魏彩萍

（山西省孝義市煤炭工業(yè)局， 山西 孝義 032300）

煤炭作為促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性能源資源，在人類社會(huì)發(fā)展進(jìn)步中占據(jù)著極其重要的地位。在長(zhǎng)期的開(kāi)采中，在煤炭開(kāi)采區(qū)形成了大量的地下空洞，導(dǎo)致地表下沉、塌方等，不僅嚴(yán)重威脅著臨近綜采區(qū)域的綜采安全而且也對(duì)綜采區(qū)周邊村落的安全造成了極大的安全隱患。為降低采空區(qū)域發(fā)生塌陷的概率同時(shí)降低新巷道開(kāi)采時(shí)廢料的轉(zhuǎn)運(yùn)成本，提出了充填開(kāi)采技術(shù)，包括全面充填開(kāi)采及部分充填開(kāi)采，其中部分充填開(kāi)采得到了廣泛的應(yīng)用。在部分充填開(kāi)采技術(shù)發(fā)展過(guò)程中，先后開(kāi)發(fā)了水砂充填開(kāi)采、膏體充填開(kāi)采等，但這兩種開(kāi)采方法一方面需要的回填物料體量大，實(shí)際生產(chǎn)時(shí)很難滿足井下填充需求，另一方面在填充時(shí)需配備多種專用填充設(shè)備，資金投入量大、效率低下，因此其應(yīng)用受到了非常大的限制，嚴(yán)重影響了部分充填的推廣應(yīng)用[1]。因此如何根據(jù)煤礦井下生產(chǎn)的實(shí)際情況，對(duì)現(xiàn)有部分充填技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，提升充填效率、降低充填成本是必須考慮的問(wèn)題。

根據(jù)現(xiàn)有填充技術(shù)的缺點(diǎn)及長(zhǎng)期工作經(jīng)驗(yàn)，本文提出了兩種新的部分填充技術(shù)，并對(duì)其應(yīng)用原理、設(shè)計(jì)方法進(jìn)行分析，極大提升了井下部分充填的效率，對(duì)加快推進(jìn)部分充填技術(shù)的應(yīng)用，提升煤礦綜采安全具有十分重要的作用。

1 部分充填采煤技術(shù)的研究與實(shí)踐

根據(jù)現(xiàn)有煤礦井下充填采煤技術(shù)所面臨的技術(shù)缺陷，結(jié)合長(zhǎng)期工作經(jīng)驗(yàn)，并通過(guò)研究在井下開(kāi)采中不同地層條件下煤系層狀覆巖的分布特點(diǎn)，提出了新的部分充填開(kāi)采方案。在新的開(kāi)采方案中，摒棄了傳統(tǒng)的完全依靠外來(lái)的填充物進(jìn)行巷道回填的技術(shù)方案，而是在回填中依靠填充體、煤系層狀覆巖關(guān)鍵體以及隔離煤柱等綜合作用，從而達(dá)到避免巷道塌方、地表沉降的目的。根據(jù)新的部分充填采煤機(jī)理，將需要回填的區(qū)域分為采空區(qū)和離層區(qū)，針對(duì)不同的區(qū)域，根據(jù)其各自對(duì)應(yīng)的地質(zhì)條件，提出不同的部分充填采煤技術(shù)，其部分填充采煤技術(shù)的系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 新的部分填充采煤技術(shù)系統(tǒng)框架圖

2 覆巖隔離注漿充填技術(shù)的應(yīng)用

覆巖隔離注漿充填技術(shù)是在傳統(tǒng)的水砂填充的基礎(chǔ)上，對(duì)井下綜采區(qū)進(jìn)行合理的優(yōu)化設(shè)計(jì)，在煤炭開(kāi)采時(shí)即預(yù)留具有一定間隔的隔離型煤柱結(jié)構(gòu)，利用地層原有的地質(zhì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)上端巖層的自支撐，完成綜采后利用設(shè)置在地面上的填充孔對(duì)綜采區(qū)的覆巖層進(jìn)行注漿填充，從而在離層區(qū)形成具有一定寬度的壓實(shí)的承重區(qū)，使采空區(qū)在隔離煤柱和壓實(shí)填充區(qū)的作用下實(shí)現(xiàn)可靠支撐，確保巷道和地層的穩(wěn)定性，其原理如下頁(yè)圖2所示[2]。

圖2 覆巖隔離注漿充填技術(shù)原理

覆巖隔離注漿充填技術(shù)的關(guān)鍵在于對(duì)綜采面采寬和隔離煤柱寬度的設(shè)計(jì)，依據(jù)該支撐關(guān)鍵層對(duì)于控制地表沉降的作用，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)需確保主覆巖層工作面主體結(jié)構(gòu)的連續(xù)性。若主關(guān)鍵層為非硬巖層結(jié)構(gòu)時(shí)，需要在其下方的某個(gè)亞關(guān)鍵的支撐層進(jìn)行連續(xù)性支撐設(shè)計(jì)，因此綜采面采寬可按以下公式進(jìn)行計(jì)算:

