建筑群下构造带倾斜条带充填开采实践

汪华君，陈善乐,2

(1.毕节学院资源与安全工程学院， 贵州 毕节市 551700；2.辽宁工程技术大学安全科学与工程学院， 辽宁 阜新市 123000)

南下冶煤矿开采煤层可采煤量82.9%位于村庄建筑物下，传统条带开采损失大量煤炭资源，影响矿井可持续发展与服务年限。为提高回采率，降低经济损失，进行了充填条带开采技术的探索与实践。

1 开采条件概况

1.1 煤层条件

南下冶煤矿主采煤层为3、4、19煤层，基础储量340.3万t。3、4煤层间距11.6 m，4、19煤层间距187.9 m。其中3、4煤层为薄煤层，平均煤层厚度分别为0.9,0.89 m，19煤层为中厚煤层，平均厚度为2.02 m。煤层总体构造形态为一走向105°～285°左右，倾向15°，倾角20°～25°，平均22°的单斜构造，煤层倾角平均24°。

1.2 地质构造情况

断裂构造比较发育，落差10 m以上的断层计22条，均为正断层。其中一采区主要断层的产状、落差详见表1。

表1 南下冶煤矿一采区断层

1.3 地面建筑情况

井田范围内地面村庄稠密，建筑主要为住宅楼、学校和村庄民房等。基础储量中村庄等建筑物下压煤总量占82.9%，因此初步设计可采储量仅为154.3万t。其中一采区上西沟新村，共有5层住宅楼7座，长度均超过20 m，占地面积约19000 m2，人口1500人；学校占地面积约33000 m2，有3层楼4座，4层楼2座，长度均超过20 m；另一压煤村庄颜庄村人口3100人左右，建筑有沿街楼和民房，其中沿街楼为2层，大约40余座，长度均小于20 m；民房均为砖瓦结构，约计8万m2。

2 倾斜条带充填开采方案

依据煤矿实际回采区域、开采情况以及井上下相对位置关系，结合该区域的实际地层结构，按照国家煤炭工业局制定的《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》(以下简称“三下”规程)的规定，参照长壁开采条件下地表移动与变形预计方法-概率积分法对南下冶煤矿地下开采引起的地表移动变形进行计算[1-6]。

计算参数参考临近矿井南冶煤矿、潘西煤矿，结合本区的具体覆岩岩性、地质采矿条件和开采方法及采空区处理方法，分别对以下3种情况进行地表移动与变形预测：

(1) 3、4煤层垮落法开采时地表变形量；

(2) 3煤层垮落法开采，4煤层充填条带开采时地表变形量；

(3) 3、4煤层全部充填条带开采时地表变形预计。

参数选择见表2～表4，计算变形指标主要有：地表下沉、地表水平变形、地表倾斜、地表水平移动。计算结果见表5。

从表2～表5分析可知，3、4煤层全垮落法开采后，走向方向倾斜变形、倾向方向地表水平变形和倾斜变形值都超过了破坏等级III级；全垮落法开采3煤层、充填开采4煤层后，地表变形预计倾向方向地表水平变形和倾斜变形值都超过了破坏等级II级；充填法开采3、4煤层后，地表移动变形预计每个指标都小于破坏等级I级的指标，地表变形控制程度较好。

为保护地表建筑物，同时提高煤炭回采率，确定采用充填法开采3、4层煤炭。

城市燃气即是指天然气，主要是通过城市燃气官网进行输送，结合相关调查研究来看，轻微的燃气泄露并不会带来负面影响，但当其燃气泄露的浓度超过15%之后，就会对人体造成危害，具体表现为因缺氧引起的中枢神经损害，进而出现昏迷或是死亡。同时，燃气易燃易爆炸的特性使得其燃气泄露成为城市火灾的主要引发原因之一。此外，燃气泄露还会对大气环境造成一定的污染。

表2 3、4煤层全跨落地表移动与变形计算参数

注：q-煤层开采下沉系数；tgβ-影响角正切；b-水平移动系数；θ-开采影响传播角；S—拐点平移距。

表3 3煤层全跨落开采、4煤层充填开采地表移动与变形计算参数

表4 3、4煤层充填开采地表移动与变形计算参数

3 充填条带开采方案设计[7-9]

3.1 工作面布置及回采顺序

根据地质资料和以往开采资料及经验，3、4煤层的直接顶为稳定的粉砂岩或中砂岩，不易垮落，初跨距离达到25～30 m。因此，回采条带宽度最佳宽度为15～20 m，采区条带划分见图1。工作面走向布置，长度60 m，回采方法和普通垮落法相同。在一个条带采完后，撤出设备，进入相隔条带回采，留下的空区随后充填。待已采的两侧条带空区充填完毕并固化后，再采所留条带，随后充填空区。开采顺序为先依次回采Ⅰ、Ⅲ、Ⅴ条带，充填完成后，再依次回采Ⅱ、Ⅳ、Ⅵ条带。

