淺埋煤層房采破壞區(qū)充填復(fù)采技術(shù)研究與應(yīng)用

馬金奎，鄭立永，高新建，常云博，李 強(qiáng)

(1.北京天地華泰礦業(yè)管理股份有限公司，北京 100013；2.中國礦業(yè)大學(xué)(北京)，能源與礦業(yè)學(xué)院，北京 100083)

我國西部礦區(qū)煤層較厚，埋深較淺，在20世紀(jì)80至90年代曾遭大量小煤窯開采。受當(dāng)時(shí)技術(shù)、經(jīng)濟(jì)等條件限制，小煤礦開采多采用房柱式開采法，遺留了大量煤柱，煤炭采出率僅為10%～25%。開采后出現(xiàn)大量遺留房采區(qū)、老巷積水等問題，對后續(xù)的大規(guī)模機(jī)械化開采造成了很多困難，特別是遺留的房采破壞區(qū)，如果不進(jìn)行處理，極易造成工作面動載沖擊、礦井突水等災(zāi)害事故。因此，開采過程中如何處理遺留的破壞區(qū)成為很多礦井遇到的難題，學(xué)者們對其進(jìn)行深入研究[1-4]。馮國瑞等[5]通過理論分析、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)、數(shù)值模擬等手段對我國遺煤儲量及類型、復(fù)雜條件下遺煤資源開采礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律、巖層控制機(jī)理及判定方法、構(gòu)造充填巖控技術(shù)及工藝裝備進(jìn)行了系統(tǒng)研究，對保證國家能源供給具有重要意義。王開等[6]針對復(fù)采工作面過冒頂區(qū)時(shí)易發(fā)生頂板動力災(zāi)害的問題，對復(fù)采工作面過冒頂區(qū)時(shí)頂板破斷特征、支承壓力分布特征以及支架受力狀態(tài)進(jìn)行研究，建立了復(fù)采采場力學(xué)模型，推導(dǎo)出液壓支架支護(hù)強(qiáng)度的計(jì)算公式，提出了復(fù)采工作面過冒頂區(qū)時(shí)的圍巖控制技術(shù)，為復(fù)采采場頂板控制提供理論依據(jù)。馬錢錢等[7]針對小窯破壞區(qū)對煤炭資源開采的影響，結(jié)合井工二礦具體條件，提出采用瑞米充填材料注漿充填小窯破壞區(qū)，理論分析計(jì)算充填形成的再生頂板的厚度下限，計(jì)算結(jié)果的可行性在工程實(shí)踐得到驗(yàn)證。綜上可知，學(xué)者們對國內(nèi)遺留的破壞區(qū)復(fù)采進(jìn)行了一系列研究[8-11]，但對于具體的生產(chǎn)實(shí)踐應(yīng)用研究相對較少。因此，本文以五家溝煤礦淺埋煤層綜放工作面過房采破壞區(qū)充填開采實(shí)踐為基礎(chǔ)，研究房采破壞區(qū)探測、充填復(fù)采等關(guān)鍵技術(shù)，采用煤礦探巷機(jī)器人和機(jī)載三維激光掃描系統(tǒng)，探查房采區(qū)的破壞情況，對房采破壞區(qū)失穩(wěn)機(jī)理進(jìn)行研究，通過對充填材料不同配比實(shí)驗(yàn)，確定合理充填方案，結(jié)合填充效果的探查結(jié)果，提出了安全快速通過充填區(qū)技術(shù)，為類似條件的淺埋煤層開采提供技術(shù)借鑒。

1 工程概況

五家溝煤礦位于山西省朔州市，主要開采5-1號煤，煤層厚度在7～10 m之間。15301綜放工作面布置在5-1號煤層，5-1煤埋深81.5～96.96 m，北部埋深較淺，南部埋深相對較深，呈現(xiàn)東南高西北低的特征，煤層傾角約1°～7°，平均3°，揭露的煤厚為7.4～10.0 m，平均8.23 m，在煤層中含有兩層厚度分別為0.20 m、0.27 m左右的夾矸，巷道掘進(jìn)基本沿著煤層底板施工，在15301主、輔運(yùn)巷道工作面掘進(jìn)過程中揭露已知老巷，在靠近15301輔運(yùn)巷道側(cè)探測揭露數(shù)個(gè)房采區(qū)。經(jīng)井下實(shí)地探測發(fā)現(xiàn)15301綜放工作面存在三處房采區(qū)，房采區(qū)具體位置如圖1所示。

