，

(1.煤炭科學(xué)研究總院 礦山安全技術(shù)研究分院，北京 100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京 100013)

條帶采空區(qū)穩(wěn)定性分析與治理對(duì)策研究

劉義新1,2，黎靈1,2

(1.煤炭科學(xué)研究總院礦山安全技術(shù)研究分院，北京100013；2.煤炭資源高效開(kāi)采與潔凈利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(煤炭科學(xué)研究總院)，北京100013)

采用安全系數(shù)法，結(jié)合條帶煤柱最小寬度、寬高比、采出率等對(duì)條帶采空區(qū)內(nèi)遺留煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)；在綜合分析國(guó)內(nèi)外采空區(qū)治理技術(shù)、經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)具體的地質(zhì)采礦條件，提出了采用條帶煤柱充填回收治理對(duì)策，并結(jié)合具體實(shí)例進(jìn)行了可行性論證，結(jié)果表明采用條帶煤柱充填回收治理?xiàng)l帶采空區(qū)技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)效益顯著。

條帶采空區(qū)；穩(wěn)定性分析；采空區(qū)治理；充填開(kāi)采

條帶開(kāi)采作為“三下”壓煤開(kāi)采中一種控制覆巖破壞和減少地表沉陷的有效技術(shù)途徑，在國(guó)內(nèi)外得到了廣泛應(yīng)用[1-6]。該方法的本質(zhì)是利用留設(shè)一定寬度的條帶煤柱支撐住上覆巖層，從而使地表產(chǎn)生較少的移動(dòng)和變形。通常留設(shè)的條帶煤柱面積約占總開(kāi)采面積的30%～60%，并且被永久地遺留在條帶采空區(qū)內(nèi)，因而，造成了大量煤炭資源的浪費(fèi)。同時(shí)，如果留設(shè)煤柱不合理，煤柱存在失穩(wěn)的可能，從而導(dǎo)致地表突然塌陷甚至誘發(fā)礦震。此外，條帶采空區(qū)的存在還會(huì)帶來(lái)一些其他安全隱患，例如采空區(qū)內(nèi)遺煤自然發(fā)火、采空區(qū)積水等?？梢?jiàn)，條帶采空區(qū)的存在一定程度上將會(huì)給煤礦的安全開(kāi)采和采空區(qū)上方地表及一些受護(hù)對(duì)象(建筑物、水體等)帶來(lái)一些影響和隱患，從而制約著企業(yè)和地區(qū)的可持續(xù)發(fā)展，亟待對(duì)條帶采空區(qū)進(jìn)行治理。目前缺少此方面的治理經(jīng)驗(yàn)可供參考或借鑒[7-9]，因此，對(duì)條帶采空區(qū)的治理進(jìn)行研究是非常必要的。

本文以榆林市榆陽(yáng)區(qū)某煤礦條帶采空區(qū)為例[10]，在對(duì)條帶采空區(qū)穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了條帶采空區(qū)遺留煤柱一旦失穩(wěn)的采動(dòng)影響分析；根據(jù)已有的國(guó)內(nèi)外采空區(qū)治理技術(shù)和經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合該礦的實(shí)際條件，提出了條帶采空區(qū)的治理對(duì)策，并進(jìn)行了可行性分析。研究為類(lèi)似條件下的采空區(qū)治理提供了參考和借鑒。

1 礦井概況

榆林市榆陽(yáng)區(qū)某煤礦地處榆陽(yáng)區(qū)水源地保護(hù)區(qū)，采用一斜兩立綜合開(kāi)拓，開(kāi)采標(biāo)高為+1075～+1094m，開(kāi)采3號(hào)煤層，條帶式開(kāi)采，生產(chǎn)規(guī)模為0.60Mt/a。采用中央并列抽出式通風(fēng)系統(tǒng)。巷道一般采用錨桿支護(hù)。據(jù)鉆孔揭露，礦區(qū)基巖地層有新近系上新統(tǒng)靜樂(lè)組、侏羅系中統(tǒng)延安組、下統(tǒng)富縣組，地表絕大部分被第四系全新統(tǒng)風(fēng)積沙所覆蓋，厚度0～10m。含煤地層為侏羅系中統(tǒng)延安組，煤厚6.55～8.85m。該煤層頂板以細(xì)砂巖為主，次為粉砂巖、泥巖等；底板以泥巖為主，次為粉砂質(zhì)泥巖、粉砂巖。

為保護(hù)水源地，該煤礦一直采用采12m留8m的壁式條帶炮采。工作面寬約75m，采厚約6.5m，留設(shè)厚約1.2m頂煤，開(kāi)采深度為130～160m。2008年4月開(kāi)采至今，地下形成了一定范圍的采空區(qū)，采空區(qū)面積約為0.865km2，采空區(qū)內(nèi)頂板暫時(shí)未垮落，基本完好，無(wú)積水，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)煤炭自燃現(xiàn)象，采空區(qū)上方地表也暫無(wú)塌陷區(qū)域。

