预置矸石充填带置换窄煤柱无煤柱开采技术研究

1、预置矸石充填带置换窄煤柱无煤柱开采技术研究    1 引言目前全国大部分矿区仍然采用传统的沿空掘巷方法，即在工作面之间都留设了35 m 的窄煤柱或1020 m 的宽煤柱1。其目的是为了防止生产（或准备）工作面与相邻采空区通透漏风而引起采空区的自然发火，同时也兼顾了工作面矿山压力的影响。工作面区段之间留设煤柱虽然短期内对防治窜风、自然发火起到一定作用，但却造成了煤炭资源的浪费（大约损失2%3%），而且煤柱在采空区侧被压酥，甚至压碎，极易造成采空区煤柱自然发火，对安全生产构成威胁。因此，实现工作面无煤柱开采，无论是对安全生产，还是对增加经济效益和社会效益，都

2、具有十分重要的意义2-5。矸石是目前排放量最大的工业固体废弃物之一，每年排放量近亿吨，约占当年煤矿产量的20%左右。目前已累计堆积34 亿吨，占地约20 多万亩，而且还正在以约1.3 亿t/a 的速度增加。目前，矸石井下处理技术已引起人们的关注，并在部分矿井进行了应用6-8。因此，在井下矸石来源与分类的基础上，建立井下矸石集中分选破碎系统，经分选破碎的矸石作为无煤柱开采预置充填带的骨料。针对高庄煤矿3 上507、3 上509 工作面区段间煤柱如何采出进行了研究，提出了大采高工作面区段间预置充填带无煤柱开采技术，成功实现了大采高工作面无煤柱开采。2 预置充填带的力学模型2.1 充填带实施步骤充填

3、带实施步骤见图1。预置充填带实现无煤柱开采，就是在上区段运输巷掘进后（图1（1）所示），在上区段运输巷靠近下区段轨道巷的煤壁侧沿运输巷预置充填带（见图1（2）所示），充填带的宽度在新掘巷道时大断面掘进或在掘进后通过扩帮两种方法预留出来。随着上工作面的回采推进，其后方上覆岩层将发生周期性破断，上工作面回采后状态见图1（3），待回采结束围岩稳定后，下区段轨道巷掘进时，紧贴预置的充填带进行掘进，不再留设区段煤柱（见图1（4）所示），用充填带把上下两个区段之间该留设的煤柱置换出来，从而实现工作面无煤柱开采。2.2 充填带力学模型预置充填带沿空掘巷围岩结构模型见图1（4）所示。因老顶及直接顶的刚度远大于

4、充填带，因此充填带上边界为施加给定变形的边界；下区段轨道巷掘进之前，充填带左边界受到煤壁很小支撑力的作用，下区段轨道巷掘进之后，充填带左、右边界（采空区侧）受力均为零；充填带下边界受到底板的支撑作用，垂直方向位移相对较小，可认为下边界给定垂直位移为零，据此建立充填带的力学模型，见图2。由沿空掘巷围岩大、小结构的稳定性原理9可知，上区段工作面回采影响期间，因关键岩块B 的回转、下沉和运动（见图1），对充填带影响较大，引起充填带的较大的变形，围岩稳定后，沿充填带掘进对围岩大结构的稳定性没有什么影响，因此充填带的变形量较小。因此有必要对充填带的稳定性作进一步分析。3 充填带稳定性的数值分析充填带的稳

5、定性是成功应用沿空掘巷技术的关键。因此，采用非线性数值分析软件FLAC2D5.0对充填带围岩变形规律进行了分析。3.1 模型建立根据3 上509 工作面地质条件和岩石力学参数，建立沿倾斜剖面平面应变模型。数值模拟的煤岩层范围为宽× 高 200m×60m ， 网格为300×74，共22200 个单元，模型采用应力边界条件，模型的上表面施加均匀的垂直压应力，按巷道上覆岩体的自重考虑（399 m）。模型下表面垂直位移固定，左右两侧的水平位移固定。模型采用库仑-摩尔模型，数值计算力学模型如图3 所示10-11。3.2 模拟方案根据沿空掘巷围岩结构及充填带的受力分析，提出以

6、下3 个大方案，共计9 个方案：方案1，不考虑老顶的回转对充填带的影响，即充填带接顶良好，充填带顶部与顶板间不留间隙；方案2，考虑老顶的回转对充填带的影响，充填带顶部与顶板之间留有一定间隙，在老顶回转或滑移运动过程中起到让压作用，以减小作用在充填带上的压力；方案3，基本上同方案2，不同之处是充填带顶部与顶板之间间隙由软弱岩层或煤层代替。鉴于高庄煤矿区段窄煤柱的宽度，充填带宽度分别为1m，1.5m，2m，详见表1。3.3 模拟结果分析（1）各方案围岩塑性区分布情况比较方案1 塑性区分布情况基本同方案3，充填带中间和两边分别处于剪切、拉应力屈服状态并部分发生破坏，充填带靠采空区侧右上方的岩体基本处