圖1 15301綜采工作面房采區(qū)位置情況Fig.1 Location of room mining area in the 15301 fully mechanized working face

為了防止房采破壞區(qū)影響下綜放工作面正?；夭?，造成綜放工作面發(fā)生動載沖擊、礦井突水、瓦斯超限和頂板垮落等安全事故，需要對房采破壞區(qū)進(jìn)行充填加固處理，從而使得綜放工作面正常生產(chǎn)。

2 房采破壞區(qū)機(jī)器人探查技術(shù)

2.1 履帶式探巷機(jī)器人

基于對五家溝煤礦老巷及房采破壞區(qū)探查的需求，將礦用防爆技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)研發(fā)了適合煤礦井下的小型履帶式探巷機(jī)器人，該探巷機(jī)器人系統(tǒng)主要由機(jī)器人本體、無線中繼和手持遙控終端三部分組成。機(jī)器人本體采用履帶式行走方式，使其適應(yīng)探測老巷的需求，并具有自主避障功能和一定的越障能力；防爆云臺和多參數(shù)氣體傳感器具有環(huán)境探測、圖像采集、熱眼檢測、音頻采集等功能；手持遙控終端通過無線中繼實(shí)現(xiàn)對機(jī)器人的無線遙控，并通過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測與傳輸。

2.2 機(jī)載三維激光掃描系統(tǒng)

三維激光掃描技術(shù)是利用激光測距的原理，通過記錄被測物體表面密集點(diǎn)的三維坐標(biāo)、反射率和紋理等信息，可快速復(fù)建出被測目標(biāo)的三維模型及線、面、體等各種圖件數(shù)據(jù)。為了準(zhǔn)確掌握五家溝礦井房采破壞區(qū)內(nèi)部空間形態(tài)(房采破壞區(qū)高度、面積、體積)，在前期探巷的基礎(chǔ)上，通過無人機(jī)搭載三維激光掃描儀器，深入房采破壞區(qū)內(nèi)部，對房采破壞區(qū)進(jìn)行快速、高精度、高密度的數(shù)字化三維數(shù)據(jù)采集，通過軟件處理形成房采破壞區(qū)三維模型，能夠最真實(shí)的反映房采破壞區(qū)空間形態(tài)，為后續(xù)回采巷道合理布置及房采破壞區(qū)充填治理提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)作參考依據(jù)。房采破壞區(qū)三維模型及實(shí)測房采破壞區(qū)如圖2所示。

圖2 房采破壞區(qū)三維模型及實(shí)測結(jié)果Fig.2 3D model and the measured room mining failure zone

2.3 探測結(jié)果

通過井下探巷機(jī)器人以及無人機(jī)搭載三維激光掃描系統(tǒng)探測得3個(gè)房采區(qū)，具體數(shù)據(jù)如下：1#房采區(qū)長50.5 m，寬11.1 m，高8.2 m；2#房采區(qū)長41.7 m，寬11.6 m，高8.3 m；3#房采區(qū)長30.6 m，寬9.3 m，高10.1 m，最終測得結(jié)果如圖3所示。

圖3 房采破壞區(qū)位置及尺寸大小(m)Fig.3 Location and size of the room mining failure zone

3 房采破壞區(qū)失穩(wěn)機(jī)理研究

在工作面前方房采破壞區(qū)未充填的條件下，受超前支承壓力的影響，采場與空巷之間煤柱失穩(wěn)，致使工作面前方無支護(hù)空間擴(kuò)展至房采破壞區(qū)遠(yuǎn)離工作面的煤壁一側(cè)，在煤柱寬度、工作面與周期斷裂線、無支護(hù)區(qū)域跨度滿足一定條件下，基本頂發(fā)生超前破斷，基本頂空頂最大長度為周期來壓步距、煤柱極限失穩(wěn)寬度、房采破壞區(qū)寬度之和，此時(shí)工作面支架載荷顯著增大，極易壓死支架[12-14]。

