孫國光 李乃梁 姬生華

(山東能源棗礦集團高莊煤業(yè)有限公司,山東省棗莊市,277605)

★節(jié)能與環(huán)保★

窄條帶穿采區(qū)殘留煤柱充填復(fù)采工藝研究

孫國光 李乃梁 姬生華

(山東能源棗礦集團高莊煤業(yè)有限公司,山東省棗莊市,277605)

為了使長壁工作面安全通過窄條帶穿采形成的大跨度、大采高空區(qū),實現(xiàn)殘留煤柱復(fù)采,研究和實施了快速密閉、多點即時充填的超高水材料充填復(fù)采工藝?；诔涮铙w與圍巖相互作用的機理,確定了超高水材料充填體的強度要求和材料配比。工程實踐表明,超高水材料充填窄條帶穿采區(qū)復(fù)采工藝經(jīng)濟技術(shù)效益顯著。

窄條帶穿采區(qū) 超高水材料 復(fù)采工藝 殘留煤柱

煤炭在我國能源戰(zhàn)略格局中仍占主導(dǎo)地位,作為不可再生資源,提高回采率,充分發(fā)揮已有礦建投資的效能,是礦井可持續(xù)發(fā)展的需求。由于技術(shù)、經(jīng)濟等因素制約,20世紀(jì)90年代,我國在解放“三下”壓煤時,普遍采用條帶、房式及柱式等開采方法,導(dǎo)致在開采范圍內(nèi)遺留大量煤柱和采空區(qū),不僅造成煤炭資源的浪費,而且給后續(xù)煤柱再回收及多煤層條件下的下位煤層開采帶來困難。目前,國內(nèi)對類似情況研究較少,因此,結(jié)合現(xiàn)場實際情況,開展窄條帶穿采區(qū)殘留煤柱充填復(fù)采的工藝研究具有現(xiàn)實意義。

1 窄條帶穿采區(qū)概況

山東能源棗礦集團高莊煤業(yè)有限公司西三采區(qū)地表原有13個村莊,為保護地表建筑物,2003—2004年期間采用窄條帶穿采冒落采煤工藝和傾向短壁(漏斗)后退式水力采煤工藝對該采區(qū)的3上煤層進行了開采。3上煤層厚度為3.53～7.85 m,平均厚度約為5.37 m,C301試采工作面布置如圖1所示?；夭上锏姥氐拙蜻M,高度為2.2 m,寬度為2.6 m,對巷道兩幫及頂煤后退式水力回采。下幫條件好則下采5～6 m,下幫條件差則下采1～2 m;上幫條件好則下采6～7 m,上幫條件差則下采1～2 m。整體采寬為13～15 m,采高基本為全厚開采,煤柱留寬為28～32 m,面積回采率約為30.2%～37.5%,初步估算西三采區(qū)3上殘留煤柱約為300萬t。

由于地方政府開展新農(nóng)村建設(shè),地表所有村莊已于2013年年底整體搬遷完畢,給3上殘留煤柱及3下煤層開采帶來了可能。采區(qū)內(nèi)3上煤層距離3下煤層2.84～25.7 m,平均距離為7.7 m,3下煤層厚度為2.21～6.25 m,平均厚度約為3.8 m,3上煤層硬度系數(shù)為1.5～2.0,直接頂板巖性為細(xì)粒砂巖、粉粒砂巖和砂質(zhì)泥巖等,大部分以細(xì)砂巖為主,平均厚度約為6.9 m,底板大部分為細(xì)粒砂巖(即為3下頂板),如直接開采3下煤層,則3上殘留煤柱將成為永久損失。

圖1 C301試采工作面布置圖

2 復(fù)采時面臨的困難與解決途徑

如果對于此類窄條帶穿采區(qū)不處理,回采時可能產(chǎn)生的主要安全隱患為工作面推進到鄰近采空區(qū)時,前端煤壁突然垮塌,工作面與采空區(qū)貫通,空頂距驟然增大,極易在采空區(qū)出現(xiàn)頂板斷裂,導(dǎo)致冒頂事故發(fā)生;支架處于大范圍高冒空間時,由于支架頂部缺少支點,帶來移架與推溜困難;冒落的采空區(qū)內(nèi)煤巖在支架前方?jīng)]有煤壁遮擋時,涌入工作面,對工作面正常推進造成嚴(yán)重不利影響。

