高水膨脹材料條帶充填開采研究

劉樹江，石建新，崔 鋒，劉鵬亮，朱衛(wèi)兵

（1.淄博市王煤礦業(yè)有限公司王莊煤礦，山東淄博 255400;2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京 100013; 3.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇徐州 221116）

高水膨脹材料條帶充填開采研究

劉樹江1，石建新1，崔 鋒2，劉鵬亮2，朱衛(wèi)兵3

（1.淄博市王煤礦業(yè)有限公司王莊煤礦，山東淄博 255400;2.天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部，北京 100013; 3.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇徐州 221116）

詳細介紹了高水膨脹材料的特性及應用效果。根據王莊煤礦五采區(qū)的地質采礦條件，結合關鍵層理論，提出了條帶充填開采方案，并進行了相關參數的設計，確定充填步距和充留寬度。分別設計了面積充滿率為52%，62%和73%三種方案，地表移動計算結果表明:三種方案地表下沉均控制在200mm以內，水平變形控制在1mm/m以內，通過采用高水膨脹材料條帶充填能有效控制地表移動和變形，保護地表建 （構）筑物。

高水膨脹材料;充填材料;條帶充填

煤炭資源的開采在推動國民經濟發(fā)展的同時，對地面及其環(huán)境造成較大程度的影響與破壞［1－3］，采用充填開采能有效減少地表沉陷，保護生態(tài)環(huán)境，是解放建筑物下壓煤，實現綠色開采［4］的有效途徑。因充填材料不足及充填成本高等原因，導致我國每年采用充填開采出煤量不足年產量的3‰。淄博市王莊煤礦為解放建筑物下壓煤，保護地表土地資源，研發(fā)了高水膨脹材料，并為進一步降低成本，聯合天地科技股份有限公司開采設計事業(yè)部等相關單位研究了條帶充填開采的技術方案。

1 高水膨脹材料特性及應用效果

1.1 材料組成

高水膨脹材料是以粉煤灰為主料，延緩劑、速凝劑、固化劑和膨脹劑等作為輔料，與水充分攪拌混合后，制成水固質量比（1.2～1.5）∶1的充填料漿。

1.2 材料膨脹性

充填時充填材料能否接實頂板是影響支撐效果的重要因素。由于當前兩相流充填材料在體積上無變化（甚至收縮）的原因，充填接頂率僅為80%～90%。而高水膨脹充填材料通過內部物料反應產生較多細小氣泡，使得體積膨脹率達8%～10%，因此可實現充填體主動接頂，達到與頂板巖層的良好匹配，改變了一直以來充填體屬于被動支護結構的傳統(tǒng)，從源頭提高了充填體的主動接頂效果，起到了對上覆巖層良好地支撐。

1.3 材料初終凝時間

經過試驗觀測，材料初凝時間為1.5h［5］，終凝時間在4h以內，可大幅度降低等待時間，提高開采效率。

1.4 材料流動性

當前兩相流充填材料的水固比為 （0.2～0.3）∶1，含水量僅18%～22%，新拌充填體形似混凝土，其流動性用混凝土行業(yè)通用的坍落度表示，一般為190～250mm，需用價格高昂的專業(yè)充填泵加壓才能將充填料漿從地面制備站輸送到工作面。而高水膨脹系列充填材料水固比為 （1.2～1.5） ∶1，含水量達到55%～60%，能夠實現充填倍線15～20倍以內的遠距離自流輸送，滿足了絕大部分礦井自流輸送的需要。由于流動性的大幅度提高，節(jié)省了充填泵的設備投入，簡化了充填系統(tǒng)，提高了輸送效率。

1.5 強度及抗風化性

固化后的充填體是基料中的SiO2，Al2O3與輔料中的堿土氫氧化物發(fā)生化學反應而生成的具有水硬膠結性能的水化硅酸鈣 （C2S2H凝膠）、水化鋁酸鈣 （CAS）、CaO－SiO2－H2O等系列水化產物。

隨著水化不斷進行，充填體結構不斷緊密，固相越來越多，液相逐漸減少直至消失;當具有能夠抵抗相當外力作用的結構強度時，便達到終凝。高水膨脹材料12h單軸抗壓強度可達0.5MPa，28d可達2.2MPa，2個月達15.7MPa，19個月可達31.3MPa［6］。經過井下長達19個月的實際觀測，充填體無風化現象，證明其高抗風化性能。

