陜北淺埋煤層似膏體充填條帶開采參數(shù)研究及應用

邵小平,陶葉青，劉二帥，趙兵朝，李 鑫，王 龍，李龍清，唐仁龍，張 杰

(1.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；2.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054；3.中國工商銀行股份有限公司 九江分行，江西 九江 332000；4.陜西小保當?shù)V業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000；5.神木匯森涼水井礦業(yè)有限責任公司，陜西 神木 719300；6.華能慶陽煤電有限責任公司，甘肅 慶陽 745000)

0 引 言

陜北榆神府礦區(qū)地處我國西部毛烏素沙漠和陜北黃土高原的接壤地帶，原生態(tài)環(huán)境脆弱，土地沙化現(xiàn)象嚴重[1-2]。其中大量存在的地方煤礦開采初期基本采用舊房柱式開采方法，形成了廣泛的柱采區(qū)域。由于留設煤柱尺寸較窄，造成近幾年來礦震現(xiàn)象頻繁發(fā)生，對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境尤其是匱乏的水資源造成了極大的危害。

針對保水開采的巖層控制問題，錢鳴高等[3-4]提出通過分析巖層的組成來確定保水采煤的地層判別以及相宜的開采方法，指出采空區(qū)頂板破壞后，如果上覆巖層有軟弱巖層，經(jīng)過重新壓實后裂隙將會閉合形成新的隔水帶，地表降水后會再次補充地下水；石平五等[5-6]針對條帶采煤法，提出通過煤柱群的長時穩(wěn)定，保證水體(含水層)不受破壞；繆協(xié)興等[7]提出了可用于指導保水采煤技術的隔水關鍵層原理，并將保水采煤原理分解為隔水關鍵層位置判別、結構穩(wěn)定性判別與控制、滲流穩(wěn)定性判別與控制以及滲流突變通道控制；張吉雄等[8-9]基于長壁掘巷充填條帶采煤巖層運移特征，構建了充填開采工作面的力學結構，給出了條帶煤柱的失穩(wěn)判據(jù)；劉坤等[10]采用膏體充填條帶采煤技術，對影響充填體穩(wěn)定的圍巖巖性、充填體尺寸、充填體側向應力和地質(zhì)構造等因素進行分析，以最大程度地減少充填開采成本上控制了地表下沉；孫?？萚11]對條帶煤柱充填復采時煤柱穩(wěn)定性、頂板結構演化特征及充填技術相關參數(shù)進行了研究，并確定了合理的煤柱寬度、充填率、充填體強度等工藝參數(shù)；劉鵬亮等[12]以風積沙為原材料開發(fā)出機械化充填采煤方法，充填成本與效率取得較大進步。上述研究豐富了保水開采的理論，但在如何設計合理的工作面條帶開采參數(shù)，以及優(yōu)選的材料配比與成功置換條帶煤柱方面，還值得進一步深入研究。

筆者以榆林市上河煤礦3216工作面為研究對象，基于彈性地基理論及極限強度準則計算條帶工作面合理開采參數(shù)；經(jīng)實驗室合理配比試驗，分析得到最佳的充填材料配比及強度指標；采用數(shù)值模擬揭示條帶開采工作面及煤柱置換過程覆巖的運移規(guī)律；通過現(xiàn)場工業(yè)性試驗檢驗似膏體充填時的接頂效果及巖層位移情況。實例開采礦位于陜北，對保水開采有必要性和特殊性，從過去房柱式采煤改為充填條帶開采，效果良好，有一定指導作用。

1 工程概況

榆林市上河煤礦位于榆林市東北方向牛家梁鎮(zhèn)。該區(qū)地處毛烏素沙漠南緣，地表被第四系風積沙和黃土覆蓋，屬于第四系含水層保水開采的區(qū)域。地層柱狀如圖1所示。