當(dāng)前綜采工作面連續(xù)推采過采空區(qū)的主要方法為密集支柱(木垛)加強采空區(qū)頂板支護、錨桿和錨索等聯(lián)合支護加固采空區(qū)以及采空區(qū)預(yù)充填。前兩種方法均需人員與相應(yīng)的設(shè)備進入采空區(qū),對于西三采區(qū)窄條帶穿采區(qū)來說,采空區(qū)跨度大,采高大,難以實施,因此,采取無需人員與設(shè)備進入采空區(qū)的預(yù)充填方式是一種必然選擇。

3 窄條帶穿采區(qū)充填復(fù)采工藝

3.1 充填材料的選擇

由于西三采區(qū)采空區(qū)進入困難,一般固體物料充填需要在采空區(qū)內(nèi)布置相應(yīng)的輸送設(shè)備,故無法滿足當(dāng)下的充填需求。采用液體充填,通過液體的自由流動,可實現(xiàn)遠距離輸送。液體充填中按使用的固體粉料不同,目前有高水速凝材料、瑞米發(fā)泡材料和超高水材料。超高水材料由于單位充填體積粉料用量少,漿體流動性好,大規(guī)模充填時單位充填成本低,凝固時間可調(diào)可控,固結(jié)體體積不收縮等優(yōu)點,用于西三采區(qū)窄條帶穿采區(qū)的大體量充填具有明顯優(yōu)勢。根據(jù)初步估算,西三采區(qū)全部采空區(qū)充填空間約為104萬m3,共分為5個工作面,圖1為首個試采C301工作面,其待充空間約為18萬m3。

3.2 窄條帶穿采區(qū)充填工藝流程

3.2.1 采空區(qū)快速密閉

由圖1可知,掘進工作面回采巷道時,不可避免地會揭露多個采空區(qū),為防止風(fēng)流系統(tǒng)紊亂、采空區(qū)內(nèi)煤層自燃發(fā)火。需要對采空區(qū)與巷道貫通口快速密閉。但根據(jù)前期開采參數(shù)可知,采空巷最大寬度約為13～15 m,平均采高約為5.37 m,采空區(qū)與巷道貫通口面積較大。為了實現(xiàn)快速密閉,采用了超大氣囊與加氣混凝土砌塊(空心磚)聯(lián)合快速封堵措施。其具體做法為:當(dāng)掘進頭揭露空區(qū)口時,把空氣囊(不含氣)置入采空巷內(nèi),利用礦井壓風(fēng)給氣囊充氣,使其快速膨脹,并與采空區(qū)內(nèi)四周圍巖緊密貼合,從而隔離采空巷與掘進頭,防止采空巷內(nèi)部與掘進巷道內(nèi)的空氣進行交換與流動;采用加氣混凝土砌塊(空心磚)在采空巷口進行密閉墻的砌筑,密閉墻的底部留出氣囊回收口,頂部預(yù)留充填管頭。氣囊與加氣混凝土砌塊聯(lián)合快速封堵示意圖如圖2所示,密閉墻砌筑完畢后,對氣囊進行放氣操作,并從密閉墻的底部回收口回收空氣囊,回收完氣囊后,對密閉墻的回收口再進行密閉。

3.2.2 采空區(qū)超高水材料充填

采空區(qū)超高水材料充填工藝總體工藝流程如圖3所示。由制漿站制備A、B兩種單漿體,制備好的單漿體先存放于各自的儲漿池中,然后由漿體輸送設(shè)備把兩種單漿體按1∶1的體積量輸送到充填點附近進行混合,混合后的漿體經(jīng)密閉墻的預(yù)留管頭進入采空區(qū),借助重力作用自由漫流。

圖2 氣囊與加氣混凝土砌塊聯(lián)合快速封堵示意圖

圖3 超高水材料充填系統(tǒng)工藝流程

西三采區(qū)整體呈單斜構(gòu)造,5個待采工作面基本沿傾斜俯采布置,因此回采巷道基本為上山掘進。掘進期間,一旦貫通采空區(qū),隨即進行密閉墻砌筑和充填管路鋪設(shè)工作,接著進行采空區(qū)充填。每個工作面的回采巷道均存在多個密閉口,可以通過每個密閉口實現(xiàn)多點充填,可有效避免由于采空區(qū)高低起伏或采空區(qū)高冒煤巖阻塞漿體流動通路,引起局部充填不密實的現(xiàn)象。