1.6 材料可擴展性

高水膨脹材料具有良好的擴展性，為降低充填成本，可因地制宜加入原固料質量的80%～120%骨料，如金屬尾礦、赤泥、風積砂、煤矸石、河沙、建筑垃圾等。根據試驗，加入原固料質量100%的風積砂后材料充填倍線仍在10倍以上，3d，14d，7個月強度分別為 1.9MPa，2.8MPa，9.6MPa。

1.7 應用效果

2008年1月到2009年10月，在王莊煤礦14601工作面進行了高水膨脹材料全部充填工業(yè)試驗，走向長壁工作面長度70m，推進62m，傾斜長壁工作面長度70m，推進72m（如圖1所示）。6煤厚0.9～0.95m，中間夾0.8～0.95m泥巖，實際采高1.83m，平均埋深230m。截止2009年10月，地表最大下沉20mm。依據《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》計算，全部充填充分開采條件下地表下沉系數q充=0.02，而其他充填地表下沉系數一般0.1～0.3，說明高水膨脹材料控制地表移動效果明顯，為條帶充填開采提供了可行性。

圖1 14601試驗工作面布置

2 條帶充填開采設計

條帶充填開采是部分充填的一種，利用充填體構筑的條帶支撐煤層頂板，從而實現控制覆巖移動和變形的目的。

其原理是:通過充填，使未充填采空區(qū)的寬度小于覆巖主關鍵層的初次破斷步距，覆巖主關鍵層保持穩(wěn)定，即可有效控制地表沉陷［7］。相對于采空區(qū)全部充填，條帶充填的充填范圍減小，充填成本降低，提高了回采工作的效率;而頂板支撐范圍的減小勢必降低地表沉陷的控制效果。

2.1 研究區(qū)概況

王莊煤礦五采區(qū)位于井田東北部，地表有農田、廠房、高速公路、民居等。開采煤層為4煤，地層為二迭系山西組，煤層結構簡單，比較穩(wěn)定，直接頂為泥巖，基本頂為粉砂巖，直接底為粉砂巖。五采區(qū)煤層賦存如表1所示。

表1 五采區(qū)煤層賦存情況

2.2 覆巖關鍵層計算

利用關鍵層判別軟件，對王莊煤礦五采區(qū)27－12鉆孔柱狀進行了判別，并計算了工作面極限跨距。工作面極限跨距L是使關鍵層達到初次破斷步距a的工作面推進最大距離，如圖2所示。五采區(qū)關鍵層特征及工作面極限跨距如表2所示。

2.3 條帶充填參數設計

走向條帶充填開采是在工作面開采的同時，沿走向布置充填體，實現控制覆巖移動和下沉的目的，如圖3所示。走向條帶充填最主要的參數是充填步距及充留寬度。

表2 五采區(qū)關鍵層特征及工作面極限跨距（破斷θ角取75°）

圖2 關鍵層破斷步距與對應工作面極限跨距關系

（1）充填步距 充填步距是每次沿走向充填的長度。充填步距越長，充填循環(huán)越少，越便于管理。同時充填步距越大，導致控頂距變大。因此需根據覆巖情況，確定合理的充填步距。根據五采區(qū)地質采礦條件，亞關鍵層1是煤層的直接頂，充填前需保證其不斷裂。經計算煤層直接頂斷裂步距（表2）為12.5m，考慮1.5倍的安全系數，取8m，即充填步距為8m。

圖3 走向條帶充填示意

（2）充留寬度 根據表2計算結果，考慮一定的安全系數，將亞關鍵層4和亞關鍵層3看作主關鍵層的保護層，即主關鍵層不破斷垮落的同時亞關鍵層4和亞關鍵層3也不能出現破斷垮落。由于亞關鍵層3在亞關鍵層4的下方，所以主要考慮亞關鍵層3。從表2可看出，亞關鍵層3對應工作面的極限跨距為31.36m，考慮1.5倍的安全系數，留設空區(qū)寬度在22m以內。根據A.H.威爾遜理論，充填體極限載荷計算公式如下:

充填體承受的實際載荷計算公式如下:

式中，Pjt為長條煤柱極限載荷，kN;Pst為長條煤柱實際載荷，kN;a為煤柱寬度，m;γ為上覆巖層平均密度，取25kN/m3;m為采高，m;H為采深，m;b為煤房寬度，m。