圖1 含水層、隔水層和煤層位置Fig.1 Location map of aquifer,aquifuge and coal seam

該含水層主要由松散的細砂土組成，在含水層下部賦存有 5～20 m泥質(zhì)巖類，是較好的隔水層。井田區(qū)呈多邊形，東西長2.3 km，南北寬1.4 km，面積3.2 km2。井田內(nèi)主采3煤，煤層結構簡單，由東南向北西方向傾伏，平均傾角約0.5°，煤層埋深86～118 m，平均埋深105 m，厚度穩(wěn)定在6.05～6.37 m，平均厚度6.14 m，煤層賦存條件良好，屬于厚煤層開采。

上河煤礦長期采用房柱式采煤法開采3號煤層，工作面采高5.5 m(先開采下部3.0 m，然后放頂2.5 m)，留設0.6 m頂煤。工作面南北方向采寬4.7～6.6 m，留設7.0～8.2 m煤柱，東西方向采寬5.2～7.1 m，留設7.9～10.6 m煤柱。煤層基本頂為中細粒長石砂巖，屬半堅硬巖石，底板為粉砂質(zhì)泥巖，為半堅硬、堅硬巖石。過去房柱式開采后經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查采空區(qū)局部煤柱已發(fā)生垮落失穩(wěn)，導致上覆基巖破斷，頂板垮落高度高達5 m以上，導水裂隙帶普遍上行已發(fā)育至松散含水層，甚至直接貫通至地表，井下涌水量由15 m3/h增至30 m3/h。因此，上河煤礦急需對剩余未開采的實體煤進行采煤方法上的調(diào)整。按照上河煤礦的開采技術條件，研究采用條帶開采輔以風積沙似膏體充填置換條帶煤柱的開采方式。

2 工作面開采參數(shù)的確定

充填條帶開采實現(xiàn)保水采煤主要是通過留設條帶煤柱來保證直接頂巖層不發(fā)生破壞，以此維護含水層結構的穩(wěn)定性，從而達到保水采煤的目的[13]。因此，在確保采區(qū)安全開采的前提下，優(yōu)化充填采煤作業(yè)工藝，確定合理的采寬及留寬是實現(xiàn)保水采煤的關鍵；其次，充填材料與配比的選擇對整個采場穩(wěn)定及充填效果會有很大影響。

2.1 采場力學模型建立

在條帶開采過程中，由于各條帶煤柱相互獨立，煤柱之間無剪應力存在，很好地符合溫克爾地基模型。以溫克爾地基模型[14]為理論依據(jù)，將地基視為在剛性基座上由一系列側面無摩擦的煤柱組成。將條帶煤柱視作彈性體，處于彈性變形期內(nèi)條帶煤柱的應力-應變關系如下：

Ec=σh/Δh

(1)

式中：Ec為煤柱的彈性模量，Pa；σ為煤柱承受載荷，Pa；h為煤柱高度，m；Δh為煤柱壓縮量，m。

根據(jù)Winkler假設，彈性地基反力系數(shù)k為應力與豎向壓縮量的比值，可求得煤柱等效的彈性地基反力系數(shù)k=Ec/h。

充填開采第一階段開采后的力學結構模型如圖2所示。開采過程中，將條帶煤柱看作由一系列彈簧組成的彈性地基，直接頂厚度5.3 m，包括4.5 m厚的灰色泥巖和0.8 m厚留設的護頂煤，條帶工作面長度80 m。由于頂板厚度t遠小于矩形短邊長度a，彈性力學中薄板的定義板厚t≤a/8～a/5，因此可將煤層直接頂簡化為彈性地基上四邊固支的薄板。

圖2 煤柱-頂板簡化力學結構模型Fig.2 Simplified mechanical structure model of coal pillar-roof

依據(jù)上述條件，彈性地基上板的撓度ω控制微分方程為

(2)

且有

式中：?為Laplace算子；D為薄板的彎曲剛度；Er為頂板巖層的彈性模量；μ為巖層泊松比；q為垂直于板面的載荷。

采用納維解法，取滿足全部邊界條件的撓度表達式為

(3)

由于矩形薄板受到均布載荷，q為常量q0，可得彈性地基上頂板的撓曲方程，然后將撓曲方程代入式(1)，可以求得處于彈性狀態(tài)下的條帶煤柱任一位置處的垂向載荷σr，即得

(4)