3.3 超高水材料充填體與圍巖作用機理

窄條帶穿采區(qū)預(yù)充填的目的是實現(xiàn)工作面的安全復(fù)采。工作面正常推進接近采空區(qū)時,前方煤壁由于受到采動影響,可能發(fā)生片幫失穩(wěn),同時由于空頂跨度突然增大,出現(xiàn)頂板垮冒現(xiàn)象,充填體與圍巖的作用機理為:礦巖屬于脆性介質(zhì),因為充填體對圍巖或煤柱內(nèi)部應(yīng)力分布影響很小,所以充填體對阻止圍巖或煤柱的破壞作用是不大的,但由于充填體能夠充滿巷道空間,限制了圍巖的移動空間,能夠阻止破裂、疏松的圍巖或煤柱破壞范圍繼續(xù)擴大;充填體對圍巖或煤柱起到側(cè)向壓力的作用,使得圍巖或煤柱由兩向受力狀態(tài)轉(zhuǎn)為三向應(yīng)力狀態(tài),增大了抗壓強度;充填漿液滲流進入破碎的頂板和煤幫,并最終與之凝結(jié)成為整體,增加了原松散煤壁的粘聚力,防止片幫失穩(wěn)發(fā)生的同時,也增大了煤柱的抗壓強度。

3.4 充填體強度的確定

根據(jù)采空區(qū)頂板破斷特征、西三采區(qū)3上煤層頂?shù)装鍡l件及充填體與圍巖作用機理可知,工作面回采期間能否安全通過采空區(qū)的關(guān)鍵是采空區(qū)內(nèi)的支護體及工作面支架能夠防止采空區(qū)內(nèi)平均厚度為6.9 m的直接頂發(fā)生垮冒、滑落失穩(wěn)或轉(zhuǎn)動失穩(wěn),同時,對采空區(qū)兩幫提供有效支護,防止兩幫煤體片幫失穩(wěn)。

(1)由于采用超高水材料對穿采區(qū)進行的是密實充填,穿采區(qū)被充填固結(jié)體占據(jù),頂板發(fā)生突然垮冒的可能性消除。

(2)根據(jù)平衡原理,頂板巖塊發(fā)生轉(zhuǎn)動失穩(wěn)的原因是采空區(qū)支護強度小于支架(或支架與煤柱)的支護強度,從而巖塊在采空區(qū)出現(xiàn)向下傾斜的現(xiàn)象。由此可知,當(dāng)充填固結(jié)體的強度高于支架支護強度時,可避免此現(xiàn)象的發(fā)生。

(3)發(fā)生滑落失穩(wěn)的情況下,當(dāng)工作面接近采空區(qū)時,采空區(qū)支護體和支架(或采空區(qū)支護體、殘留煤柱和支架)的支護強度不足以支撐上覆巖層的重量時,出現(xiàn)巖塊的整體突然下沉。當(dāng)采空區(qū)采用充填體進行充填時,巖塊的下沉量與充填體的強度有關(guān),充填體強度高,頂板下沉量小;反之,則下沉量大?？紤]到充填體的強度與成本相關(guān),出于安全與經(jīng)濟的綜合考慮,對采用超高水材料充填采空區(qū)情況下,不同固結(jié)體強度下頂板與兩幫的穩(wěn)定性進行數(shù)值模擬計算。使用軟件FLAC3.3,模型網(wǎng)格劃分粒度為0.5 m×0.5 m,模型上邊界載荷按240 m巖層自重模擬,底邊界固定,左右邊界水平方向固定。材料本構(gòu)關(guān)系為摩爾—庫侖模型,變形模式為大變形,數(shù)值模擬計算過程為原巖應(yīng)力計算、采空區(qū)開挖、采空區(qū)充填和工作面回采。頂板、煤墻變形與充填體強度的關(guān)系如圖4所示。由圖4可知,隨著充填體強度的增大,頂板下沉量及煤墻鼓出量減小,充填體強度大于1 MPa時,增加充填體支護強度對減小頂板下沉量及墻壁鼓出量作用不顯著。