要保證煤柱的長期穩(wěn)定，一般要求安全系數K=Pjt/Pst=1.5～2.0。留設空區(qū)寬度22m時，根據威爾遜強度理論，充填體寬度不小于15m。充填體實際寬度取決于充滿率，而充滿率取決于地表移動控制要求。

2.4 方案選取

為保證充填效果，結合五采區(qū)工作面布置情況，分別選取了面積充滿率52%，62%，73%三種方案，其地表移動計算參數如表3所示，計算結果如表4所示。

表3 地表移動計算參數

表4 地表移動計算結果

根據表4計算結果可以看出3種方案地表下沉均控制在200mm以內，水平變形能控制在1mm/m以內，建筑物能不修或簡單維修即可正常使用［8］，先期按照方案3實行，達到預期效果后，可逐步按方案2，方案1實施。

3 結論

（1）介紹了王莊礦研發(fā)的高水膨脹材料，該材料具有凝固時間短、強度高、流動性好、抗風化性能強，且具有一定的膨脹性，較好地滿足了煤礦充填開采需要。

（2）分析了王莊煤礦五采區(qū)地質采礦條件，得出覆巖各關鍵層斷裂步距，并依據此設計了條帶充填參數，充填步距控制為8m，留設空區(qū)寬度不大于22m，充填寬度不小于15m。

（3）計算了充滿率52%，62%，73%情況下地表移動情況，得出地表下沉均控制在200mm以內，水平變形在1mm/m以內，基本能保證建筑物不修或簡單維修，即可使用。

［1］張華興.對“三下”采煤技術未來的思考［J］.煤礦開采，2011，16（1）:1－3.

［2］張華興，郭愛國.寬條帶充填全柱開采的地表沉陷影響因素研究［J］.煤炭企業(yè)管理，2006（6）:56－57.

［3］閆少宏，張華興.我國目前煤礦充填開采技術現狀［J］.煤礦開采，2008，13（3）:1－3.

［4］錢鳴高，許家林，繆協(xié)興.煤礦綠色開采技術［J］.中國礦業(yè)大學學報，2003，32（4）:343－348.

［5］劉樹江，石建新，王 葦，等.高水膨脹材料充填采煤試驗研究［J］.煤炭科學技術，2011，39（6）:21－25.

［6］石建新.高水膨脹材料充填采煤技術的研究與應用［J］.山東煤炭科技，2010（4）:128－129.

［7］許家林，尤 琪，朱衛(wèi)兵，等.條帶充填控制開采沉陷的理論研究［J］.煤炭學報，2007，32（2）:119－122.

［8］國家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

Research on Strip Stow ing Mining with Expansive and High-water-content Material

LIU Shu-jiang1，SHIJian-xin2，CUIFeng2，LIU Peng-liang2，ZHUWei-bing3

（1.Wangzhuang Colliery，WangmeiMining Co.，Ltd，Zibo Municipal，Zibo 255400，China; 2.Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd，Beijing 100013，China; 3.Mining Engineering School，China University of Mining＆Technology，Xuzhou 221008，China）

Characteristic of high-water expansive material and its application effect was introduced in this paper.Applying key strata theory，strip stowingmining projectwas put forward and related parameters including stowing pace，stowing and pillar width were designed on the basis of geological and technical condition of5thmining area in Wangzhuang Colliery.3 projects in which area stowing ratio was respectively 52%，62%and 73%were calculated by surfacemovement calculation software.Results showed that surface subsidence of3 projectswas controlled below 200mm and horizontal deformation was controlled below 1mm/m.Applying high-water expansivematerial to stowing strip could effectively control surfacemovement and deformation so as to protect surface buildings.

high-water expansivematerial;stowingmaterial;strip stowing

TD823.6

A

1006-6225（2012）01-0100-03

2011－11－17

天地科技股份有限公司工藝技術創(chuàng)新基金項目 （KJ－JJ－2011－KCSJ－06）;中國煤炭科工集團有限公司科技創(chuàng)新基金項目（2011MS014）

劉樹江 （1966－），男，吉林榆樹人，高級工程師，現任王莊煤礦副礦長、總工程師。研究方向為建筑物下采煤及充填開采。

［責任編輯:徐乃忠］