種化省,陳 曦

(1.滕州郭莊礦業(yè)有限責(zé)任公司 錦丘煤礦,山東 棗莊 277515; 2.太原理工大學(xué) 安全與應(yīng)急管理工程學(xué)院,山西 太原 030024)

目前我國(guó)的煤炭開(kāi)采活動(dòng)主要采用全部垮落法處理采空區(qū),煤層采空后頂板自然垮落進(jìn)采空區(qū),將形成大范圍的地表沉陷區(qū),影響地下水系統(tǒng)、地表建筑及交通系統(tǒng),同時(shí)采出的煤矸石會(huì)造成環(huán)境污染[1-3]。為解決傳統(tǒng)垮落法采煤引起的地表沉陷及環(huán)境污染問(wèn)題,解放“三下”壓覆煤炭資源,我國(guó)采礦專(zhuān)家學(xué)者研究提出了充填開(kāi)采技術(shù)[4-6]。充填開(kāi)采技術(shù)是將矸石、粉煤灰及膏體等充填材料充填至開(kāi)采形成的采空區(qū)以控制頂板下沉空間。通過(guò)充填開(kāi)采有效控制地表下沉量,提高“三下”壓煤資源回收率,同時(shí)可實(shí)現(xiàn)矸石不升井,降低矸石山對(duì)環(huán)境的污染。目前充填采煤技術(shù)已成為協(xié)調(diào)煤炭開(kāi)采活動(dòng)與環(huán)境保護(hù)最有效的技術(shù)途徑之一,同時(shí)國(guó)家能源“十二五”規(guī)劃針對(duì)煤炭資源的安全高效開(kāi)發(fā)也提出:積極推廣保水開(kāi)采、充填開(kāi)采等先進(jìn)技術(shù),實(shí)施采煤沉陷區(qū)綜合治理[7]。

本文基于錦丘礦162-1采區(qū)地質(zhì)條件,研究采用膏體充填開(kāi)采技術(shù)控制開(kāi)采地表沉陷,解放建筑物下煤炭資源壓覆問(wèn)題。通過(guò)理論分析確定地表沉陷的關(guān)鍵影響因素和覆巖穩(wěn)定性判據(jù),利用數(shù)值模擬研究膏體充填開(kāi)采對(duì)地表沉陷的控制情況,最終通過(guò)地表沉陷觀測(cè)驗(yàn)證技術(shù)的應(yīng)用效果。

1 工程背景

錦丘礦162-1采區(qū)位于井田西南部,開(kāi)采16號(hào)煤層,煤層平均厚度1.3 m,采區(qū)內(nèi)可采儲(chǔ)量約117.8萬(wàn) t。地表地形平坦,上方有村莊和學(xué)校,采區(qū)內(nèi)沒(méi)有淺表水體。162-1采區(qū)煤炭?jī)?chǔ)量主要分布于地表建筑物下方,由于煤層可采厚度較小,進(jìn)行村莊搬遷在經(jīng)濟(jì)效益上不可行,但留設(shè)煤柱對(duì)于儲(chǔ)量比較貧乏的錦丘煤礦同樣不可行,所以必須進(jìn)行村莊及建筑物下壓煤開(kāi)采。同時(shí)考慮到礦井的生產(chǎn)技術(shù)條件,考慮采用膏體充填開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行建筑物下壓煤開(kāi)采。

2 充填開(kāi)采地表沉陷理論分析

不同于傳統(tǒng)垮落法開(kāi)采,膏體充填開(kāi)采具有頂板下沉僅出現(xiàn)在采面煤壁前方和支架控頂區(qū)的特點(diǎn),由于膏體充填材料的支承作用限制了采空區(qū)頂板的移動(dòng)下沉空間,頂板巖層的完整性較好,采空區(qū)上方僅出現(xiàn)彎曲帶和裂隙帶。因此,可以通過(guò)計(jì)算采空上方頂板巖層的變形量來(lái)預(yù)測(cè)采用膏體充填開(kāi)采后地表沉陷數(shù)值。