為保證開采過程中煤柱的安全穩(wěn)定，根據(jù)極限強度理論的要求，條帶煤柱任一位置垂向載荷應小于其極限載荷，即

σr≤[σ]/F

(5)

式中：σr為煤柱垂向載荷；[σ]為煤柱極限載荷；F為煤柱的安全系數(shù)；

根據(jù)上河煤礦現(xiàn)場取出的煤巖樣本，經(jīng)實驗室測定，并結合礦井現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，取計算參數(shù)如下：Ec=1.0 GPa，Er=1.1 GPa，a=40.0 m，b=248.0 m，μ=0.38，h=5.3 m，x=40.0 m，y=74.0 m，t=5.3 m，D=12.0 GPa，q0=1.8 MPa。為了保證計算的收斂性，取級數(shù)項數(shù)為10。計算時選取頂板彎曲最大點(x=a/2，y=b/2)，保證煤柱受載處于最不利情況下，安全系數(shù)取1.4，煤柱極限載荷[σ]=11.8 MPa。

2.2 條帶煤柱采寬及留寬的確定

由于條帶煤柱存在形狀效應和尺寸效應等，根據(jù)煤柱極限載荷，現(xiàn)分別用3種有代表性的煤柱強度經(jīng)驗公式[15]反算煤柱寬度(表1)，其中采高h取5.3 m。計算結果分別為7.6、6.7和8.0 m，從安全角度考慮，設計留設煤柱寬度為8.0 m。

表1 煤柱寬度計算Table 1 Calculation of coal pillar width

按照保水采煤要求，以不破壞含水層結構為原則，根據(jù)Wilson條帶煤柱寬度經(jīng)驗公式[16]，得到條帶采寬a、條帶煤柱寬度b、煤柱的安全系數(shù)F、采高h、埋深H之間的條帶開采寬度方程為

(6)

式中：b為煤柱寬度，取8 m；a為條帶采寬，m；h為采高5.3 m；H為煤層平均埋深105 m；F為條帶煤柱安全系數(shù)，取1.4。

將各參數(shù)代入，求得條帶采寬為6.91 m，設計取7.00 m。依據(jù)理論計算結果，上河煤礦在3216工作面布置條帶工作面，試驗采用“采7留8”的條帶開采參數(shù)。

2.3 條帶充填體強度分析

根據(jù)有效面積理論[17]，條帶開采時采出寬度上的覆巖重力將全部轉移到所留條帶煤柱上，煤柱載荷可由下式計算：

(7)

式中：σp為煤柱承受載荷，MPa；γ為覆巖平均容重，MN/m3；A為安全儲備系數(shù)。

按照“采7留8”的條帶開采參數(shù)，取A=1.4，γ=0.025 MN/m3，H=105 m，則煤柱所受載荷為6.89 MPa。此載荷強度值為實驗室充填材料配比與充填體強度指標提供了理論指導。

2.4 充填材料選取及實驗室強度分析

以陜北地區(qū)風積沙、粉煤灰為基礎原料，首先在微觀層面分析其結構形態(tài)及化學組成，以現(xiàn)場采集風積沙、粉煤灰及水泥為樣品進行電鏡掃描和X-射線衍射分析[18-19]。

圖3為3種充填材料X-射線衍射及電鏡掃描結果圖，與標準PDF卡比較，可以看出風積沙與粉煤灰的化學成分都是以SiO2為主。圖4為3種材料拌和養(yǎng)護后電鏡掃描圖，試件養(yǎng)護3 d后，水泥水化在粉煤灰表面形成堿性薄膜溶液，對粉煤灰進行腐蝕；養(yǎng)護7 d后，礦物逐漸分解并結晶發(fā)育；養(yǎng)護14 d后，結晶體相互穿插逐漸形成網(wǎng)狀結構，附著在大顆粒表面。隨著時間的增長，試件中水分不斷消耗，礦物質(zhì)逐漸結晶成核，固定在大顆粒表面，材料結構逐漸密實。

圖3 樣品X-射線衍射(XRD)Fig.3 X-ray diffraction(XRD)patterns of samples

充填開采中膏體的力學性能要求最為重要，為獲取合理力學性能的充填材料，以水泥為聚合物，輔以部分添加劑，分析不同配比下膏體凝固后的力學特性(表2)，測試充填膏體試件養(yǎng)護時間與抗壓強度之間的關系(圖5)。

