利用矸石充填置换开采条带煤柱的新技术.pdf

第３３卷第３期煤炭学报Ｖｏｌ．３３Ｎｏ．３２００８年３月ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＣＨＩＮＡＣＯＡＬＳＯＣＩＥＴＹＭａｒ．２００８文章编号０２５３－９９９３（２００８）０３－０２５９－０５利用矸石充填置换开采条带煤柱的新技术孙希奎１，２，李学华３（１ 中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京１０００８３；２ 淄博矿业集团有限责任公司，山东淄博２５５１２０；３ 中国矿业大学能源与安全工程学院，江苏徐州２２１００８）摘要提出了在煤柱中掘进巷道并利用矸石回填以置换开采出部分条带煤柱的新技术．研究了条带开采后煤柱中充填巷的布置位置、数目，并分析了置换开采前后上覆围岩的稳定性．提出在条带煤柱集中布置２条宽４  ０ｍ、高５  ０ｍ的矸石充填巷，巷间煤柱宽４  ０ｍ，并进行了工程实践．结果表明，提出的矸石置换开采技术可有效控制地表变形在Ｉ级的前提下，置换开采出条带开采留设煤柱的１５％左右的煤量，同时实现矿井矸石井下处理，做到矸石不上井．关键词矸石充填；置换开采；条带煤柱；地表控制中图分类号ＴＤ８２３  ７文献标识码Ａ收稿日期２００７－０２－０３责任编辑柴海涛作者简介孙希奎（１９６５），男，山东淄博人，高级工程师．Ｔｅｌ０５３３－５８５０００９，Ｅ－ｍａｉｌｚｇｓ  ｓｘｋ＠ｚｂｍ  ｏｌ  ｃｏｍＴｈｅｎｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｏｆｗａｓｔｅ  ｆｉｌｌｉｎｇｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｉｎｉｎｇｏｎｓｔｒｉｐｃｏａｌｐｉｌｌａｒＳＵＮＸｉ  ｋｕｉ１，２，ＬＩＸｕｅ  ｈｕａ３（１  ＳｃｈｏｏｌｏｆＲｅｓｏｕｒｃｅａｎｄＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ（Ｂｅｉｊｉｎｇ），Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８３，Ｃｈｉｎａ；２  ＺｉｂｏＣｏａｌＭｉｎｉｎｇＧｒｏｕｐＣｏ．Ｌｔｄ．，Ｚｉｂｏ２５５１２０，Ｃｈｉｎａ；３ ＳｃｈｏｏｌｏｆＭｉｎｉｎｇ＆ＳａｆｅｔｙＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＣｈｉｎａＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＭｉｎｉｎｇａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｘｕｚｈｏｕ２２１００８，Ｃｈｉｎａ）ＡｂｓｔｒａｃｔＮｅｗｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｄｒｏｖｅｄｒｏａｄｗａｙｓｉｎｓｔｒｉｐｃｏａｌｐｉｌｌａｒａｎｄｆｉｌｌｅｄｃｏａｌｒｅｆｕｓｅｉｎｔｈｅｍｗａｓｐｕｔｆｏｒｗａｒｄ．