由于采空區(qū)上覆巖層的載荷可通過(guò)頂板均勻的傳遞于充填體頂界面,因此使用彈性梁的基本假設(shè)對(duì)膏體充填開(kāi)采的頂板受力進(jìn)行分析,建立膏體充填開(kāi)采頂板受力分析模型如圖1所示。

圖1 膏體充填開(kāi)采頂板力學(xué)分析模型Fig.1 Mechanical analysis model of roof in paste filling mining

2.1 膏體充填開(kāi)采地表沉陷基本方程

充填開(kāi)采控制地表沉陷的關(guān)鍵是控制采空區(qū)上方的直接頂及基本頂,從而控制其上覆直至地表的巖層移動(dòng)下沉,地表沉陷量是檢驗(yàn)巖層的控制效果直觀反映。在不考慮巖石碎漲系數(shù)時(shí),則頂板巖層的下沉量y與頂板載荷q、充填材料對(duì)頂板的支承力p三者之間滿足如下方程。

(1)

式中,E為頂板巖石的彈性模量;I為頂板巖層的慣性矩;y為頂板巖層的下沉量;p為充填材料的支承力;q為頂板承受載荷。

采用充填開(kāi)采時(shí)下位頂板巖層的撓曲方程可表示為:

y=

(2)

式中,M為煤層實(shí)際厚度;hm為充填前的頂?shù)装逡平?hq為充填欠接頂量;hy為充填體的壓縮量;q為巖梁載荷;β為特征系數(shù);E為頂板巖梁的彈性模量;y為頂板撓度;kt為充填體對(duì)頂板的支承力系數(shù);ε為充填體的壓縮率。

由式(2)可知,y|x=0=Wmax,Wmax為頂板巖層最大下沉值,可表述為:

Wmax=Mc

(3)

式中,Mc為膏體充填開(kāi)采的計(jì)算開(kāi)采高度,如圖1(b)所示。

2.2 采空區(qū)覆巖穩(wěn)定性判據(jù)

在進(jìn)行膏體充填開(kāi)采時(shí),假設(shè)充填膏體量等于采出煤炭量,則能夠保證采空區(qū)上方巖層不發(fā)生變形。但在實(shí)際充填工作中,受控頂圍巖提前下沉和充填工藝等問(wèn)題影響,不可能實(shí)現(xiàn)完全充填采空空間。因此把充填開(kāi)采過(guò)程當(dāng)做開(kāi)采計(jì)算采厚的煤層(圖1(b))。基于此,可得出膏體充填開(kāi)采的覆巖穩(wěn)定性判據(jù)為:

(4)

式中,Mmax為保護(hù)地表建筑允許的最大開(kāi)采高度。

當(dāng)充填材料充填入采空區(qū)內(nèi),充填體可為頂板巖層提供支承力,同時(shí)減小了頂板下沉空間,進(jìn)而限制了頂板下沉量,從而控制上覆巖層的運(yùn)移和降低地表開(kāi)采沉陷程度。在充填完成后,充填體會(huì)在上覆巖層的載荷下發(fā)生壓縮變形,充填體的抗變形剛度是影響上覆巖層下沉的關(guān)鍵因素。因此,為獲得更好的充填開(kāi)采控制地表沉陷效果,需重點(diǎn)關(guān)注如何減小充填前頂板下沉量和欠接頂空間,以及增大充填體的剛度。

2.3 地表沉陷關(guān)鍵影響因素

根據(jù)上述可知,所承受載荷、充填欠接頂量、充填前頂板下沉量、充填體的壓縮率是影響膏體充填開(kāi)采過(guò)程中采空區(qū)上方頂板巖層下沉量的主要因素。為研究分析4個(gè)影響因素對(duì)頂板下沉的影響顯著程度,選用對(duì)口正交表設(shè)計(jì)正交方案,然后將方案中的4個(gè)影響因素的參數(shù)代入式(2)進(jìn)行計(jì)算,然后對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行極差計(jì)算,從而分別確定4個(gè)因素對(duì)頂板下沉的影響顯著程度。極差數(shù)值越大,影響顯著程度越高。各因素同頂板巖層下沉量的極差分析如圖2所示。