2 條帶采空區(qū)穩(wěn)定性分析

理論分析和生產(chǎn)實(shí)踐證明，采用煤柱法控制頂板的采空區(qū)經(jīng)過(guò)一定的時(shí)間，在受到各種內(nèi)外因素的影響后，可能發(fā)生煤柱失穩(wěn)，使頂板和地表產(chǎn)生破壞和移動(dòng)變形。因此，對(duì)條帶開(kāi)采形成的采空區(qū)內(nèi)遺留煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)是必要的。目前主要采用安全系數(shù)法對(duì)條帶煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)[1-3]。此外，為確保煤柱的穩(wěn)定性還需對(duì)條帶煤柱需要的最小寬度、煤柱寬高比、煤柱采出率等進(jìn)行檢核。

2.1 安全系數(shù)法

當(dāng)煤柱應(yīng)力超過(guò)煤柱強(qiáng)度時(shí)，煤柱將失穩(wěn)破壞，因此煤柱的穩(wěn)定性主要用安全系數(shù)來(lái)評(píng)定，即煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)=煤柱強(qiáng)度/煤柱應(yīng)力，安全系數(shù)一般應(yīng)在1.5～2.0之間。在實(shí)際應(yīng)用中，常采用A.H.Wilson計(jì)算公式，由于其簡(jiǎn)單易行獲得了廣泛的應(yīng)用。

長(zhǎng)煤柱的極限承載能力為：

P長(zhǎng)極=40γH(a-4.92×M×H×10-3)

留設(shè)長(zhǎng)煤柱的實(shí)際載荷值為：

則煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)：

將留寬a=8m，采寬b=12m，最大采深H=160m，采厚M=6.5m，覆巖平均容重γ=22.5kN/m3代入上述計(jì)算公式，經(jīng)計(jì)算得到安全系數(shù)F=0.6。可見(jiàn)，條帶煤柱不能滿足煤柱穩(wěn)定性安全系數(shù)大于1.5的技術(shù)要求。

2.2 其他方面驗(yàn)算

2.2.1 條帶煤柱需要的最小寬度驗(yàn)算

根據(jù)A.H.Wilson核區(qū)計(jì)算公式計(jì)算得，留設(shè)條帶煤柱的寬度a≥2×0.00492MH+8.4m，得出煤柱寬度a≥18.6m，即條帶應(yīng)留設(shè)煤柱最小寬度為18.6m。而該礦采空區(qū)條帶煤柱留寬a=8m，不滿足煤柱最小寬度要求。

2.2.2 煤柱寬高比驗(yàn)算

留設(shè)條帶煤柱寬度為8m，平均采厚M=6.5m，故條帶煤柱寬高比a/M=1.2，不能滿足垮落條帶開(kāi)采煤柱寬高比大于3～5的要求。

2.2.3 采出率驗(yàn)算

條帶開(kāi)采面積采出率為12/(8+12)=60%，能滿足采出率小于68%的要求。

可見(jiàn)，該礦采用采12m留8m的條帶開(kāi)采法在煤柱安全系數(shù)、條帶煤柱需要的最小寬度、煤柱寬高比等方面均不能滿足條帶煤柱穩(wěn)定性的要求，不能保證煤柱的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，采空區(qū)條帶煤柱今后有可能發(fā)生失穩(wěn)。

2.3 條帶采空區(qū)煤柱失穩(wěn)采動(dòng)影響分析

條帶采空區(qū)內(nèi)煤柱不能保證長(zhǎng)期穩(wěn)定，一旦失穩(wěn)垮塌地表將產(chǎn)生較大的移動(dòng)變形，采用了概率積分法預(yù)計(jì)得出：地表最大下沉值2593mm，最大水平移動(dòng)778mm，最大傾斜變形為47.9mm/m，最大曲率變形為1.34×10-3/m，最大水平變形為21.8mm/m；地表沉陷面積為145hm2?？梢?jiàn)，條帶采空區(qū)失穩(wěn)可對(duì)地表水源地和地表建(構(gòu))筑等產(chǎn)生一定影響，必須對(duì)條帶采空區(qū)進(jìn)行治理。

