建筑物下压煤充填开采固体充填材料优化与应用

张书国

(冀中能源股份有限公司邢台煤矿，河北邢台054026)

目前我国煤矿生产矿井的“三下”压煤达13.79Gt，其中建下压煤9.468Gt，占总压煤量的69%，尤其是河北、河南、安徽、山东等东部产煤地区，建下压煤量占矿井储量的10% ～30%［1］。随着矿井开采时间的延长，建下压煤问题更加突出，已成为制约矿井发展的关键因素。有效开采建下压煤，保护矿区生态环境已迫在眉睫。

冀中能源股份有限公司与中国矿业大学合作，开展建下充填开采研究，成功地解决了这一难题。邢台矿从2008年开始，利用固体充填技术，在工业广场煤柱内，已开采了3个工作面，并有意识地在首个充填工作面中部开掘一条巷道，揭露矸石和粉煤灰充填区域，并对充填体的强度和支撑高度进行验证，同时，对充填体上覆岩层完整性进行分析，成功地实现充填采空区内锚网支护。

1 矸石和粉煤灰的物理化学特性

1.1 矸石的矿物成分测试

在某科研单位采用先进的X射线衍射仪对邢台矿煤矸石进行测试，并按相应的标准进行对照分析。其组成成分如表1及图1所示。

表1 洗选矸石的组成成分

1.2 化学成分测试

矸石和粉煤灰的矿物组成直接影响煤矸石的工程性质。矸石样品的化学成分与化学元素分别见表2，表3。

图1 矸石试样X－射线衍射图谱

表2 洗选矸石的化学成分

表3 洗选矸石的化学元素

由表2、表3可知，洗选矸石试样的物质组成中，SiO2的含量最高，是矸石充填开采时骨架的主要成分，可使充填后的矸石强度增高;此外，由于矸石中含有碳、铝和CaO等物质，易使矸石发生水解和风化等现象。

1.3 粉煤灰的化学成分测试

同样采用D/Max－3B型X射线衍射仪作为测试仪器，对粉煤灰试样进行定量分析，见图2。

粉煤灰化学成分与化学元素分别见表4，表5。

由表4，表5可知，粉煤灰试样的物质组成中，SiO2的含量较高，是煤矸石充填开采时骨架的主要成分，作用为填充矸石缝隙，使其混合物更密实;粉煤灰存在活性，能胶结矸石提高强度。

图2 粉煤灰试样的X－射线衍射图谱

表4 粉煤灰化学成分

表5 粉煤灰化学元素

1.4 矸石、粉煤灰混合作用

孔隙比是煤矸石的一个重要力学参数，研究认为充填体的孔隙比是影响充填体强度和可变形能力的最重要的参数。总体来说，孔隙比越低，充填体的相对密度就越高，当顶板来压时，充填体所能承受的可变性能力就越强。当充填体受到剪切力时，密度大的充填体随着剪切力的增大会表现出一定的表面黏结力;密度较小的充填体则表现出很大的塑性变形，最终体积缩小，当剪切力超过充填体本身所能承受的最大剪切力时，充填体内部的矸石颗粒结构就会重置。

粉煤灰在压力增加的情况下，其相对密度不断增大。研究表明，粉煤灰的相对密度随压实力增大而趋于稳定，这一压力值对粉煤灰在工程中应用起到重要作用。还有一些学者对粉煤灰的抗剪强度进行了研究分析，抗剪强度是粉煤灰抵抗剪切破坏的极限能力，其受颗粒粗细、结构密度、含水量及受力条件等因素的影响。研究认为，粉煤灰受压力作用下，其孔隙水随之迅速排出，所有的法向应力和剪应力均为固体颗粒所承担，此时的抗剪强度则决定了法向应力和内摩擦角的变化。