由圖2可知,充填前的頂?shù)滓平孔兓鸬牡乇硐鲁亮壳€的波動(dòng)最顯著,表明充填前的頂?shù)滓平渴怯绊懙乇硐鲁恋闹饕蛩?充填欠接頂量波動(dòng)幅度次之,為次要因素。因此,在膏體充填開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中,應(yīng)重視頂板控制工作,提高充填率,減小欠頂空間,保證充填接頂效果。并且需保證充填體的強(qiáng)度及剛度,以快速固結(jié)提供支承力,通過(guò)膏體充填開(kāi)采更好的降低地表沉陷。

圖2 影響因素變化同地表下沉的極差分析Fig.2 Range analysis between changes in influence factors and surface subsidence

3 不同欠頂率地表沉陷數(shù)值模擬

為驗(yàn)證膏體充填開(kāi)采對(duì)地表開(kāi)采沉陷的控制效果,同時(shí)研究不同欠頂率對(duì)地表沉陷控制效果的影響,構(gòu)建了膏體充填開(kāi)采數(shù)值模型,分別模擬了不充填、欠頂10%、欠頂20%和欠頂30%共4種條件下地表沉陷情況,模擬結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出,當(dāng)不充填、采用全部垮落法控制頂板時(shí),采空區(qū)上方巖層整體發(fā)生下沉位移,開(kāi)采擾動(dòng)波及至地表,地表最大下沉量達(dá)617 mm;當(dāng)膏體充填開(kāi)采的欠頂率達(dá)到10%時(shí),采空區(qū)頂板下沉空間較小,開(kāi)采擾動(dòng)未波及至地表,地表下沉量較小,僅為11 mm;隨著欠頂率的增大至30%,地表下沉量逐漸增至60 mm,表明欠頂率是影響充填開(kāi)采控制地表沉陷效果的關(guān)鍵影響因素,需在充填開(kāi)采過(guò)程中減小欠頂空間。

4 膏體充填開(kāi)采工藝流程

4.1 采煤工藝

結(jié)合162-1采區(qū)地質(zhì)賦存情況及現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)條件,提出采用高檔普采技術(shù)進(jìn)行煤層開(kāi)采,通過(guò)充填法控制采空區(qū)頂板。通過(guò)支撤單體柱控頂,最小控頂距為3.95 m(3排單體柱),最大控頂距7.55 m(6排單體柱),單體柱間距為0.85 m,單體柱排距為1.2 m。

(1)落煤。雙滾筒采煤機(jī)沿頂板雙向割煤,滾筒截深0.6 m。前滾筒割頂煤,后滾筒割底煤,每循環(huán)割1刀。采用斜切進(jìn)刀方式,進(jìn)刀長(zhǎng)度為30 m。

(2)裝煤。采煤機(jī)自行裝煤,刮板輸送機(jī)配合裝煤。

(3)運(yùn)煤。用刮板輸送機(jī)運(yùn)煤,經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)載機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)至膠帶輸送機(jī)。

(4)支護(hù)。通過(guò)單體液壓支柱支護(hù)頂板。

(5)采空區(qū)頂板控制。采用膏體充填法控制采空區(qū)頂板。

4.2 充填工藝

完成采煤工藝流程的6個(gè)作業(yè)循環(huán)后,在達(dá)到最大控頂距7.55 m時(shí),開(kāi)始進(jìn)入膏體充填工藝。

(1)充填準(zhǔn)備。采面回采至達(dá)到最大控頂距離后,將膏體充填的管道布置在側(cè)排和次側(cè)排煤柱之間的間隙內(nèi),充填模板布置于中間巷道采空區(qū)側(cè)附近。采用分段回柱填筑方式,根據(jù)“見(jiàn)五填二,自下而上”的順序開(kāi)始填筑,每段的填筑長(zhǎng)度為10～15 m。在充填模板外側(cè)用單體柱進(jìn)行固定避免模板傾倒。單體柱的間距不大于0.3 m,初撐力不小于50 kN。每完成1個(gè)充填周期,拆卸上一周期的模板和塑料彩布,回收用于下一充填周期。塑料彩布每3個(gè)循環(huán)進(jìn)行更換,模板可隨時(shí)更換。