Ｔｈｅｐｌａｃｅａｎｄｎｕｍｂｅｒｏｆｗａｓｔｅ  ｆｉｌｌｉｎｇｒｏａｄｗａｙｓｗａｓｓｔｕｄｉｅｄ，ａｎｄｏｖｅｒｌｙｉｎｇｓｔｒａｔａｓｔｒｕｃｔｕｒｅｂｅｆｏｒｅａｎｄａｆｔｅｒｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｉｎｉｎｇｗａｓａｎａｌｙｚｅｄ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐｉａｔｈａｔｃｏｒｅｅｘｉｓｔｓｉｎｐｉｌｌａｒａｆｔｅｒｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｉｎｉｎｇ，ｔｗｏｆｉｌｌｉｎｇｒｏａｄｗａｙｓｗｅｒｅｌａｉｄｔｏｇｅｔｈｅｒｉｎｃｅｎｔｅｒｗｉｔｈｈｉｇｈ  ｗｉｄｔｈｓｉｚｅｏｆ４  ０ａｎｄ５  ０ｍ，ａｎｄｔｈｅｐｉｌｌａｒｗｉｄｔｈｏｆ４  ０ｍｉｎｆｉｌｌｉｎｇｒｏａｄ  ｗａｙ，ｔｈｉｓｔｅｃｈｎｉｃａｌｐｒｏｊｅｃｔｗａｓｐｒａｃｔｉｃｅｄｉｎａｃｏａｌｍｉｎｅ．Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｕｎｄｅｒｔｈｅｐｒｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎｗｈｉｃｈｔｈｅｅａｒｔｈ ’ ｓｓｕｒｆａｃｅｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎｃａｎｂｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄｉｎＧｒａｄｅＩ，ｔｈｅｗａｓｔｅ  ｆｉｌｌｉｎｇｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｃａｎｒｅｃｏｖｅｒａｂｏｕｔ１５％ｏｆｔｈｅｓｔｒｉｐｃｏａｌｐｉｌｌａｒ，ａｎｄｔｈｅｃｏａｌｒｅｆｕｓｅｉｓｄｉｓｐｏｓｅｄｕｎｄｅｒｇｒｏｕｎｄ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓｗａｓｔｅ  ｆｉｌｌｉｎｇ；ｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｉｎｉｎｇ；ｓｔｒｉｐｃｏａｌｐｉｌｌａｒ；ｓｕｒｆａｃｅｃｏｎｔｒｏｌ从我国部分矿区的长远发展看，制约矿井生产的问题主要在于① 随着开采规模的加大，易采资源日趋减少，“ 三下”呆滞煤又得不到合理开采，成为制约矿区可持续开采和矿区生产稳定发展的重要问题之一［１～４］；② 矿山开采中，矸石的处理方式主要采用地面堆积的方法．目前全国历年累计堆放的煤矸石约４５亿ｔ，规模较大的矸石山有１６００多座，占用土地约１  ５万ｈｍ２，而且堆积量还以１  ５～２  ０亿ｔ／ａ的速度增加，地面矸石的大量堆积，对人类的生态环境和条件带来了很大的威胁与危害［５～８］．因此，如何在保证安全和有效控制地表沉陷的前提下，合理采出部分 “ 三下”压煤，同时又可实现井下矸石直接处理而不需上井的问题已成为煤矿开采的重大技术难题．本文以某煤矿工程实践为例，介绍煤炭学报２００８年第３３卷了一种利用井下矸石直接充填以置换开采部分条带煤柱的新技术，为该问题的解决提供了新思路．１工程概况某煤矿１３０采区南翼Ⅳ区主采煤层为下二叠统山西组３下煤层，煤层结构较简单，厚度３  ５～５  ２ｍ，平均约为５  ０ｍ，煤层倾角０～８，密度１  ３５ｔ／ｍ３，煤层普氏硬度ｆ＝２～３．煤层埋深约２９０ｍ，属浅埋深煤层．煤层覆岩呈现薄基岩（基岩厚度仅为６０ｍ左右）、厚冲积层（第四系松散冲积层厚度约为２２４ｍ）的特点．煤层顶、底板岩性见表１．覆岩与煤层物理与力学性质见表２．