近距離煤層下層煤開采采空區(qū)頂板控制技術(shù)研究

王清亮

（山西汾西礦業(yè)（集團）有限責任公司，山西　介休　032000）

1　工程概況

礦井主采91號煤層，其賦存標高+106～80m之間，埋深57～260m。由于其上原有的87號和90號煤層已經(jīng)局部開采，致使91號局部處于采空區(qū)之下，91號開采難免會造成地表產(chǎn)生二次和多次采動重疊，層間距見表1。

表1　各煤層的層厚及層間距

從地表安全和經(jīng)濟開采的角度出發(fā)，有必要對91號層進行分區(qū)，以此來分析在未采取任何采空區(qū)頂板控制措施的條件下不同區(qū)域地表可能出現(xiàn)的累計沉降狀況，進而從保證地表安全和經(jīng)濟的角度出發(fā)，分區(qū)采取不同的采空區(qū)頂板控制方案，并相應(yīng)確定出對應(yīng)的技術(shù)參數(shù)。這樣，既能夠提高采后地表安全的可靠程度，又能夠保證在采空區(qū)頂板控制技術(shù)方案實施過程中其經(jīng)濟上的合理性[1-2]。

由于本文研究的主要是地表機電總廠廠區(qū)下的壓煤開采，故根據(jù)需要將整個井田分成四個區(qū)域，如圖1所示。

從現(xiàn)有資源來看，一區(qū)內(nèi)含有90號兩個煤層，由90號兩個煤層的采掘工程平面圖可知，在該區(qū)域內(nèi)，90號右部+124.89m標高以下已經(jīng)進行了開采，左部區(qū)域+104.98m標高以下亦進行了開采，其開采所采用的方法均為煤柱支撐法。

二區(qū)亦為87號、90號、91號煤層的共采區(qū)域，在該區(qū)域內(nèi)，87號已經(jīng)采用“采10留7”的煤柱支撐法進行了回采，90號已經(jīng)絕大部分回采，也是采用煤柱支撐法，現(xiàn)正在90號層左側(cè)機電總廠廠區(qū)下壓煤部分，即+92.42～+73.7m標高范圍內(nèi)，91號煤層尚未回采。

圖1　壓煤開采研究分區(qū)圖

三區(qū)內(nèi)的87號、90號均已采用煤柱支撐法開采完畢，91號煤層尚未回采。

四區(qū)域內(nèi)不屬于壓煤開采區(qū)，雖然其隸屬該煤礦十二井，但其內(nèi)的87號、90號煤層已基本開采完畢，現(xiàn)只剩91號煤層沒有動采。而9號層在該區(qū)域內(nèi)隸屬采空區(qū)上采煤，且其煤層厚度在1.23～2.02m之間，屬于全部可采區(qū)域。

由于以上四個區(qū)域中的三區(qū)和四區(qū)不屬于壓煤開采范疇，另外87號、90號煤層已經(jīng)基本開采完畢故在研究中不予考慮，只研究一區(qū)和二區(qū)范圍內(nèi)的91號煤層開采問題。

2　采空區(qū)頂板控制技術(shù)

2.1　采空區(qū)混凝土點支撐柱頂板控制技術(shù)

所謂采空區(qū)混凝土點支撐柱頂板控制技術(shù)[2]，是指基于框架穩(wěn)定結(jié)構(gòu)理論，在壓煤開采條件下為防止地表沉陷災(zāi)害的發(fā)生，通過在采空區(qū)內(nèi)按一定的技術(shù)參數(shù)布置人工澆注混凝土支柱，從而在地下構(gòu)建出立柱與頂板關(guān)鍵層共同作用的穩(wěn)定框架結(jié)構(gòu)，以此達到防止地表沉陷災(zāi)害發(fā)生的采空區(qū)頂板控制技術(shù)。該技術(shù)一方面充分發(fā)揮混凝土支柱的支撐能力，另一方面充分發(fā)揮頂板關(guān)鍵層的自承能力，二者形成支撐框架結(jié)構(gòu)，從而共同發(fā)揮出對覆巖的支撐作用[3]。如圖2所示。