式中:W為綜采面的采寬；LK為關(guān)鍵支護(hù)層的最大跨越距離；D為關(guān)鍵層到綜采工作面的距離；δ為關(guān)鍵層巖石的破斷角度。

注漿孔的設(shè)置直接關(guān)系到注漿效率及漿液凝結(jié)點(diǎn)位置，因此在注漿孔設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)首先確?？咨畈荒苎由斓骄C采工作面，在實(shí)際鉆孔時(shí)可根據(jù)“基于關(guān)鍵層位置的導(dǎo)水裂隙帶高度判別方法”來(lái)對(duì)注漿孔的深度和層位進(jìn)行確定。

注采比直接決定了覆巖隔離注漿充填的沉降控制效果，根據(jù)實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)，當(dāng)確定了注漿孔位分布及注漿層后，其最大的注采比應(yīng)表示為[3]:

式中:α為注采比；H為注漿填充區(qū)和綜采區(qū)的層距；φ為注漿充分采動(dòng)角度；He為關(guān)鍵支護(hù)層的垮落距離；M為采區(qū)高度；Kp為采區(qū)的巖壁的碎脹系數(shù)。

根據(jù)理論分析，只有當(dāng)臨界注采比低于極限情況下的注采比時(shí)才說(shuō)明選定的注漿支撐層是滿足支護(hù)要求的，但在實(shí)際應(yīng)用中受不同地質(zhì)條件及注漿設(shè)備的影響，實(shí)際完成的注采比通常情況下是無(wú)法達(dá)到極限注采比的，因此在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)只需要求臨界注采比低于極限情況下的注采比即可。

該部分填充技術(shù)能夠?qū)⒌乇淼南鲁料禂?shù)控制在0.2左右，單位填充的成本能夠比膏體充填開(kāi)采降低約50%，同時(shí)該填充技術(shù)對(duì)不同地質(zhì)條件的適應(yīng)性較好，能夠滿足大深度中厚煤層的支護(hù)要求。

3 長(zhǎng)壁墩柱同步充填開(kāi)采技術(shù)的應(yīng)用

長(zhǎng)壁墩柱同步充填開(kāi)采技術(shù)是指在綜采區(qū)的工作面上，每采掘完成一定區(qū)域后就在采空區(qū)內(nèi)按照一定的間隔和距離設(shè)定一組支撐墩柱，隨著開(kāi)采的不斷推進(jìn)，最終在綜采區(qū)形成一個(gè)支撐面，和支撐覆巖關(guān)鍵層一起共同確保井下采空區(qū)的穩(wěn)定性，避免地面沉降的發(fā)生，其結(jié)構(gòu)原理如圖3所示[4]。

圖3 長(zhǎng)壁墩柱同步充填開(kāi)采原理

長(zhǎng)壁墩柱同步充填開(kāi)采技術(shù)的設(shè)計(jì)流程如圖4所示。

如圖4所示，在長(zhǎng)壁墩柱同步充填設(shè)計(jì)時(shí)各層墩柱之間的縱向和橫向距離在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該確保煤層上方亞關(guān)鍵支護(hù)層主支撐結(jié)構(gòu)的連續(xù)性，在實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)為了確保安全，通常采用了控制相鄰墩柱支架的直接頂不間斷為設(shè)計(jì)原則，使各墩柱之間頂部巖層的最大應(yīng)力要低于其極限抗拉強(qiáng)度。

圖4 長(zhǎng)壁墩柱同步充填設(shè)計(jì)流程

該部分填充采煤技術(shù)主要應(yīng)用于巷道結(jié)構(gòu)較長(zhǎng)的綜采工作區(qū)，因?qū)嶋H需要的支護(hù)墩柱較多，因此要求采區(qū)應(yīng)處于地下較淺的水平薄煤層，同時(shí)地質(zhì)條件的直接頂穩(wěn)性應(yīng)較好。該部分填充技術(shù)方案能夠?qū)⒌乇淼某两迪禂?shù)控制在0.15左右，同時(shí)投入較小，單位填充的成本能夠比膏體充填開(kāi)采的成本降低了約30%。

4 結(jié)語(yǔ)

目前常用的部分充填開(kāi)采技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中存在著充填速度慢、充填材料需求量大、成本高等難題，因此其應(yīng)用受到了極大的限制。根據(jù)實(shí)際開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)提出了覆巖隔離注漿充填及長(zhǎng)壁墩柱同步充填的新的部分充填開(kāi)采技術(shù)。通過(guò)分析，結(jié)果表明覆巖隔離注漿充填采煤技術(shù)能夠?qū)⒌乇淼南鲁料禂?shù)控制在0.2左右，單位填充的成本能夠比膏體充填開(kāi)采的成本降低了約50%，長(zhǎng)壁墩柱同步充填采煤技術(shù)能夠?qū)⒌乇淼某两迪禂?shù)控制在0.15左右，單位填充的成本能夠比膏體充填開(kāi)采降低約30%，具有較大的應(yīng)用推廣價(jià)值。