表１煤层顶、底板岩性Ｔａｂｌｅ１Ｒｏｏｆａｎｄｆｌｏｏｒｌｉｔｈｏｌｏｇｉｃ岩层名称平均厚度／ｍ岩层描述中砂岩３７  ２５灰白色，厚层状，以石英为主，高角度裂隙发育，富水性强细砂岩１４  １０浅灰色，水平波状，层理发育，黏土质胶结，夹较多炭质条带３下煤层４  ９０黑色，沥青煤质光泽，碎块至条带状结构粉砂岩２  ２２深灰色，参差状断口粉细砂岩互层７  ７１灰黑色粉砂岩与浅灰色细砂岩互层，波状、浑浊状层理发育表２１３０采区南翼Ⅳ区煤层及顶底板主要岩石力学性质Ｔａｂｌｅ２Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｙｏｆｓｅａｍ，ｒｏｏｆａｎｄｆｌｏｏｒｓｔｒａｔａｉｎｔｈｅｓｏｕｔｈＩＶａｒｅａｏｆ１３０ｍｉｎｅａｒｅａ岩层名称抗压强度／ＭＰａ抗拉强度／ＭＰａ密度／（ｔｍ－３）抗剪强度／ＭＰａ内摩擦角／（）中砂岩６３  ７２  ６０２  ４８１５  ４０３０细砂岩５５  ６２  ３０２  ６３１０  ６０３８３下煤层１４  ８４  １２１  ３５５  ４６３３粉砂岩４５  ３１  ９０２  ５５８  ００３０粉细砂岩互层６７  １３  ５０２  ６０１４  ２０２７该区域地面村庄建筑较为密集，建筑物和水体下压煤面积占到了６８  ７％．自２００２年以来，该煤矿针对 “ 三下”压煤问题，在１３０采区开展了条带开采技术的实践，确定的采宽为３８～５０ｍ，留煤柱宽为４６～５８ｍ．结果表明采用条带开采后，地面村庄内水平变形 ε ≤１ｍｍ／ｍ，曲率ｋ ≤０  ０８ｍｍ／ｍ２，倾斜ｉ ≤１  ４６ｍｍ／ｍ．地表变形均控制在了煤炭行业规定的Ⅰ级保护规定的范围之内．可见，采用条带开采后，采出率较低，煤炭资源损失仍十分严重．因此，寻找新的技术途径，进一步回收损失的煤炭资源成为必然．２置换开采的技术原理与方案图１置换开采条带煤柱的技术原理Ｆｉｇ  １Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｎｒｅｐｌａｃｅｍｅｎｔｍｉｎｉｎｇｏｎｓｔｒｉｐｃｏａｌｐｉｌｌａｒｓ２  １置换开采条带煤柱的技术原理针对条采煤柱损失大和矿井井下产矸多的问题，提出了利用矸石充填置换开采条采后留设煤柱的新技术［９～１３］，该技术的基本原理如图１所示．主要原理针对条带开采后留设煤柱的状况，结合围岩条件和地面建筑物结构情况，通过在条带开采后所留设的大煤柱中合理布置巷道，利用掘进的方法采煤，然后利用井下产生的矸石对该巷道进行回填，并通过其它一些必要的加强和注浆加固技术措施，保证进行充填开采后所留的煤柱，与原条带开采留设煤柱相比，仍具有较强的承载能力，这样就不会出现巷道上覆围岩的大面积垮落，从而实现将地表变形控制在规定的Ｉ级范围之内，既可采出部分条带开采后留设的大煤柱，增加煤炭的产出，也不会造成地面建筑物的变形破坏，同时可以处理井下矸石，使其不上井．２  ２置换开采的技术方案２  ２  １合理的采出宽度煤柱具有足够的稳定性，才能长期地支撑上覆岩层，从而维护地表稳定而不塌陷．置换开采是在原条０６２第３期孙希奎等利用矸石充填置换开采条带煤柱的新技术带开采留设的大煤柱中掘进充填巷，然后再进行矸石充填．在此过程中，一方面掘充填巷会影响整个置换开采后留设煤柱的稳定性；另一方面，过多的采出原大煤柱也会造成地表更大的变形．因此，置换开采后所留设的煤柱宽度必须满足一定承载能力要求，使其整体稳定性和承载能力较置换开采前的大煤柱无较大丧失，就可实现安全置换开采．条带开采后，所留设的大煤柱两侧处于采空状态，其边缘遭受破坏后会形成一定范围的 “ 屈服区” ，而煤柱中央部分相对稳定，且受到屈服区围岩的侧向约束，处于三向受力状态，承载能力很大，这也是煤柱承载的区域，称之为 “ 核区” ［１４～１６］．因此，只有保留煤柱宽度在屈服带宽度的２倍以上时才有核区存在．屈服带宽度Ｌ＝０  ００４９ｍＨ，其中，ｍ，Ｈ分别为开采厚度和开采深度，ｍ．按该矿１３０采区南翼Ⅳ区埋深为２９０ｍ、开采厚度为５  ０ｍ计算，可以得到置换开采后留设煤柱的宽度不小于１４  ３ｍ．故合理的条采煤柱（宽度在４５ｍ左右）采出宽度不大于１５ｍ即可．