3.2 充填工艺设计

为保证条带回采第二个循环(两个充填条带之间的条带)回采安全，第一次条带采空区充填的强度要高一些。参照以往矿山充填经验，充填体强度可取2.0 MPa左右。第二次条带采空区充填的强度可以低一些，只要达到固化要求就行，可取0.3～0.5 MPa。

表5 不同开采方案地表移动变形预计

图1 条带采充工序

充填条带开采关键技术是条带回采之后的空区顶板保护，特别是下部挡墙和上部充填口附近的顶板保护要解决好，否则将造成充填的困难，影响充填接顶。因此，在回采过程中，随着工作面的前移，采用粉煤灰加气混凝土砌块砌筑上下挡墙，加强和维护上下挡墙附近的顶板。设计下部挡墙宽0.9 m，上部挡墙0.6 m。上部挡墙留出充填口，下部挡墙预埋排水管(见图2、图3)。

充填之前，采空区可能局部冒落。考虑到煤层倾角达到24°，直接顶4～5 m，只要上下挡墙砌筑及时保证质量，配合进风回风巷已有的维护措施，充填口近距离内不会发生大的冒落，可以保证充分接顶。

为保证滤水效果，在工作面推进过程中，间隔4～5 m预置一根滤水管。

3.3 充填材料选择

充填主料：利用井下所产矸石(废石)和当地粉煤灰。其中矸石料与粉煤灰所占比例为2∶1。矸石(废石)加工后粒度不大于10 mm，小于5 mm的粒度应占50%以上。

充填辅料：减水剂。

胶结材料：高水速凝型胶固料。

图2 条带采空区充填

图3 充填挡墙设计

3.4 充填体强度试验

料浆固化强度试验采用建筑材料试验标准，试块尺寸7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm，在标准养护室养护。试验龄期分3,7,28 d三种。选取试块脱模质量和试验结果较好的3块试验结果进行计算，各种配比和龄期的强度值见表6。

表6中的“粉石比”指粉煤灰与碎石之比，浓度为质量百分比。考虑到破碎成本问题，试验主要采用粗粒碎石，也给出了部分细粒碎石的试验结果。

由表6可见，采用2号胶固料，灰料比1∶10，粉煤灰与碎石之比1∶2，料浆28 d的固化强度即超过3.0 MPa，满足前期条带空区充填要求。对于后期空区充填，采用1∶40的灰料比强度即达到0.38 MPa，完全满足要求。

3.5 分布充填工艺设计

(1) 第一步回采的条带充填料配比及充填体强度。根据采煤工艺要求，回采时采用条带式二步开采法，第一步对划分的采煤条带进行间隔式回采，嗣后进行一次性充填。该条带充填后，对第二步回采相邻条带时要起支撑作用，参照冶金矿山充填经验[1]，充填体强度取2.0 MPa左右。

充填料配比为充填主料：高水速凝型胶固料=10∶1。充填辅料减水剂根据情况适当加人，应控制在高水速凝型胶固料用量的0.2%～0.5%。

表6 2号胶固料试块抗压强度试验结果

(2) 第二步回采的条带充填料配比及充填体强度。第二步对剩下条带回采后，对空区进行一次性充填，充填体的强度可以低一些，只要达到固化要求就行，可取0.2～0.4 MPa。充填料配比为充填主料：高水速凝型胶固料=30∶1～40∶1。充填辅料减水剂根据情况适当加人，应控制在高水速凝型胶固料用量的0.2%～0.5%。

3.6 地表移动观测站设置

为了掌握一采区各煤层回采工作面开采引起的地表移动变形的基本规律，监测开采对地面村庄房屋的影响情况，在一采区开采过程中，沿近工作面走向和倾斜方向，在村庄公路和205国道上布置观测线，并根据设计工作面的布置情况及开采顺序，分别在开采影响村庄内，尤其在一些主要建筑物上，布置监测点，严格按照《煤矿测量规程》的基本要求，定期进行观测和监测，及时分析观测资料。

4 结 论

(1) 条带充填开采应用效果明显。对覆岩破坏较小，只引起开裂性破坏而无冒落性破坏，地表移动变形监测表明，3煤层使用条带开采后，地表最大下沉值为50 mm，地表砖混结构建筑物无开裂破坏现象，地表变形控制程度较好。

(2) 该技术应用后，无地面建筑、人员搬迁，减少民、企之间的社会矛盾，较好地维护了矿区社会稳定；

(3) 减少了地面矸石的堆放量，实现了“绿色开采”，保护了矿区生态环境；

(4) 延长了矿井服务期，可多采煤20.41万t,提高了煤炭资源回采率，直接经济效益达3212.53万元，总体经济效益达1.38亿元。

参考文献：

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