圖4 頂板、煤墻變形與充填體強度的關(guān)系

根據(jù)不同水體積分?jǐn)?shù)下超高水材料固結(jié)體三面受限抗壓強度、高莊煤業(yè)有限公司同煤層開采支架的支護強度0.96 MPa以及上述防止轉(zhuǎn)動失穩(wěn)和滑動失穩(wěn)的分析,并考慮1.5倍的安全系數(shù),確定使用的超高水材料水體積分?jǐn)?shù)為95.5%,充填漿液水灰比為7∶1,即充填空間使用的超高水粉料為135 kg/m3,固結(jié)體最終強度為1.5 MPa。不同水體積的超高水材料固結(jié)體三面受限抗壓強度與時間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 不同水體積的超高水材料固結(jié)體三面受限抗壓強度與時間的關(guān)系

4 充填效果分析

4.1 技術(shù)效果分析

工作面通過充填后的穿采區(qū)時,礦壓顯現(xiàn)無異常,煤墻頂板完整,未發(fā)生煤墻片幫和頂板漏頂事故。超高水材料漿體能夠很好地滲流入原采空區(qū)圍巖裂隙,膠結(jié)冒落區(qū)堆存煤巖碎塊,形成的整體支護結(jié)構(gòu)完全滿足了綜采過窄條帶穿采區(qū)的需求?，F(xiàn)場效果圖如圖6所示

4.2 經(jīng)濟效益

首個充填復(fù)采試驗面共回采煤炭資源42萬t,充填漿體17.8萬m3,純充填工程費用合計支出2029.2萬元,由此計算出噸煤充填成本增加48.31元。按目前銷售價格煤炭純利潤150元/t計算, C301充填復(fù)采帶來的純利潤是4270.98萬元,經(jīng)濟效益顯著。

5 結(jié)論

(1)超高水材料所具有的優(yōu)點能夠滿足窄條帶穿采所形成的大跨度、大采高的大規(guī)模采空區(qū)的充填需求。

(2)采用采空區(qū)快速密閉措施和多點即時充填方法,既實現(xiàn)了高低起伏或采空區(qū)高冒煤巖阻塞漿體流動通路情況下的密實充填,又保證了充填復(fù)采期間的安全。

圖6 現(xiàn)場效果圖

(3)超高水材料漿體的滲透性能優(yōu)良,能夠很好地固結(jié)松散煤體與冒落煤巖,經(jīng)過實踐證明能夠滿足工作面過大跨度采空區(qū)時對頂板及圍巖穩(wěn)定性的要求。

(4)超高水材料充填窄條帶穿采區(qū)復(fù)采技術(shù)效益顯著,對采用長壁工作面回收條帶、房式或柱式開采遺留下的煤柱提供了一個新的技術(shù)途徑,具有重要的參考價值和廣闊的應(yīng)用前景。

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(責(zé)任編輯 孫英浩)

Research on stowing compound mining technology of residual coal pillars in narrow strip mining area with extraction through tunnel

Sun Guoguang,Li Nailiang,Ji Shenghua
(Gaozhuang Coal Mine,Shandong Energy Zaozhuang Mining Group Co．,Ltd．,Zaozhuang,Shandong 277605,China)

In order to making the longwall face safely passed gob areas of long span and large mining height that were caused by narrow strip mining area with extraction through tunnel,the authors studied and implemented ultrahigh aqueous material stowing compound mining technology with rapid sealing method and multi points instant stowing method,and also determined the strength and materials＇mixture ratio of ultrahigh aqueous material backfill based upon interaction mechanism between backfill and surrounding rock．Engineering practices showed that compound mining technology with ultrahigh aqueous material stowing the gob area of narrow strip mining had remarkable technical and economic benefit．

narrow strip mining area with extraction through tunnel,ultrahigh aqueous material,compound mining technology,residual coal pillar

TD8.9

A

孫國光(1965－),男,山東省萊州人,高級工程師,碩士研究生,現(xiàn)任棗莊礦業(yè)集團高莊煤業(yè)有限公司經(jīng)理。