２  ２  ２充填巷布置位置图２充填巷布置位置Ｆｉｇ  ２Ｔｈｅｆｉｌｌｉｎｇ  ｒｏａｄｗａｙｌａｙｏｕｔ在条带开采所留设的煤柱中进行 “ 掘充填巷矸石置换开采”时，充填巷位置有３种，如图２所示．（１）充填巷均匀布置在原大煤柱中．根据充填巷数目，将其均匀布置在条带开采后所留设的大煤柱中，则 “ 二次” 开采后所剩煤柱的宽度全部一样．（２）充填巷集中布置在原大煤柱中央．根据确定的充填巷数目，将其集中布置在条带开采后大煤柱中央，这样在原大煤柱两侧就会形成２个相对较大的煤柱，以支撑上覆围岩层．（３）充填巷分开布置在原大煤柱两侧．充填巷分别布置在条带开采后的大煤柱靠近采空区侧，这样相当于加大了原来的采宽，只在原大煤柱中央形成一个相对较大的煤柱，以此来支撑上覆围岩层．通过分析可知方案（１）将可能破坏原大煤柱承载结构，上覆围岩的垮落不可控，煤柱设置不合理时会导致地表变形过大，故不采用；方案（３）则相当于变相加大了原条带开采设计中的采宽，煤柱稳定性同样会丧失，故也不采用；而对于方案（２），即可在原大煤柱中形成另外２个相对较大的煤柱，又不会破坏上覆围岩的煤柱承载结构，同时采出率又不降低，集中布置充填巷后，可进一步通过巷内锚杆（索）支护、矸石充填与加固等手段，约束充填巷两侧留设的煤柱，以加大其 “ 核区” ，实现置换开采后所留较小的煤柱承载效果与原大煤柱承载效果大体相当的目的，从而达到控制地表移动在允许的变形范围之内．故确定选择方案（２）．在本置换开采设计中，考虑采用掘巷开采煤柱的方式，即采用原大煤柱中央集中布置充填巷的方法，初步确定充填巷为矩形，尺寸为４  ０ｍ５  ０ｍ（宽高），充填巷间的煤柱宽度为４  ０ｍ．当本条件下条带开采煤柱的采出宽度为８  ０ｍ时，满足保留煤柱宽度在屈服带宽度２倍以上的要求．３上覆岩层稳定性的数值计算利用ＵＤＥＣ研究了置换开采后上覆岩层的稳定性，模型的本构关系为Ｍｏｈｒ－Ｃｏｕｌｕｍｂ．考虑模型左右边的开采及影响范围，模拟方案的走向范围取４０００ｍ３１０ｍ，条带开采采宽４５ｍ，留煤柱４６ｍ，在该煤柱中央布置２条充填巷，相关的力学参数见表２．数值模拟得到条带开采和条带煤柱置换开采后，随覆岩高度变化的煤柱和采空区中部沿高度方向上垂直应力分布如图３所示．由图３可见（１）条带工作面开采和置换开采后，随覆岩高度变化，煤柱和采空区中部上方的应力分布范围均在１６  ４～－１  ５ＭＰａ之间，应力变化高度在采高的２０倍（１００ｍ）左右的范围内；（２）条带开采结束后，煤柱中部的垂直应力集中系数约为原岩应力的２  ２倍，沿高度方向平稳递减，在１００ｍ高度时与原岩应力一致；（３）置换开采后，煤柱中的垂直应力集中系数约为原岩应力１６２煤炭学报２００８年第３３卷的２  ０倍，但沿高度方向衰减较快，在到达老顶上部时应力分布与条带开采结束后一致；（４）采空区上方一定范围内为垂直应力低值区，表明老顶上分层与其下岩层发生了离层，上覆岩层垂直应力主要由上分层老顶承担．但在老顶范围之上，采空区上方的垂直应力逐渐与原岩应力趋于一致．图３随覆岩高度变化的煤柱和采空区中部垂直应力分布Ｆｉｇ  ３Ｖｅｒｔｉｃａｌｓｔｒｅｓｓｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎａｌｏｎｇｈｉｇｈｄｉｒｅｃｔｉｏｎｃｈａｎｇｅｉｎｐｉｌｌａｒｓａｎｄｔｈｅｃｅｎｔｅｒｏｆｇｏｂａｒｅａ计算结果表明置换开采后围岩的垂直应力分布发生变化的范围主要集中于老顶岩层之下的范围内，而其上应力分布与条带开采结束后的状况无明显差别．这说明，老顶之上的岩层稳定性不会因置换开采而发生较大变化．本置换开采方案不会引起上覆围岩较大的活动，地表的变形控制是有保证的．