7、于拉应力破坏，轨道巷左帮03m 范围内岩体处于剪切、受拉屈服状态并部分发生破坏，轨道巷底板处于拉应力屈服状态；方案1、3 中，当充填带宽度为1m、1.5m 时，充填带破坏较严重，不能满足设计要求。方案2 塑性区分布范围较前2 个方案小，充填带宽度为1m 时，充填带破坏严重，其余基本处于弹性状态，但随充填带宽度的增加，轨道巷左帮塑性区范围有所减小，充填带靠采空区侧右上方的岩体基本处于拉应力破坏。（2）轨道巷位移分析轨道巷顶板垂直位移及其左帮水平位移与充填带宽度变化规律见图4 所示。由图可知，轨道巷顶板垂直位移在600640mm 之间，左帮水平位移在700750mm 之间，位移量随充填带宽度增加而

8、减小；充填带宽度由1m 增加到1.5m 时，位移的变化值最大，但充填带宽度由1.5m 增加到2m 时，位移的变化值较小。（3）充填带左右两帮水平位移分析充填带中部左右边界水平位移与其宽度变化规律见图5 所示。由图可知，充填带左边界水平位移大于右边界水平位移量，是由于顶板回转造成充填带左右边界受力不均造成的；方案1、3充填带左右边界水平位移最大，左边界变化量为195600mm，右边界变化量为130350mm，但方案2 充填带左右边界水平位移量较小，左边界变化量为90275mm，右边界变化量为27140mm。（4）充填带内部受力分析充填带内应力与其宽度变化规律见图6 所示。由图可知，充填带内应力随

9、充填带宽度增加而减小；充填带宽度由1m 增加到1.5m 时，充填带内部应力的变化幅度最大，但充填带宽度由1.5m 增加到2m 时，其内部应力的变化幅度较小，即充填带内部的最大平均应力和最终平衡应力随充填带宽度的增加的幅度较小，仅靠单独提高充填带的宽度来提高沿空巷道围岩控制的效果不理想。（5）充填带强度要求分析充填带为支模浇灌矸石渣混凝土结构，关键岩块B 的回转、下沉和运动（见图1）过程中对其稳定性影响最大，所以充填带的强度要足以使采空区侧顶板切断，以减小其受到的载荷。充填带宽度为1.5m，数值计算结果表明，随着充填带强度的增加，其横向、纵向变形逐渐减小。当充填带接顶良好时，因其横向、纵向变形较

10、大，充填带完全破坏散失承载能力。当充填带与直接顶间留有一定间隙或留有一定厚度的顶煤时，充填带横向、纵向变形较小，充填带承载能力较大，当其强度大于20MPa 时，其变形量变化幅度较小。因此确定充填带混凝土强度等级12为CL20。3.4 方案确定根据以上分析，综合考虑围岩塑性区分布特点、轨道巷变形规律、充填带横向变形规律及充填带内部应力变化规律、充填带强度与变形量变化规律，确定充填带宽度为1.5m，充填带强度等级不低于CL20，充填带与直接顶间留有一定间隙。方案2 充填带内部应力与其横向变形的变化规律见图8。与横向变形规律由图8 可知，沿巷帮布置的充填带开始时基本不受顶板压力的作用，当上区段工作面

11、回采后，其上覆岩层发生运移，运输巷上方老顶发生回转与滑移运动，此时的充填带才开始受到顶板压力作用，充填带内的压力逐渐增大；同时充填带内压力出现振荡现象，是由于老顶的运移对充填带的冲击作用造成的，这个过程对充填带的影响较大，充填带的横向变形逐渐增加。当覆岩运动结束稳定后，充填带内的压力逐渐减小并趋于平衡；当沿充填带掘进轨道巷后，充填带内的压力再次逐渐增大后趋于平衡，此时增加的幅度较小，主要是因轨道巷上方老顶的结构没有发生改变，只是轨道巷周边围岩内部应力的一个重新分配的过程，这个过程对充填带的影响较小，充填带的横向变形较小。4 工程应用4.1 采区概况高庄矿西五采区布置为下山双翼采区，采用走向长壁