圖2　采空區(qū)混凝土點支撐柱支護技術(shù)示意圖

該技術(shù)與條帶開采相比，變“帶”為“柱”，能夠減少工作量，同時依據(jù)頂板懸露極限跨距，可人為靈活調(diào)整漏凝土柱的位置，使頂板著力點即支撐點更為均勻。在實施過程中，可在工作面上巷或下巷安設(shè)移動混凝土泵，鋪設(shè)管路，外加澆注模板即可實施，澆注材料可用毛石或破碎矸石與水泥混合即可，取材容易，工藝簡單，成本低。同時，通過人為調(diào)整支護材料的配比，可改變混凝土柱的強度和剛度，以此來承擔覆巖的載荷和限制項板的變形與移動[4]。再者，由于在采空區(qū)內(nèi)形成混凝土柱與頂板關(guān)鍵層形成的框架結(jié)構(gòu)，空余空間也可為實施井下矸石處理提供儲存空間。

2.2　采空區(qū)混凝土點支撐柱頂板控制技術(shù)參數(shù)確定

對于采空區(qū)混凝土點支撐柱頂板控制技術(shù)而言，其關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)包括三部分，一是混凝土自身材料配比及強度；二是混凝土點支撐柱自身形狀與尺寸；三是混凝土點支撐柱之間的間距與排距。下面分別來進行確定。

2.2.1混凝土點支撐柱的材料配比及強度

為了取材方便，同時考慮到支護成本和未來澆注過程中與混凝土泵相適合，這里采用井下爆破升井的矸石經(jīng)過篩選后直徑小于2.5 cm的碎石作為骨料，配以P032.5R型水泥，同時為提高早期抗壓強度，在配置中添加一定比例的早強減水劑。經(jīng)實驗室對試樣測定，強度要高出14.47MPa，能夠滿足需要[5]。

2.2.2混凝土點支撐柱的形狀與模具尺寸

為便于施工，借鑒建筑工程的經(jīng)驗，選用正方形截面形狀的柱體比較合適，其尺寸初步確定為1.0m（長）×1.0m（寬）×Mm（采高）。

根據(jù)支撐柱施工需要，可采用兩種材質(zhì)的模板，即木質(zhì)模板和組合鋼模板。對比來看，木模板雖然成本低，但復(fù)用率低，且在澆筑過程中可變形量大。綜合來看，宜采用組合鋼模板。為適應(yīng)煤層高度的變化，設(shè)計三種模板型號，具體如下：

1）1 000×400mm模板。模板包括面板和肋板兩部分。模板主面用1 000mm（長）×400mm（寬）×3mm（厚）厚鋼板；肋板用 50mm（高）×2mm（厚）鋼板或角鋼。根據(jù)模板組裝的需要，模板四周的邊界肋板打設(shè)連接孔，其孔徑為15mm。模板尺寸、孔位布置如圖3所示。

圖3　模板結(jié)構(gòu)尺寸與孔位布置圖（mm）

2）1 000×300mm模板。該型模板主面用1 000 mm×300mm×3mm厚鋼板；肋板用50mm×2mm鋼板或角鋼。根據(jù)模板組裝的需要，模板四周的邊界肋板打設(shè)連接孔，其孔徑為15mm。模板尺寸、孔位布置如圖4所示。

圖4　模板結(jié)構(gòu)尺寸與孔位布置圖（mm）

3）1 000×200模板。該型模板主面用1 000 mm×200mm×3mm厚鋼板；肋板用50mm×2mm鋼板或角鋼。根據(jù)模板組裝的需要，模板四周的邊界肋板打設(shè)連接孔，其孔徑為15mm。模板尺寸、孔位布置如圖5所示。

圖5　模板結(jié)構(gòu)尺寸與孔位布置圖（mm）

4）角模板。角模板采用三角鐵，型號為60×5，即單翼寬60mm、厚度為5mm，長度依據(jù)煤層厚度確定。91號層設(shè)計其長度為1.5m。角模板連接孔直徑也為15mm，孔間距為100mm。

5）連接銷?？紤]到裝配間隙，模板之間的連接采用六角頭M12×45型螺栓。

通過現(xiàn)場試驗表明采用三種不同模板有效組合適合頂板支柱的要求，由于采高有部分的變化，為了保持接頂沒有空隙，使用模板能夠解決這個問題，現(xiàn)場可以靈活適用模板。