3 條帶采空區(qū)治理對(duì)策研究

3.1 采空區(qū)治理技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)外采空區(qū)治理技術(shù)主要有采空區(qū)地面注漿治理技術(shù)、采空區(qū)露天剝離治理技術(shù)以及采空區(qū)殘留煤柱充填回收技術(shù)等。每種技術(shù)都各有優(yōu)缺點(diǎn)，有自己的使用條件。結(jié)合煤炭科學(xué)研究總院多年的治理經(jīng)驗(yàn)，一般來(lái)說(shuō)，煤層埋深淺、地表無(wú)重要受護(hù)對(duì)象的下伏采空區(qū)，優(yōu)先考慮采用露天剝離的治理方案；對(duì)于地表存在重要受護(hù)對(duì)象的下伏采空區(qū)，適合采用注漿充填治理方案；對(duì)于巷道布置相對(duì)清楚、采空區(qū)頂板未大面積垮塌、無(wú)大量積水和有毒有害氣體且埋深相對(duì)較大，采空區(qū)上部巖層或地表存在含水層、水體、建(構(gòu))筑物等，不允許大的下沉或變形的采空區(qū)，可以考慮采用殘留煤柱充填回收的治理方案。

3.2 條帶采空區(qū)治理對(duì)策

按照榆林市水源地保護(hù)區(qū)的要求，礦井開(kāi)采過(guò)程中及完成開(kāi)采后均不允許地表有大的移動(dòng)變形和破壞，更不允許采空區(qū)產(chǎn)生貫通地表的塌陷裂縫。同時(shí)，條帶采空區(qū)中存在大量煤柱，條帶采空區(qū)內(nèi)頂板未垮落，基本完好，部分存在少量積水，也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)煤炭自燃現(xiàn)象，采空區(qū)上方也無(wú)塌陷區(qū)域。因此，從優(yōu)先保護(hù)水源地，消除煤柱存在突然垮塌的安全隱患，以及提高煤炭資源采出率、充分利用資源等多方面考慮，建議對(duì)該煤礦條帶采空區(qū)采用煤柱充填回收進(jìn)行治理。

條帶采空區(qū)煤柱充填回收治理的具體步驟為：首先對(duì)條帶采空區(qū)進(jìn)行充填，盡量填滿，條帶采空區(qū)形成具有一定強(qiáng)度能支護(hù)住頂板的人為充填“條帶”；回收留設(shè)的條帶煤柱；完成條帶煤柱回收后，對(duì)煤柱采空區(qū)進(jìn)行充填，形成充填“煤柱”，最終實(shí)現(xiàn)采空區(qū)完全充填。條帶采空區(qū)煤柱充填回收治理整個(gè)步驟可概括為充填→回收→充填，其示意如圖1所示。

圖1 條帶采空區(qū)煤柱充填回收治理示意

對(duì)條帶采空區(qū)進(jìn)行煤柱充填回收治理實(shí)現(xiàn)了以充填體置換遺留的煤炭資源，既保證了煤炭資源高采出率，又不引起頂板和地表大幅度下沉，保護(hù)水源地水，更杜絕了頂板大面積突然垮塌引起的礦震。

4 條帶采空區(qū)治理對(duì)策可行性分析

4.1 充填方法的選擇

根據(jù)對(duì)煤層埋藏特點(diǎn)及條帶采空區(qū)特點(diǎn)分析，建議該煤礦采用膏體充填法進(jìn)行煤柱充填回收治理。充填材料基本組成為風(fēng)積砂(黃土)、粉煤灰、膠結(jié)料、外加劑和水，風(fēng)積砂(黃土)可就地取材。

4.2 條帶采空區(qū)煤柱充填回收投資估算

膏體充填成本主要包括膏體充填材料用量與材料費(fèi)、充填系統(tǒng)固定資產(chǎn)投入、充填電費(fèi)、充填人工費(fèi)，以及充填系統(tǒng)設(shè)備易損件費(fèi)用、一般檢修費(fèi)用和充填直接關(guān)系輔助材料費(fèi)用與辦公費(fèi)用等充填其他費(fèi)用，根據(jù)各項(xiàng)工程量和費(fèi)用單價(jià)計(jì)算，條帶采空區(qū)煤柱充填回收治理費(fèi)為29306萬(wàn)元。

條帶采空區(qū)完成煤柱充填回收后，能回收資源量為2.62Mt，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限約4a，煤柱回收開(kāi)采成本約57572萬(wàn)元，按照調(diào)查當(dāng)?shù)仄骄簝r(jià)計(jì)算，礦井條帶采空區(qū)煤柱充填回收可實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)12565萬(wàn)元。

可見(jiàn)，條帶采空區(qū)煤柱充填回收治理工程技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

5 結(jié)論和建議

(1)條帶采空區(qū)內(nèi)遺留煤柱經(jīng)過(guò)一定時(shí)間，在受到各種內(nèi)外因素的影響后，有可能發(fā)生煤柱失穩(wěn)，可采用安全系數(shù)法，并結(jié)合條帶煤柱需要的最小寬度、煤柱寬高比、煤柱采出率等對(duì)條帶采空區(qū)內(nèi)遺留煤柱穩(wěn)定性進(jìn)行分析、評(píng)價(jià)。