圖3 膏體充填開(kāi)采地表沉陷模擬結(jié)果Fig.3 Simulation results of surface subsidence in paste filling mining

(2)檢查準(zhǔn)備。進(jìn)行井上井下的檢查以及聯(lián)系確認(rèn),保證系統(tǒng)正常和設(shè)備完好后,才能開(kāi)展下一步工作。

(3)管道充水。安排專(zhuān)人查看充填管末端處的出水情況,觀察到出水后報(bào)告充填站,充水的目的是潤(rùn)管,從而降低充填料泵送時(shí)的水分流失。

(4)灰漿推水。在泵送充填膏體料漿之前,先用清管器把清潔球裝進(jìn)充填管道內(nèi),再啟動(dòng)充填泵,清潔球可將清水與料漿隔開(kāi),清水經(jīng)充填管道和排水管道排入礦區(qū)沉淀池,當(dāng)發(fā)現(xiàn)清潔球從管道中排出后,通過(guò)液壓開(kāi)關(guān)閥控制充填管道把充填料漿充填進(jìn)模板中。

(5)膏體推灰漿。當(dāng)計(jì)量好的砂漿泵出后,把矸石膏體放入料斗連續(xù)泵送。

(6)灰漿推膏體。當(dāng)泵送充填料漿填充滿模板后,把粉煤灰砂漿放進(jìn)緩沖斗中,通過(guò)粉煤灰砂漿把灰斗內(nèi)的膏體全部推入充填管道,隔離開(kāi)后續(xù)沖洗水和膏體,避免漿液離析導(dǎo)致堵管。

(7)水推灰漿。模板充填完成后,需要清洗充填管道,避免殘留漿料堵塞管道。因此,應(yīng)在泵送砂漿前注入清水,并在泵入充料漿后用清水沖洗管道。

(8)工作結(jié)束后,報(bào)告控制室。

5 地表沉陷情況

為驗(yàn)證充填開(kāi)采對(duì)地表沉陷的控制效果,采用剖面線狀布站觀測(cè)地表沉陷情況。對(duì)觀測(cè)得到的地表沉陷數(shù)據(jù)進(jìn)行整理,如圖4所示。

圖4 地表下沉觀測(cè)曲線Fig.4 Observed curves of surface subsidence

從圖4(a)可看出,隨著靠近采空區(qū)中心,地表下沉量逐漸增大。G觀測(cè)線累計(jì)下沉量最大值位于距離切眼480 m處,最大可達(dá)95 mm;從圖4(b)可看出,162-102工作面的地表沉陷曲線呈現(xiàn)“V”形,采面兩邊的沉降量較小,采空區(qū)中心沉降量較大,T觀測(cè)線累計(jì)下沉量最大值位于距離切眼493 m處,最大可達(dá)96 mm。因此,可以得出,同自然垮落法開(kāi)采相比,膏體充填開(kāi)采法能夠較好地緩解開(kāi)采擾動(dòng)對(duì)地表沉陷的影響。

6 結(jié)論

(1)建立了膏體充填開(kāi)采地表沉陷基本方程,分析了影響地表開(kāi)采沉陷的關(guān)鍵影響因素,確定了覆巖穩(wěn)定性判據(jù)。

(2)構(gòu)建了膏體充填開(kāi)采數(shù)值模型研究不同欠頂率對(duì)地表沉陷量的影響,得出10%欠頂率時(shí)地表沉陷量最小,不充填時(shí)沉陷量最大。

(3)提出了膏體充填開(kāi)采工藝,并進(jìn)行了地表沉陷觀測(cè)。觀測(cè)數(shù)據(jù)表明,采用膏體充填后,地表沉陷量較小,開(kāi)采擾動(dòng)不會(huì)影響地表建筑物。