當(dāng)上次來壓基本頂斷裂線與工作面煤壁的水平距離恰為周期來壓步距時(shí)，工作面支架所承受工作阻力最大，頂板結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型如圖4所示。圖中，QA、QB分別為巖塊B左右兩端所受的剪力。

圖4 基本頂力學(xué)結(jié)構(gòu)分析Fig.4 Mechanical structure analysis of the main roof

根據(jù)砌體梁理論[15]，對巖塊B進(jìn)行分析，綜合滑落失穩(wěn)與轉(zhuǎn)動失穩(wěn)發(fā)生的必要條件，求得阻止巖塊B發(fā)生失穩(wěn)所需的支護(hù)強(qiáng)度Pk為：

式中，Pk為阻止巖塊B發(fā)生失穩(wěn)所需的支護(hù)強(qiáng)度，MPa；θ為巖塊B的旋轉(zhuǎn)角，(°)；TA、TB分別為巖塊B左右兩端所受的水平推力，MN；h為巖塊B的厚度，m；L為巖塊B的長度，m；a為巖塊A、C與巖塊B之間的接觸高度，m；q0為直接頂單位載荷，MN/m2；q為巖塊B上載荷，MN/m2；Pz為工作面支護(hù)阻力，MN；d為工作面支護(hù)體的控頂距，m；Ax為房采破壞區(qū)寬度，m；W為空巷與工作面間煤柱失穩(wěn)臨界距離，m。

當(dāng)破壞區(qū)支護(hù)強(qiáng)度無法滿足上述要求時(shí)，即會發(fā)生失穩(wěn)。根據(jù)相鄰15304工作面破壞區(qū)實(shí)際參數(shù)計(jì)算得到：當(dāng)破壞區(qū)支護(hù)強(qiáng)度Pk≥2.1 MPa時(shí)，可避免巖塊B發(fā)生轉(zhuǎn)動失穩(wěn)和滑落失穩(wěn)。

4 房采破壞區(qū)充填技術(shù)

4.1 注漿材料選擇

為了更加容易獲取注漿材料，選取的注漿材料主要由水、水泥、粉煤灰、速凝劑等組成。

2)水泥：采用符合國家標(biāo)準(zhǔn)《通用硅酸鹽水泥》(GB 175—2007)的強(qiáng)度不低于32.5 MPa的硅酸鹽水泥。

3)粉煤灰：粉煤灰可選用附近電廠的粉煤灰，SiO2、Al2O3和Fe2O3的總含量大于70.0%，SO3的含量小于3.0%。

4)速凝劑：速凝劑可選用水玻璃，模數(shù)宜為2.4～3.4，濃度不低于40°Bé(波美度)。

4.2 充填配比試驗(yàn)

按施工時(shí)使用的水泥、粉煤灰進(jìn)行漿液配合比試驗(yàn)，漿體澆注至7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm標(biāo)準(zhǔn)三聯(lián)金屬試模中，并放入養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行養(yǎng)護(hù)(養(yǎng)護(hù)溫度20±3 ℃，濕度90%)，試塊到規(guī)定齡期28 d后脫模，在專用壓力機(jī)上進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測試。根據(jù)制定的試驗(yàn)方案，在室內(nèi)制作試塊并測定其相應(yīng)齡期的單軸抗壓強(qiáng)度值，充填配比試驗(yàn)結(jié)果見表1。

表1 充填配比試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Results of the filling ratio test

試驗(yàn)結(jié)果分析：

1)強(qiáng)度：漿液結(jié)石體的強(qiáng)度受到水灰比、水泥-粉煤灰比例2個(gè)因素的影響。水灰比越大漿液越稀，結(jié)石體強(qiáng)度越低；水泥-粉煤灰比例越小，水泥含量越低，結(jié)石體強(qiáng)度越低。