12、采煤法开采。采区设有三条下山，服务于3 上、3 下两层煤。3 上煤层原采用综采放顶煤，现采用大采高开采；3 下煤层采用综采。3 上煤层结构简单，煤层稳定，煤厚最小3.75 m，最大6.2m，平均5.2 m，煤层倾角13°21°，平均17°，煤层容重1.35 t/m3。采区开采顺序从上向下进行，区段上巷为轨道巷，下巷为胶带机运输巷，区段间原留设3 m 煤柱，区段巷道支护均采用锚网梯索支护。4.2 方案实施过程（1）实施地点和长度的确定根据高庄矿目前采场情况，实施地点是3 上507 工作面运输巷，在停采线以里的地段进行。（2）充填带结构及规格充填带为支模浇灌矸石渣混凝

13、土，沿3 上507工作面运输巷下帮布置，使用MT-3 胶结料、粉煤灰、矸石渣配制的标号为CL20 混凝土浇灌而成。充填带规格：根据试验允许的时间、3 上509面轨道巷断面尺寸、布置位置和充填带置换煤柱后，充填带对巷道围岩的矿山压力影响，要有可靠的抗压性、稳定性外，还要确保区段间不窜风，确定充填带规格：高以3 上507 运输巷底板为界，下到煤层底板岩石，上到运输巷顶板，高4000mm，宽1600 mm，预留约1100 mm 厚顶煤，充填带与顶煤间留有100 mm 间隙。如图9 所示。（3）充填带扩刷充填带扩刷采用打眼爆破法施工。从3 上507工作面停采线开始，沿运输巷由外向里逐段进行，其断面在运

14、输巷已掘设计断面的基础上，按充填带规格向下帮扩刷。扩刷支护采用锚网梯索柱支护，巷道扩刷后，顶板打锚网梯索，扩刷帮采用竹锚杆，支护参数与运输巷一致，支柱设在充填带的外侧，间距1m，随扩刷随打，充填带的扩刷断面参数见图9 所示。（4）充填带充填施工充填带扩刷后，充填带从下向上逐段的施工。充填带施工时，首先充填3 上507 运输巷底板以下的卧底部分，再沿设计的充填带的外侧支设模板，充填底板以上的部分，充填带现场施工效果如图10 所示。（5）施工设备振动棒3 个、HBT-80 型混凝土输送泵一台、配套0.5 m3 料斗提升机的50 型搅拌机一台、长×宽为300 mm×1200 mm

15、 的模板60 m2 以上、混合料袋200 个、吊料绞车一部（慢速）、千不拉4个、除尘风机一个、6 寸管子180 m。4.3 实施效果高庄煤矿预置充填带无煤柱开采，在3 上507面运输巷完成了矸石渣混凝土充填带施工，目前该工作面已回采结束。从3 上509 工作面轨道巷掘进到充填带的观察情况看，充填带除了在充填带上部向下约在13 m 左右的地方从巷道顶板到底板出现一道微小的裂缝外，其余部分完好，完全满足工作面开采要求，如图11 所示。4.4 经济效益分析按目前直接材料合同价，普通水泥到矿价为210 元/t、矸石渣及粉煤灰料每袋46 元，装矸石渣及粉煤灰袋子45 元/个，能循环使用15 次，每次平均

16、3 元，计算得1 m3 矸石渣混凝土直接材料费为140 元。地面卸装车和下井运输费25 元/m3，设备费15 元/m3，充填带施工费30 元/m3，充填带扩刷费300 元/m3，则单位体积的其它费用为370 元。则矸石充填费用为140 元+370 元=510 元/m3。每米充填带置换原煤15.81t，按目前原煤开采成本120 元/t、销售价500 元计算，每米充填带置换出的原煤取得的经济效益为：（500-120）×15.815.76×140（下井运输费设备费充填带施工费充填带扩刷费）×5.76=5201.4（251530300）×5.76=3070 元，如果巷道长度为1000m，可获经济效益307 万元。5 结论（1）为实现工作面间无煤柱开采，以井下矸石为骨料，创造性地提出了预置矸石充填带置换区段煤柱沿空掘巷新技术。工程应用效果表明技术是可行的，为矿井实现无煤柱开采提供了新的技术途径。（2）采用非线性数值分析软件FLAC2D5.0对充填带稳定性进行了系统分析。根据9 个方案计算结果，综合考虑围岩塑性区分布特点、轨道巷变形规律、充填带内应力与其横向变形规律以及充填带强度与其变形的关系，确定现场充填带强度等级为CL20；充填带宽度为1600 mm，高度为4000 mm，预留约1100 mm 厚顶煤，充填