孫志剛

（汾西礦業(yè)集團(tuán)水峪煤業(yè)， 山西 孝義 032300）

礦井為擺脫生產(chǎn)困境，同時(shí)也為了盡量多的采出煤炭資源，決定在一采區(qū)北部1309與1307工作面之間和1307與1305工作面之間煤柱進(jìn)行充填開(kāi)采試驗(yàn)，主要進(jìn)行了充填工藝的設(shè)計(jì)、采煤方法的確定、充填開(kāi)采系統(tǒng)的布置，最后對(duì)條帶煤柱回收的效益情況進(jìn)行了分析。

1 工程概況

一采區(qū)為該煤礦首采區(qū)，故無(wú)相鄰采區(qū)開(kāi)采情況。130I條帶煤柱試驗(yàn)面井下位于東皮帶下山保護(hù)煤柱以東，北部為1309工作面，南部為1307工作面，東部為井田邊界保護(hù)煤柱。一采區(qū)條帶開(kāi)采結(jié)束后地表最大下沉147 mm，部分建筑物產(chǎn)生微弱損壞，但不影響其正常使用。

位于山西組中下部，距山西組頂界平均約54m，距底界3.60～28.25 m。上距下石盒子組頂界鋁質(zhì)泥巖（桃花泥巖）約110 m，下距山西組底界18 m左右，距太原組三灰平均50.38 m。

全區(qū)見(jiàn)煤點(diǎn)28個(gè)，可采點(diǎn)26個(gè)，其中精查階段有6個(gè)孔見(jiàn)3煤。另見(jiàn)沉缺點(diǎn)3個(gè)，分布于井田西部。煤厚2.21～3.38 m，平均厚2.9 m，層位穩(wěn)定，煤層結(jié)構(gòu)一般較簡(jiǎn)單，僅5個(gè)孔見(jiàn)夾矸，最多的3層，夾矸最大厚度0.35 m，一般位于煤層的中下部，夾矸巖性一般為泥巖、炭質(zhì)泥巖或砂質(zhì)泥巖。煤層厚度變化總的特點(diǎn)是東北部厚，西南部薄。

煤層老頂為中砂巖，厚度26.0 m，灰白色，厚層狀，中粒砂狀結(jié)構(gòu)，成分以石英為主，分選度、磨圓度均較好，具炭化面，夾泥巖條帶；直接頂為粉砂巖，厚度3.7 m，淺灰色到灰黑色，富含黃鐵礦薄膜，下部砂質(zhì)增多，平行層理發(fā)育；底板為泥巖，最大厚度4.8 m，灰色至灰黑色，含微量云母碎屑，致密，局部受擠壓裂隙發(fā)育，局部變?yōu)樘抠|(zhì)泥巖。

直接底板為0.72～4.80 m的泥巖、炭質(zhì)泥巖或砂質(zhì)泥巖，發(fā)育不穩(wěn)定。泥巖抗拉強(qiáng)度為0.60～1.50 MPa，平均為0.94 MPa，抗壓強(qiáng)度為26.40～34.80 MPa，平均為29.3MPa。老底為粉～細(xì)砂巖，厚為5.25～13.83m，平均為8.74 m。粉砂巖抗壓強(qiáng)度為38.40～44.00 MPa，平均為41.10 MPa，抗拉強(qiáng)度為 1.3～2.3 MPa，平均為1.79 MPa。

2 充填方案

2.1 方案的提出

針對(duì)煤層地質(zhì)條件結(jié)合礦壓參數(shù)（初次來(lái)壓步距為34 m，周期來(lái)壓步距為14.4 m），提出以下5種方案。

2.1.1 傾向不等強(qiáng)完全充填開(kāi)采方案

沿煤層走向，每隔30 m垂直于兩平巷提前掘進(jìn)高度與煤層等高、寬度為5～7 m的補(bǔ)切眼，其中2 m寬澆筑混凝土墻。隨著采煤工作面的推進(jìn)，自軌道平巷經(jīng)工作面向采空區(qū)充填矸石，當(dāng)工作面推進(jìn)至30 m時(shí)再次搬家。開(kāi)采方案示意圖如圖1所示。