2.3　混凝土點支撐柱的間距與排距

2.3.1煤層頂板裂隙發(fā)育高度

混凝土點支撐柱的間距和排距主要取決于覆巖載荷、采煤循環(huán)進尺、混凝土柱的強度、頂板巖層的極限跨距。

根據(jù)“三下”壓煤開采規(guī)程[5]，參考水體下壓煤采煤中冒落帶和導(dǎo)水裂隙帶高度經(jīng)驗計算公式，在將覆巖視為中硬巖石且在采空區(qū)無支護條件下，其冒落帶和裂隙帶的高度按下式計算：

式中：M為采高，m。

1）87號層采后的冒落帶與裂隙帶高度：

2）90號層采后的冒落帶與裂隙帶高度：

3）91號層采后的冒落帶與裂隙帶高度：

綜合以上分析并結(jié)合表1分析可知，87號煤層開采后其裂隙帶并未波及到地表。90號煤層開采后，其裂隙帶并未波及到87號煤層。但因90號與91號煤層之間的間距比較近，91號煤層開采后的裂隙帶將波及到90號煤層，且局部區(qū)域內(nèi)其冒落帶也波及到了90號煤層，故在該情況下將90號和91號煤層的厚度相加，來作為兩個煤層同時開采后其對頂板的影響程度，此時由公式（1）和式（2）可計算得：

由此可見91號煤層開采后，未波及到87號煤層。

于是可知，90號煤層開采后因91號煤層開采的影響，其裂隙帶高度可達到41.36m，而91號煤層開采后其裂隙帶的高度將達到41.36+6.6+1.5=49.46m，據(jù)此，可根據(jù)下式（3）計算出各煤層開采后，其頂板載荷的集度。

式中：q0為頂板載荷集度，MPa；γ為巖石容重，25 kN/m3。

91號煤層頂板覆巖載荷集度q0=1.236MPa。

2.3.2頂板極限跨距計算

頂板巖層垮斷跨距分兩種情況來進行計算：

情況一：支撐柱有足夠的承載能力和剛度，頂板可下沉變形空間較小，不足以為頂板巖層下沉變形以至斷裂提供必要的空間，此時頂板巖層僅發(fā)生撓曲變形而不發(fā)生斷裂。

情況二：支撐柱有足夠的剛度和承載能力，但接頂不牢，能為頂板下沉變形以至斷裂提供有可斷裂的空間，但該空間遠小于斷裂巖層的厚度（即水平方向上有側(cè)向限制，不至于發(fā)生空間上的轉(zhuǎn)動）。此時，頂板的極限垮[5]斷距離可按簡支梁來進行，即：

式中：L為頂板巖層的極限垮斷距離，m；Rt為頂板巖層的抗拉強度，MPa；q為頂板巖層上作用的載荷，MPa。

根據(jù)式（4）可計算獲得91號層頂板的極限跨距，如下：

直接頂：

老頂：

由此可知，91號層頂板的極限跨距如表2所示。

表2　91號煤層頂板巖層的極限跨距　m

2.4　混凝土點支撐柱的間距與排距

由于該礦井采用炮采工藝，根據(jù)工作面采煤作業(yè)規(guī)程，其循環(huán)進尺為1.2m，故設(shè)計每推進五個循環(huán)，澆注一排混凝土支撐柱，故其排距Lp=5×1.2=6m。

每根混凝土支撐柱的支護面積按下式計算：

式中：A為每根混凝土支撐柱的支護面積，m2；qh為混凝土支撐柱的抗壓強度，MPa；q0為頂板覆巖載荷的集度，取1.236MPa；Ah為混凝土支撐柱的水平截面面積，Ah=1.0×1.0=1.0m2。

由實驗可知，在第一種配比方案條件下，其混凝土支撐柱的抗壓強度qh為48.44～56.13MPa，平均為52.29MPa。

將以上各參數(shù)代入式（5）得：

91號層每根混凝土支撐柱的支護面積

混凝土支撐柱的間距Lj按下式計算：

將以上各值代入式（6）得：

91號層混凝土支撐柱的間距

綜合考慮到混凝土自身的蠕變破壞即長時強度、各煤層頂板的極限跨距，以及工作面的支護的間距，實際混凝土支撐柱之間的間距Lj=6m。

2.5　混凝土點支撐柱布置方式與參數(shù)