根據(jù)試驗結果，考慮充填體凝固時間與極限強度的關系，配比試驗五的28 d齡期的單軸抗壓強度達到6.98 MPa，理論上能夠滿足現(xiàn)場實際需求。

圖4 試件電鏡掃描(SEM)圖Fig.4 Electron microscopic scanning(SEM)patterns of specimen

表2 充填材料配比試驗Table 2 Filling material proportioning test

圖5 充填材料時間-強度曲線Fig.5 Time-strength curves of filling materials

3 條帶開采圍巖變形規(guī)律數(shù)值分析

3.1 數(shù)值模擬模型的建立

采用巖土工程領域常用的FLAC3D軟件對開采并且充填后煤巖運移進行分析。依據(jù)3216工作面附近的鉆孔柱狀圖，整理出工作面開采煤層頂?shù)装宀糠謳r層巖石力學性質(zhì)見表3。充填體經(jīng)在實驗室測試，選用風積沙、粉煤灰、水泥質(zhì)量比例為6.0∶2.4∶1.6的配比，能夠保證充填體28 d齡期后的單軸抗壓強度大于6.0 MPa。

模擬所用的體積模量G和剪切模量Kv分別用彈性模量E和泊松比μ表示[20]。試驗取模型整體尺寸為長×寬×高=248 m×80 m×95 m，模擬工作面長80.0 m，走向推進距離為216.6 m。為了研究方便，將處于地表厚度為20 m的細沙、黃土等效為垂向應力施加在模型上表面，等效應力約為0.43 MPa。模型四周施加0.9 MPa的水平應力。模型四周邊界定為單約束邊界，底部邊界定為全約束邊界。模擬采用軟件內(nèi)置的Mohr-Coulomb屈服準則，模型網(wǎng)格剖分如圖6所示，共劃分240 000個單元，開挖前進行了自平衡處理。

3.2 數(shù)值模擬結果與分析

數(shù)值模擬主要研究開采過程中覆巖的位移演化，同時對開采過程隔水層及亞隔水層的沉降進行了監(jiān)測。圖7為條帶開采過程中覆巖豎向位移演變圖。由圖7a可知，第1階段條帶采7 m、留8 m結束后，覆巖相應的最大豎向位移為18.6 mm，此時主隔水層及亞隔水層受到開采影響較小。圖7b顯示第2階段采充結束后上覆巖層豎向位移趨于減緩，位移最大處位于采場中部位置，沉降量最大值為27.9 mm，此時充填條帶最大壓縮量為2.0 mm，相對于覆巖19.5 mm的位移，說明此時充填條帶未對上覆巖層起支撐作用。

開采條帶煤柱時隔水層沉降曲線如圖8所示，表明隨著條帶煤柱的逐步置換，巖層緩慢下沉，開采到區(qū)段中部位置時沉降量達到最大值27.1 mm，之后沉降量開始逐漸減小。從整個開采過程來看，覆巖保持穩(wěn)定變化，未出現(xiàn)沉降突變的現(xiàn)象。

數(shù)值模擬結果表明，上河煤礦采用“采7留8”的條帶開采參數(shù)，對于保持覆巖結構在開采過程中的穩(wěn)定性，以及對隔水層隔水性能的保持起到了良好的效果，確保了工作面在開采過程中的安全性，在采充作業(yè)完成后，覆巖及充填體的長期穩(wěn)定性可以得到保證。

表3 巖層物理力學性質(zhì)參數(shù)Table 3 Physical and mechanical properties parameters of rock strata

圖7 巖層垂向位移演化Fig.7 Vertical displacement evolution of strata

圖8 條帶充填開采隔水層沉降曲線Fig.8 Subsidence curves of water-resisting layer in strip mining

4 工程充填現(xiàn)場試驗

現(xiàn)場工業(yè)型試驗選取二盤區(qū)3216工作面，位于上河煤礦工業(yè)廣場東南500～1 000 m的沙梁溝壑地帶。3216工作面采留比取“采7留8”，煤層采高5.3 m，留0.8 m左右護頂煤。