综上所述，粉煤灰为填充矸石缝隙，使其混合物更密实;使矸石孔隙比更密实，两者混合，为支撑采空区顶板的强度起到了至关重要的作用。

2 矸石与粉煤灰的力学特性

对矸石与粉煤灰不同配比条件下压实特性进行测试，矸石和粉煤灰的配比方案见表6。分析2种骨料 (矸石、粉煤灰)在不同的配比下试样压实度与压实力的关系曲线如图3所示。

表6 矸石、粉煤灰配比方案

图3 试样压实度与压实力关系

由图3可知，充填材料的压实度k随着压实力σ的增大而减小，特别在初始阶段，由于材料的松散程度较大，因此产生的压缩量较大，表现为压实度k变化较快。当矸石与粉煤灰配比为1∶0.6时，压实度与压实力的比值产生的矸石与粉煤灰混合密度达到最大值。

通过以上试验，矸石和粉煤灰以1∶0.6的比例配比后，经捣实机构夯实 (24MPa)，压实度为0.75，密度为1.65t/m3，此时的矸石与粉煤灰强度能够有效地控制采场上覆顶板的压力，达到控制地表塌陷的目的。

3 充填材料在现场的实际效果

通过科学合理的配比与分析充填介质及投入使用情况，成功地实现了3个充填工作面的回采，通过变形监测，其影响范围内的地表建筑物变形控制在Ⅰ级内，不影响正常使用。

其中，在揭露首个充填工作面的充填区域中，对充填材料的压实强度和支撑效果进行检测。首先对充填体区域顶板采用窥视镜观测顶板的深度破坏情况，通过观测发现，顶板仅出现垂直方向浅部的裂隙发育，未产生深度破坏，上覆岩层未产生像传统垮落法那样的“三带”破坏，顶板较完整，充填体具有良好的稳定性，揭露后未发生松动片帮现象，对顶板起到了良好的支撑作用。

3.1 揭露充填区上覆岩层移动分析

在揭露的充填区域顶板布置测点，比较采动前后顶板标高，确定顶板下沉量，分析充填体对充填空间的顶板支撑效果。

原充填区域顶板标高为－240m，重新揭露后，顶板标高为－240.2m，直观地表明该点区域的顶板下沉量为200mm。通过对工作面测点标高与原回采过程中顶板标高比较，工作面平均下沉量为280mm。

3.2 施工钻孔，观测顶板下沉和深度破坏情况

在揭露充填采空区后，利用岩层钻孔探测仪对充填区域上覆岩层进行直接观测顶板的变形及深度破坏情况。在充填区域钻观测孔3个，钻孔深度10m，孔径30mm。通过探视仪观测，揭露的充填采场上覆岩层1.3～2m有轻微破碎，2～3m有交错轻微裂隙，3～10m顶板完好。这一直观的数据表明，受充填体支撑作用，伪顶有破碎现象，直接顶存在轻微的裂隙，但向上的基本顶完好。这一结论有效地证明了科学合理配比的充填介质对上覆顶板起到了良好的支撑作用。

3.3 充填介质控制采空区的顶板岩层变形情况

充填工作面直接顶达到垮落步距发生断裂现象时，由于矸石和粉煤灰充填体的支撑作用与破碎的直接顶接触 (岩石碎胀性)。直接顶仅发生轻微裂隙和离层，基本顶在其上部覆岩的载荷作用下产生弯曲变形，但不会出现断裂现象，变形特征如图4，图5所示。

图4 采空区垮落

图5 采空区充填物料

从图4，图5可以看出，传统垮落法管理采空区的采煤方法，其采空区上覆顶板随着工作面推进，采空区覆岩会产生破坏，由下至上形成“三带”破坏，即垮落带、断裂带、弯曲下沉带。

和传统垮落法采煤方法相比，由于充填采煤法以矸石与粉煤灰作为充填介质，对上覆顶板起到了有效的支撑作用，充填体上覆稳定岩层仍然为采场围岩应力的主要承载体，完全满足充填体内实施锚网支护的要求。

3.4 充填工作面矿压显现及上覆岩层活动规律

为科学有效地掌握以固体物料充填控制采空区的回采巷道及采场矿压显现规律，完善调整支护方式及充填料的配比，并为充填开采工艺的矿压显现规律提供数据，对充填综采工作面进行矿压监测。