圖1 傾向不等強(qiáng)充填開(kāi)采示意圖

該方案具有充填工藝較簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，采出空間充填后，可以給護(hù)巷煤柱提拱側(cè)向力，減小和防止兩幫垮落，使護(hù)巷煤柱和充填體處于比較理想的三向受力狀態(tài)，從而大大增加了護(hù)巷煤柱與充填體的穩(wěn)定性，可有效控制地表的移動(dòng)和變形。但需提前準(zhǔn)備補(bǔ)切眼并將降低工作面推進(jìn)速度，同時(shí)增大了生產(chǎn)管理的難度[1-2]。

2.1.2 走向不等強(qiáng)完全充填開(kāi)采方案

隨著工作面的推進(jìn)，沿平行于兩平巷方向在采空區(qū)內(nèi)依次布置寬度為2 m的混凝土墻、寬度為3 m的矸石帶和充填矸石，必要時(shí)在采空區(qū)中部澆筑同等標(biāo)準(zhǔn)為2 m寬混凝土墻。走向不等強(qiáng)完全充填開(kāi)采方案如圖2所示。

圖2 走向不等強(qiáng)充填開(kāi)采示意圖

該方法充填工藝較簡(jiǎn)單，對(duì)上覆巖層的支撐效果好。減小地表下沉的效果取決于采空區(qū)充填的矸石能否承受住上覆巖體的壓力，國(guó)內(nèi)外開(kāi)采理論顯示該方案對(duì)地表減沉效果與方案1無(wú)較大差異，充填條采條件下地表下沉系數(shù)全充，據(jù)我國(guó)煤礦實(shí)例，條帶式充填開(kāi)采地表下沉系數(shù)為0.01～0.05。

2.1.3 巷道不等強(qiáng)完全充填開(kāi)采

沿煤層走向，在兩區(qū)段平巷內(nèi)每隔30 m垂直于兩平巷壘砌煤層高度、寬度2.5 m的預(yù)制混凝土墻，兩墻間充填矸石袋，采煤工藝選用短壁綜采[3-4]，開(kāi)采方案如圖3所示。

2.1.4 箱式采空區(qū)支護(hù)方案

超前工作面，沿煤層走向，每隔30 m垂直于兩平巷提前掘進(jìn)高度為2.5 m、寬度為5 m的補(bǔ)切眼，其中2 m澆筑混凝土。當(dāng)工作面推進(jìn)至30 m時(shí)再次搬家，隨工作面推進(jìn)以上工序重復(fù)進(jìn)行，采空區(qū)混凝土墻呈箱式布置，方式如圖4所示。

圖3 巷道不等強(qiáng)完全充填開(kāi)采示意圖

圖4 箱式采空區(qū)支護(hù)示意圖

為使混凝土材料滿(mǎn)足泵送要求，粗骨料最大粒徑小于25 mm。該配比條件下混凝土的塌落度為200～220 mm，最終抗壓強(qiáng)度將達(dá)到60 MPa。依據(jù)工程要求，結(jié)合泵送混凝土特性，同時(shí)考慮原材料特點(diǎn)，在理論分析的基礎(chǔ)上對(duì)泵送混凝土的配合進(jìn)行試配[5-6]?！痘炷两Y(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》這一強(qiáng)制性國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)給出了本次設(shè)計(jì)的依據(jù)，即泵送混凝土配合比:混凝土的坍落度為80～180 mm，砂率宜控制在40%～50%，最小水泥量宜為300 kg/m，混凝土內(nèi)宜摻加適量的外加劑。試配證明，水灰質(zhì)量比宜在0.45～0.60之間，水泥用量宜在300～450 kg/m3之間，具體取值應(yīng)根據(jù)實(shí)際試配后確定。該方案混凝土配比見(jiàn)表1。