2)粘度：水泥-粉煤灰漿液的粘度受水灰比的影響較大，水灰比越大漿液越稀，漿液粘度越低，根據(jù)本次試驗(yàn)，水灰比在1∶(0.8～1.2)時(shí)，漿液具有良好的流動性，容易泵送、且在裂隙中易擴(kuò)散。當(dāng)水灰比達(dá)到1∶1.2時(shí)，漿液的粘度明顯增大，流動性降低。

根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上確保漿液具有較好的流動性，綜合經(jīng)濟(jì)效益，最終確定主體充填材料為充填料Ⅰ，其中，水泥、粉煤灰摻入比例為3∶7，水灰比為1∶(0.8～1.2)。

4.3 合理的充填方案確定

15301的三個(gè)房采區(qū)靠近輔運(yùn)巷道一側(cè)，15301輔運(yùn)巷道的底板標(biāo)高為1386.5 m，采空區(qū)的底板標(biāo)高為1380～1381.8 m，兩個(gè)位置的底板標(biāo)高差6 m左右，因此支架過采空區(qū)時(shí)需要在充填材料上進(jìn)行移架。15301綜采面采用的支架型號為ZFY12000/23/34，根據(jù)支架的工況情況，其對底板平均比壓為2.7～2.9 MPa，充填料Ⅰ的最大強(qiáng)度為2.6 MPa，支架過充填采空區(qū)時(shí)會發(fā)生陷落，因此為保證綜采支架過充填采空區(qū)時(shí)不發(fā)生陷落，需要充填材料的強(qiáng)度P≥2.9 MPa。

為節(jié)約充填材料成本，同時(shí)使割煤機(jī)更易通過采空區(qū)，決定對采空區(qū)采用分層充填的方案。采用三種不同物料配比的充填材料分三層充填：充填料Ⅰ(水泥與粉煤灰比例為3∶7)，充填料Ⅱ(水泥與粉煤灰比例為5∶5)，充填料Ⅲ(水泥與粉煤灰比例為7∶3)。具體充填方案如下：1#房采區(qū)長50.5 m，寬11.1 m，高8.2 m，在距底板2.3 m以下充填充填料Ⅲ；在距底板2.3 m至4.3 m充填充填料Ⅱ；在距底板4.3 m至頂板充填充填料Ⅰ。2#房采區(qū)長41.7 m，寬11.6 m，高8.3 m，在距底板2.5 m以下充填充填料Ⅲ；在距底板2.5 m至4.5 m充填充填料Ⅱ；在距底板4.5 m至頂板充填充填料Ⅰ。3#房采區(qū)長30.6 m，寬9.3 m，高10.1 m，使用水泥加粉煤灰充填，在距底板4.2 m以下充填充填料Ⅲ；在距底板4.2 m至5.2 m充填充填料Ⅱ；在距底板5.2 m至頂板充填充填料Ⅰ。

5 回采工作面安全快速通過充填區(qū)技術(shù)

5.1 充填效果探查

15301工作面過房采區(qū)前，距離房采區(qū)5～10 m，利用ZQJC—360/7.1S氣動架柱式鉆機(jī)在房采區(qū)對應(yīng)的支架位置(126#—145#架)，對房采區(qū)上部積水、積氣等情況進(jìn)行探查，并驗(yàn)證房采區(qū)充填效果，避免房采區(qū)的充填存有積水形成隱患，專職瓦檢員監(jiān)測氣體，確認(rèn)充填達(dá)到預(yù)期效果后，可進(jìn)行正?；夭蒣16]。

5.2 回采工作面安全快速通過充填區(qū)技術(shù)

房采區(qū)充填至少凝固28 d，方可對充填后老巷及工作面進(jìn)行正?；夭伞９ぷ髅嫱撇芍辆喾坎蓞^(qū)47 m，開始調(diào)整支架姿態(tài)，機(jī)頭至91#架沿煤層底板推進(jìn)，工作面91#—135#架沿煤層走向0°～8°仰采推進(jìn)，135#—145#架沿巷道(8°)仰采推進(jìn)；工作面橫向從91#架向機(jī)尾按6°(按落差6.5 m計(jì)算)調(diào)整至135#架，135#—145#架橫向調(diào)整至0°推進(jìn)，直至揭露房采充填區(qū)；在揭露房采區(qū)西側(cè)老巷時(shí)，100#架沿煤層標(biāo)志層揭露老巷；調(diào)整好工作面架型，直至過完3#房采區(qū)。