４矸石充填性能分析现场矸石压实的试验结果如图４所示．由图４可以看出① 轴向应力较小时，矸石压实系数增幅很大；随着应力的增加，压实度的增幅趋缓；② 矸石的碎胀系数随着轴压的增加而减小．自然堆积状态下的矸石充填体能缓解地表的下沉但幅度不大，由于矸石受顶板及充填巷两帮有一定的变形后由自然充填转变为到压实状态，即矸石充填体在后期对充填区域的顶板起到较高的支撑作用，因此在矸石置换开采中，矸石充填过程中必须考虑矸石的压实、膨胀等特性对充填效果的影响．从矸石充填的角度看，控制地表可通过２种方式达到① 矸石充填体能有效约束置换开采后所剩煤柱的向巷内变形，保证煤柱稳定，则其承载能力不会下降，这是有效控制地表的根本；② 提高矸石充填巷的充填效果配合其它加固措施，与充填巷支护相结合，对煤柱整体稳定性的提高十分有益；而且良好的充填密实效果在后期也可起到较大的支承作用．图４矸石的压实试验结果Ｆｉｇ  ４Ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｏｆｃｏａｌｒｅｆｕｓｅｃｏｍｐａｃｔｉｏｎｔｅｓｔ５现场工业性试验现场在１３０采区南翼Ⅳ区试验的基本方案每个条带开采保护煤柱中间布置２条矸石充填巷，充填巷尺寸为４  ０ｍ５  ０ｍ（宽高），巷间煤柱为４  ０ｍ．矸石充填系统包括充填上部车场、矸石仓、充填胶带巷、充填巷及其它辅助巷道等．充填上部车场位于－２５５ｍ水平，在１３０采区轨道大巷与１３０采区南翼Ⅳ区集中轨道巷之间布置矸石仓．矸石仓上口位于上部车场里段，下口与充填胶带巷相连．矸石仓上部设置有翻车器、破碎机，下部安装给煤机．充填胶带巷一端与１３０采区南翼Ⅳ区集中轨道巷相连，另一端与矸石仓下口相连．２６２第３期孙希奎等利用矸石充填置换开采条带煤柱的新技术矸石置换开采的主要工艺流程岩巷掘进头产生的矸石→（装车后经各运输巷道）１３０轨道大巷→ －２５５ｍ水平的充填工程上部车场→矸石仓上口→（由推车机、翻车机，经过破碎机把矸石破碎到 ≤３００ｍｍ粒径）矸石仓→给料机→（胶带运输）充填巷迎头→抛矸机→充填巷迎头充填．充填巷的支护方案巷道均选用  １８２４００ｍｍ的锚杆．顶板布置４根，间距１０００ｍｍ，两侧锚杆距煤帮约５００ｍｍ，锚杆布置角度一般垂直顶板，但两角可适当倾斜．巷道两帮每帮布置６根，第１次掘进时间距为８００ｍｍ；第２次掘进时为９００ｍｍ．上下锚杆距顶板和底板分别为３００和５００ｍｍ，除顶角锚杆外，其余均垂直煤帮布置．锚杆均采用加长锚固，每根锚杆用２支ＭＳＣＫ２３５０树脂药卷锚固．锚杆排距为９００ｍｍ．现场实践中，对地表变形进行了观测，结果表明置换开采后，地表未发生明显变形．说明矸石置换开采没有改变条带开采后的顶板结构，其对地表也未有大的影响，可保证地表建筑物的变形在Ｉ级变形之内．通过现场工业性试验，共处理矸石１２  ５万ｔ，采出煤炭１３  ５万ｔ，节省地面矸石处理费３１２  ５万元／ａ，取得了明显的经济与社会效益．６结论针对煤矿面临的 “ 三下”压煤、条带开采煤柱的合理 “ 二次”开采、井下矸石合理处理３个主要问题，在分析和研究目前状况的基础上，提出了利用矸石置换开采条带煤柱的新技术．针对煤矿生产实际提出了条采煤柱中央布置２条矸石充填巷的技术方案，并成功地进行了工业性试验．该技术对解决我国 “ 三下”压煤、条带开采煤柱的回收、井下矸石利用等问题开创了一条新的技术途径，并为类似条件下建下煤柱的合理回收提供了可借鉴之处，经济和社会效益显著．参考文献［１］钱鸣高，许家林，缪协兴．煤矿绿色开采技术［Ｊ］．中国矿业大学学报，２００３，３２（４）３４３～３４７．［２］徐法奎，李凤明．我国 “ 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