4.1 條帶空區(qū)充填與接頂工作

工作面條帶采空區(qū)充填時，首先對條帶空區(qū)的兩端架設檔板。為保證檔板良好的支護與密閉性，對每個需要支設擋板巷口的兩幫和底板進行切槽，槽深為100 mm。

條帶采空區(qū)分3次充填，第1、2次充填高度1.5～2.0 m，第3次1.2～2.2 m。每次充填后觀察漿體沉降、凝固情況，隔2～3 d再次充填，最后注漿接頂。為保證良好的接頂效果，在頂板開傾斜的寬度為200 mm的凹槽，采用一根內(nèi)徑為160 mm的塑料管，牢固捆綁在頂板凹槽內(nèi)進行注漿。工作面充填的時間與充填量見表4。

表4 工作面充填參數(shù)Table 4 Filling parameters of working face

4.2 工作面充填效果分析

充填膏體經(jīng)28 d充分凝固后，即進行充填擋板的拆除工作。圖9所示為擋板拆除后的效果圖，可以明顯看出采取頂板切槽注漿接頂措施后，充填體與護頂煤接觸良好，基本無空頂現(xiàn)象。

圖9 充填效果現(xiàn)場Fig.9 Field filling effect

為進一步檢驗充填效果，對現(xiàn)場巖層位移進行監(jiān)測。在回風巷距開切眼30、80、130、180 m處布置4個監(jiān)測站，采用多點位移計監(jiān)測充填開采過程中覆巖的移動。設置鉆孔平行于條帶煤柱長度方向，仰角30°布置。每個測站安裝3個測點如圖10所示，測點一斜長15 m終孔位，測點三斜長10 m，測點三斜長5 m。監(jiān)測結果見表5。

圖10 頂板位移觀測布置剖面Fig.10 Profile drawing of overburden displacement observation layout

表5 測點位移數(shù)據(jù)Table 5 Monitoring point displacement data

監(jiān)測表明，工作面開采完畢后，各測點位移不盡相同，與充填體垂距較大的上部巖層位移較小，淺部巖層位移較大。其特點為越向上巖層位移越小，呈現(xiàn)出測點三位移>測點二位移>測點一位移的現(xiàn)象。

總體來講巖層位移變化值并不顯著。其中距開切眼180 m處測點三位移最大為10.9 mm，說明現(xiàn)場充填效果滿足工程實際，覆巖穩(wěn)定性可以得到保證。

考慮充填體的收縮率，采用等效厚度法預測3216工作面導水裂隙帶發(fā)育高度為20 m左右，未發(fā)育至主要隔水層(灰色泥巖)?，F(xiàn)場實測3216工作面涌水量由充填過程中的6 m3/h降至充填完畢后的1.5 m3/h，涌水量呈大幅減少趨勢，預測后期工作面涌水量將進一步遞減至停止，說明現(xiàn)場充填效果滿足工程實際，可以實現(xiàn)“保水采煤”的目的。

5 結 論

1)基于條帶開采方法，建立了以條帶煤柱為彈性地基的采場力學模型，推導出了采后頂板撓曲公式，結合溫克爾理論及極限強度準則，優(yōu)化設計了“采7留8”的條帶開采參數(shù)；基于實驗室交叉配比試驗，得出了最佳的充填材料配比及強度指標。

2)數(shù)值模擬研究表明，隔水層沉降最大值為27.1 mm，位于采場中部位置，開采過程中覆巖保持穩(wěn)定變化，隔水層隔水性能保持良好，采場結構得到了較好的控制。

3)對條帶采空區(qū)進行工業(yè)性充填試驗，充填接頂效果良好，無空頂現(xiàn)象。巖層位移監(jiān)測顯示越向上巖層位移越小，呈現(xiàn)出下部巖層位移>中部巖層位移>上部巖層位移?，F(xiàn)場監(jiān)測覆巖位移變化不顯著，監(jiān)測位移最大為10.9 mm，覆巖及充填體的長期穩(wěn)定性可以得到保證。