當(dāng)工作面進(jìn)入揭露1#、2#房采區(qū)時(shí)，工作面機(jī)頭至91#架沿煤層底板推進(jìn)，工作面91#—137#架沿煤層走向0°～8°俯采推進(jìn)，137#—145#架沿工作面巷道(-8°)仰采推進(jìn)；工作面橫向從91#架向機(jī)尾按4°(按落差5.5 m計(jì)算)調(diào)整至137#架，137#—145#架橫向調(diào)整至0°推進(jìn)，100#架沿老巷煤層標(biāo)志層推進(jìn)；調(diào)整好工作面架型，直至過完1#、2#房采區(qū)，工作面所有支架沿煤層標(biāo)志層推進(jìn)。

為了使得回采工作面安全快速通過充填區(qū)，需要采取以下措施：房采區(qū)范圍不放頂煤，工作面采高控制在3.2 m；根據(jù)房采充填區(qū)在線礦壓監(jiān)測系統(tǒng)顯現(xiàn)情況和實(shí)際頂板、煤壁現(xiàn)狀，對煤壁和頂板的壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警；過房采區(qū)時(shí)，適度加快工作面推進(jìn)，保證工作面正常回采，加強(qiáng)工作面有毒有害氣體的監(jiān)測，及過房采區(qū)期間的風(fēng)量監(jiān)測；過采空區(qū)遇到頂板破碎時(shí)，需超前移架，帶壓拉架，保證頂梁接頂嚴(yán)密，以減少架前流煤，降低頂板冒落的風(fēng)險(xiǎn)。對破碎地點(diǎn)采用注馬麗散加固煤體，通過對煤壁打眼，注入有機(jī)高分子加固材料，填充煤巖的裂隙，加固煤體和頂板，使其不片幫冒落，且易切割，不影響推進(jìn)速度。

5.3 效益分析

過房采區(qū)前后工作面壓力對比如圖5所示，通過對過房采區(qū)前后綜采壓力進(jìn)行對比，得出充填效果良好。回采期間充填段頂板完整可靠，滿足了工作面正?；夭傻男枰?。工作面回采順利通過房采區(qū)，未出現(xiàn)壓架等事件，頂板、煤壁、支架狀況較好。通過對房采區(qū)進(jìn)行充填復(fù)采，與原設(shè)計(jì)繞過房采區(qū)進(jìn)行回采相比，多回收煤炭15.3萬t，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。

圖5 過房采區(qū)前后工作面壓力對比Fig.5 Comparison of working face pressure before and after passing through the room mining area

6 結(jié) 論

1)采用智能探巷機(jī)器人和三維激光掃描系統(tǒng)，安全又準(zhǔn)確的探查出工作面采空區(qū)的具體位置和大小，三個(gè)采空區(qū)的體積分別為4597、4015、2875 m3，為后續(xù)房采區(qū)治理和復(fù)采提供了可靠、詳實(shí)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

2)通過分析房采破壞區(qū)失穩(wěn)機(jī)理，確定房采區(qū)充填材料的強(qiáng)度需達(dá)到2.1 MPa以上。通過對不同物料配比的充填材料進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況，最終決定采用三種不同物料配比的充填材料對房采區(qū)進(jìn)行分層充填。

3)提出了回采工作面安全快速通過充填區(qū)技術(shù)，過房采區(qū)時(shí)控制采高、不放頂煤，維護(hù)了頂板和煤壁的穩(wěn)定；利用工作面在線礦壓監(jiān)測預(yù)警，確保了工作面安全快速通過房采區(qū)；通過對房采區(qū)進(jìn)行充填復(fù)采，與原設(shè)計(jì)繞過房采區(qū)進(jìn)行回采相比，多回收煤炭15.3萬t，取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。