(2)從保護(hù)水源地，消除煤柱突然垮塌安全隱患，以及提高煤炭資源采出率等多方面考慮，條帶采空區(qū)可采用煤柱充填回收進(jìn)行治理，治理工程技術(shù)可行，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

(3)對(duì)條帶采空區(qū)進(jìn)行煤柱充填回收治理時(shí)，建議做好相應(yīng)的治理規(guī)劃，優(yōu)先治理遺留煤柱安全系數(shù)小的區(qū)域，且應(yīng)盡快治理。

[1]吳立新，王金莊，劉延安，等.建(構(gòu))筑物下壓煤條帶開(kāi)采理論與實(shí)踐[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1994.

[2]郭文兵，鄧喀中，鄒友峰.條帶開(kāi)采的非線性理論研究及應(yīng)用[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2005.

[3]張華興，郭惟嘉.“三下”采煤新技術(shù)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

[4]張華興，趙有星.條帶開(kāi)采研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J].煤礦開(kāi)采，2000，5(3)：5-7.

[5]郭文兵，鄧喀中，鄒友峰.我國(guó)條帶開(kāi)采的研究現(xiàn)狀與主要問(wèn)題[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2004，32(8)：7-11.

[6]詹鳳平.長(zhǎng)壁全垮法開(kāi)采和限厚條帶開(kāi)采對(duì)生態(tài)環(huán)境影響比較分析[J].煤礦開(kāi)采，2013，18(3)：89-91，80.

[7]李家卓，馬學(xué)民，吳志堅(jiān)，等.矸石充填置換條帶遺留煤柱技術(shù)[J].煤礦安全，2013，44(11)：94-97.

[8]李純青，姚 香.采空區(qū)處理新技術(shù)的理論研究及應(yīng)用實(shí)踐[J].黃金，2004，25(3)：22-26.

[9]李俊平，肖旭峰，馮長(zhǎng)根.采空區(qū)處理方法研究進(jìn)展[J].中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，2012，22(3)：48-54.

[10]煤炭科學(xué)研究總院.榆陽(yáng)區(qū)地方煤礦采空區(qū)綜合治理規(guī)劃[R].北京：煤炭科學(xué)研究總院，2013.

[11]朱萌萌，梁嘯塵，任 禹，等.綜放工作面膏體充填條帶開(kāi)采研究[J].采礦技術(shù)，2013(6)：17-19，54.

[12]卜萬(wàn)奎，李 強(qiáng)，徐 慧，等.條帶開(kāi)采矸石充填控制變形的數(shù)值模擬研究[J].礦業(yè)安全與環(huán)保，2008，35(2)：4-7，91.

[13]劉鵬亮，胡炳南，張玉軍.條帶開(kāi)采合理采留寬確定的FLAC3D數(shù)值模擬研究[J].煤礦開(kāi)采，2006，11(3)：1-3.

[14]劉義新，戴華陽(yáng)，董榮泉，等.建筑物下壓煤條帶煤柱支護(hù)設(shè)計(jì)[J].煤礦開(kāi)采，2012，17(5)：67-69.

[15]劉義新.房柱式采空區(qū)遺留煤柱穩(wěn)定性綜合評(píng)價(jià)研究[J].煤礦開(kāi)采，2013，18(3)：78-80.

[責(zé)任編輯：王興庫(kù)]

Analysis of Strip-mining Gob Stability and Treatment Countermeasure

LIU Yi-xin1,2, LI Ling1,2

(1.Mine Safety Technology Research Branch, China Coal Research Institute, Beijing 100013, China;2.State Key Laboratory of Coal Resource High-efficiency and Clean Utilization, Beijing 100013, China)

Applying safety efficient method and combining minimum width of strip coal-pillar, ratio of width and height, mining ratio, coal-pillar stability in gob was analyzed and evaluated.On the basis of comprehensively analyzing domestic and abroad gob treatment technology and experience, a countermeasure of applying mining strip coal-pillar with stowing was put forward.Feasibility of the method was discussed with actual example.Result showed that taking mining strip coal-pillar with stowing as gob treatment method was technically feasible and its economic profit was prominent.

strip-mining gob; stability analysis; gob treatment; stowing mining

2014-04-08

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.021

國(guó)家自然科學(xué)基金煤炭聯(lián)合基金項(xiàng)目(51174112)

劉義新(1980-)，男，山東棲霞人，博士研究生，從事礦山開(kāi)采沉陷和“三下”采煤、采空區(qū)治理等方面的研究工作。

劉義新，黎 靈.條帶采空區(qū)穩(wěn)定性分析與治理對(duì)策研究[J].煤礦開(kāi)采，2014，19(6)：81-83.

TD355

A

1006-6225(2014)06-0081-03