表1 混凝土質(zhì)量配比

2.1.5 高水材料采空區(qū)充填

高水材料用于采空區(qū)充填有著凝結(jié)速度快的優(yōu)點(diǎn)。采空區(qū)高水充填示意圖如圖5所示。

圖5 高水材料采空區(qū)充填示意圖

本次擬選用ZKD型高水速凝充填材料，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用表明該充填材料能滿(mǎn)足常規(guī)采礦條件要求，施工工藝簡(jiǎn)單。該充填材料由甲料、乙料兩種特種水泥混合物組合而成，使用過(guò)程中甲、乙料以質(zhì)量比1∶1配合，其中甲料的基材是硫鋁酸鹽水泥熟料，并添加少量懸浮劑和超緩凝劑，乙料相對(duì)復(fù)雜，它的主要成分為懸浮劑、石灰、石膏和復(fù)合速凝早強(qiáng)劑等。通過(guò)數(shù)值計(jì)算發(fā)現(xiàn)最佳充填體的水灰比為2∶1。

2.2 方案的技術(shù)比較

上述五種方案均在一定程度上增加了工藝的復(fù)雜性，為此將各方案與間隔條帶充填和完全垮落法條件下的地表變形情況進(jìn)行對(duì)比分析。間隔條帶充填，即沿走向每隔40 m充填一次采空區(qū)，其要求與方案2.1.1相同。

充填開(kāi)采具有采、切工程量小，靈活性大、煤炭損失少、采出率高、能夠比較有效的維護(hù)圍巖、減少?lài)鷰r的移動(dòng)和防止大量冒落、可以防止煤層開(kāi)采的內(nèi)因火災(zāi)和沖擊地壓等災(zāi)害。

各方案的技術(shù)特點(diǎn)見(jiàn)表2。

表2 各方案特點(diǎn)

根據(jù)上覆巖層的特點(diǎn)及鄰近礦井巖層與地表移動(dòng)的觀測(cè)研究成果，預(yù)計(jì)地表塌陷可采用概率積分法進(jìn)行。各方案地表移動(dòng)變形最大值預(yù)計(jì)見(jiàn)表3。

表3 各方案地表變形值

通過(guò)以上對(duì)各方案技術(shù)特點(diǎn)的比較，綜合回收率、充填工藝和地表變形情況等的分析，最終選用巷道不等強(qiáng)完全充填開(kāi)采方案，即方案2.1.3。

3 開(kāi)采效益分析

矸石不升井充填采空區(qū)，可實(shí)現(xiàn)減小礦井矸石山占地面積及對(duì)礦區(qū)的污染，減緩礦井提升壓力，降低采后地表移動(dòng)對(duì)建筑物的破壞，減少開(kāi)采賠償?shù)哪康?。某煤礦一采區(qū)北部有兩個(gè)煤柱可供回收，回收后的經(jīng)濟(jì)效益預(yù)計(jì)如下。

1）試驗(yàn)工作面條帶煤柱寬度按58 m、采高3 m、煤層走向長(zhǎng)度共950 m、煤炭容重1.37 t/m3，回采率95%計(jì)算，則兩條帶煤柱可回收原煤21.51萬(wàn)t，實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)1.30億元。

2）采用巷道不等強(qiáng)完全充填開(kāi)采結(jié)束后，巖移觀測(cè)結(jié)果:地表最大下沉值170 mm，最大傾斜值0.55 mm/m，最大水平變形值0.4 mm/m，地表移動(dòng)變形值未超過(guò)I級(jí)破壞范圍，具有明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

3）隨著礦井的開(kāi)拓延伸，井上矸石山越積越多，不僅污染了環(huán)境，還占用了大量的土地，利用矸石充填開(kāi)采后每年可減少矸石占地面積約0.27 hm（4畝），節(jié)約征地費(fèi)用64萬(wàn)元。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)礦井煤層地質(zhì)條件結(jié)合礦壓參數(shù)（初次來(lái)壓步距為34 m，周期來(lái)壓步距14.4 m），提出了傾向不等強(qiáng)完全充填開(kāi)采方案、走向不等強(qiáng)完全充填開(kāi)采方案、巷道不等強(qiáng)完全充填開(kāi)采、箱式采空區(qū)支護(hù)方案和高水材料采空區(qū)充填五種方案，通過(guò)方案的技術(shù)比較，最終選擇巷道不等強(qiáng)完全充填開(kāi)采新方法。

條帶煤柱開(kāi)采后，多回收原煤21.51萬(wàn)t，提高了礦井資源回收率，保障了礦井的高效可持續(xù)發(fā)展。