混凝土點支撐柱在采空區(qū)內(nèi)的布置方式采用“五花式”布置，詳見圖6。沿工作面推進方向上的排距為6m，沿傾斜方向上間距亦為6m，每個混凝土點支撐柱的長、寬均為1m，高度為采高。

為保證上、下兩個接續(xù)工作面之間頂板亦能達到應(yīng)有的穩(wěn)定效果，要求上端頭的點支撐柱距離上巷的距離不超過2m；考慮接續(xù)工作面巷道布置，設(shè)計采用沿空留巷方式，故點支撐柱距離下巷邊界的距離要求不超過3m為宜，以確保上、下兩個工作面采空區(qū)頂板安全穩(wěn)定交叉銜接。

2.6　工作面支護參數(shù)確定

2.6.1工作面支護密度范圍確定

2.6.1.1頂板載荷集度

根據(jù)目前工作面頂板壓力計算通用公式，頂板載荷集度q0為：

式中：M為采高，m；γ為頂板巖石容重，γ=2.5 t/m3。

對于91號層，采高M=1.5m。將以上參數(shù)代入公式（7），可得到回采91號煤層時其工作面頂板載荷集度 q0=15～30 t/m2。

2.6.1.2支柱間排距

設(shè)工作面擬采用支柱的額定工作阻力q1=25 t和q1=30 t兩種型號。

根據(jù)頂板載荷集度，依據(jù)下式確定工作面單個支柱的支撐面積

在支柱排距取為工作面循環(huán)進尺，即Lp=B（B為循環(huán)進尺）的條件下，可按下式計算支柱的柱距Lz，即：

圖6　點支撐柱在采空區(qū)內(nèi)的布置圖

在循環(huán)進尺Lp=1.2m條件下，可分別計算出91號煤層回采工作面的支柱間距。

在采用支柱額定工作阻力為q1=25 t的條件下：

在采用支柱額定工作阻力為q1=30 t的條件下：

綜上所述，考慮到支柱在使用過程中的通用性，宜選用支柱額定工作阻力為30 t的單體液壓支柱。此時，91號煤層回采工作面支柱柱距的可調(diào)范圍為0.83～1.66m。

2.6.2工作面支護參數(shù)確定

1）支柱間排距確定。由于工作面采空區(qū)頂板控制方案設(shè)計中采用“五花”式點支撐控制方式，其支撐柱之間的間、排距均為6m，單個支撐柱的尺寸為1m×1m。

據(jù)此，考慮到支撐柱施工需要，支柱的排距采用1.2m，同時依據(jù)支柱柱距的設(shè)置范圍，91號煤層回采工作面支柱的柱距采1.12m。

2）控頂方式確定。綜合控頂方式的可選范圍、支撐柱的尺寸與施工需要、工作面的安全，在機道寬度設(shè)計為1.2m的條件下，91號層回采工作面的控頂方式均可采用“四、五"排的控頂方式，此時最大和最小控頂距分別為6m和4.8m。

2.7　工作面采控組織形式

沿工作面推進方向上每隔6.0m施工一排支撐柱，支撐柱施工位置位于最大控頂距（五排支柱）時的第四排支柱位置處，如下頁圖7所示。工作面推進過程中，按正常順序回柱。91號層回采工作面采空區(qū)內(nèi)支撐柱布置方式、沿工作面推進方向施工布置方式如圖7所示。

3　結(jié)語

在闡明基于框架穩(wěn)定結(jié)構(gòu)理論的采空區(qū)點支撐柱頂板控制技術(shù)原理的基礎(chǔ)上，對混凝土支撐柱的選材與配比，以及力學參數(shù)進行了實驗室測定，進而給出了支撐柱的尺寸及相應(yīng)的施工工藝。另外，結(jié)合91號煤層的賦存條件，通過對覆巖應(yīng)力和頂板極限跨距的計算，初步給出了支撐柱的間距和排距，以及相應(yīng)的布置方式。

圖7　91號層采空區(qū)]頁板控制布置圖

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