的地質結構實現(xiàn)對上端巖層的自支撐，完成綜采后利用設置在地面上的填充孔對綜采區(qū)的覆巖層進行注漿填充，從而在離層區(qū)形成具有一定寬度的壓實的承重區(qū)，使采空區(qū)在隔離煤柱和壓實填充區(qū)的作用下實現(xiàn)可靠支撐，確保巷道和地層的穩(wěn)定性，其原理如下頁圖2所示[2]。

圖2 覆巖隔離注漿充填技術原理

覆巖隔離注漿充填技術的關鍵在于對綜采面采寬和隔離煤柱寬度的設計，依據該支撐關鍵層對于控制地表沉降的作用，在實際設計時需確保主覆巖層工作面主體結構的連續(xù)性。若主關鍵層為非硬巖層結構時，需要在其下方的某個亞關鍵的支撐層進行連續(xù)性支撐設計，因此綜采面采寬可按以下公式進行計算:

式中:W為綜采面的采寬；LK為關鍵支護層的最大跨越距離；D為關鍵層到綜采工作面的距離；δ為關鍵層巖石的破斷角度。

注漿孔的設置直接關系到注漿效率及漿液凝結點位置，因此在注漿孔設計時應首先確?？咨畈荒苎由斓骄C采工作面，在實際鉆孔時可根據“基于關鍵層位置的導水裂隙帶高度判別方法”來對注漿孔的深度和層位進行確定。

注采比直接決定了覆巖隔離注漿充填的沉降控制效果，根據實際工作經驗，當確定了注漿孔位分布及注漿層后，其最大的注采比應表示為[3]:

式中:α為注采比；H為注漿填充區(qū)和綜采區(qū)的層距；φ為注漿充分采動角度；He為關鍵支護層的垮落距離；M為采區(qū)高度；Kp為采區(qū)的巖壁的碎脹系數。

根據理論分析，只有當臨界注采比低于極限情況下的注采比時才說明選定的注漿支撐層是滿足支護要求的，但在實際應用中受不同地質條件及注漿設備的影響，實際完成的注采比通常情況下是無法達到極限注采比的，因此在實際設計時只需要求臨界注采比低于極限情況下的注采比即可。

該部分填充技術能夠將地表的下沉系數控制在0.2左右，單位填充的成本能夠比膏體充填開采降低約50%，同時該填充技術對不同地質條件的適應性較好，能夠滿足大深度中厚煤層的支護要求。

3 長壁墩柱同步充填開采技術的應用

長壁墩柱同步充填開采技術是指在綜采區(qū)的工作面上，每采掘完成一定區(qū)域后就在采空區(qū)內按照一定的間隔和距離設定一組支撐墩柱，隨著開采的不斷推進，最終在綜采區(qū)形成一個支撐面，和支撐覆巖關鍵層一起共同確保井下采空區(qū)的穩(wěn)定性，避免地面沉降的發(fā)生，其結構原理如圖3所示[4]。

圖3 長壁墩柱同步充填開采原理

長壁墩柱同步充填開采技術的設計流程如圖4所示。

如圖4所示，在長壁墩柱同步充填設計時各層墩柱之間的縱向和橫向距離在設計時應該確保煤層上方亞關鍵支護層主支撐結構的連續(xù)性，在實際設計時為了確保安全，通常采用了控制相鄰墩柱支架的直接頂不間斷為設計原則，使各墩柱之間頂部巖層的最大應力要低于其極限抗拉強度。

圖4 長壁墩柱同步充填設計流程

該部分填充采煤技術主要應用于巷道結構較長的綜采工作區(qū)，因實際需要的支護墩柱較多，因此要求采區(qū)應處于地下較淺的水平薄煤層，同時地質條件的直接頂穩(wěn)性應較好。該部分填充技術方案能夠將地表的沉降系數控制在0.15左右，同時投入較小，單位填充的成本能夠比膏體充填開采的成本降低了約30%。

4 結語

目前常用的部分充填開采技術在實際應用過程中存在著充填速度慢、充填材料需求量大、成本高等難題，因此其應用受到了極大的限制。根據實際開采經驗提出了覆巖隔離注漿充填及長壁墩柱同步充填的新的部分充填開采技術。通過分析，結果表明覆巖隔離注漿充填采煤技術能夠將地表的下沉系數控制在0.2左右，單位填充的成本能夠比膏體充填開采的成本降低了約50%，長壁墩柱同步充填采煤技術能夠將地表的沉降系數控制在0.15左右，單位填充的成本能夠比膏體充填開采降低約30%，具有較大的應用推廣價值。