第3个充填工作面的监测主要包括以下内容:支架支护阻力监测、采空区充填体应力监测、工作面顶板裂隙发育监测。

沿工作面倾斜方向共布置10台在线监测分机，平均布置在支架上，监测液压支架工作阻力随工作面推进的变化规律。同时，沿工作面走向每推进65m，在工作面充填体内埋设一组充填体应力传感器来监测上覆顶板的变化规律。

第3个充填工作面在2012.1.1－2012.7.16期间，进行165d的支架工作阻力实时监测。工作面共推进500m。典型数据周期性曲线如图6所示。

图6 2号分机 (机头段)实测支架工作阻力分布

由图6可知:充填体承担了顶板的部分压力，充填开采工作面支架压力整体偏低，其平均工作阻力仅为2657～3252kN。但是，当推进度达到40m极限垮距时 (周期来压)工作面支架压力会出现整体明显增高现象;分析认为顶板“三带”的破坏中，采空区的上覆岩层没有垮落现象产生，其顶板呈弯曲的悬臂梁结构，使矿压应力会一直传递给充填体 (矸石、粉煤灰)和支架上，造成整个采场的压力峰值整体升高。

3.5 地表下沉监测

3.5.1 地表移动变形观测站设立

在矸石、粉煤灰充填工作面正上方沿工作面倾向方向设立铁路观测线。观测线长1130m，布设控制点4个，观测点39个，各工作点间距平均为25m。在采动影响区内的各主要建筑物四角点、中点和转角处设计沉降观测点，共布设90个建筑物沉降观测点。

3.5.2 地面观测成果分析

铁路下沉曲线见图7，随着工作面的推进，在运输巷推至距铁路测线16m，运料巷推至距铁路测线60m处时，铁路观测点下沉超过10mm，说明铁路测线地表已经开始移动。随着工作面继续往前推进，铁路也开始持续轻缓下沉，地表稳定后下沉量仅为95mm，最大下沉点位于工作面正上方中部的14号观测点。

图7 铁路下沉量

工作面运输巷推过铁路10m时，下沉速度达到最大，最大值为1.4mm/d。《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》附录四“地表移动与变形值的预计及参数求取方法”中指出，“在移动过程的延续时间内，地表下沉速度大于50mm/月 (1.7mm/d) (煤层倾角小于 45°)，或大于30mm/m(煤层倾角大于45°)的时间称为活跃期”。工作面煤层倾角平均为6°，下沉速度小于50mm/月 (1.7mm/d)，说明没有出现明显的活跃期。

经计算，铁路倾斜最大值为0.627mm/m;水平移动最大值为39mm;水平变形最大值为0.503mm/m;曲率变形最大值为0.011/km。

《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》第27条对于砖混结构建筑物损坏等级中Ⅰ级损坏等级地表变形值有如下规定:水平变形 ε≤2.0mm/m;曲率 K≤0.2/km;倾斜 i≤3.0mm/m。7606工作面开采期间的各种变形值均远小于规定值，说明地面各类建筑物损坏等级控制在Ⅰ级范围内。从地面建筑物的实际观测情况来看，只有机修车间由于建筑物跨度大，墙壁上出现一条1mm宽的细微裂缝，其他建筑物完好无损，无需维修，完全可以安全使用。

4 结论

矸石及粉煤灰充填开采大幅减少了地表下沉;下沉速度趋缓，无明显的活跃期;水平变形、曲率、倾斜3种变形值得到有效控制，地表建筑物可以安全使用。矸石及粉煤灰充填开采对于减少地表移动与变形的效果是显著的。

根据现场实际测量不同观测点的墙体裂缝，出现的裂缝宽度均小于2mm，建筑物的损坏程度均为极轻微损坏，不用处理可正常使用。

科学合理的配比充填材料在投入使用过程中具有良好的稳定性能，能有效地控制和改变采空区上覆岩层活动规律，确保地面建筑物完好使用。

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