房柱式采空区充填复采技术研究

房柱式采空区充填复采技术研究摘要：针对房采破坏区影响现阶段工作面开采的问题，提出房柱式采空区充填复采技术体系。该技术体系包括房柱式采空区精准探测、煤基固废充填材料及充填工艺、“煤柱-充填体”综采复采。通过物探-单孔扫描-多孔追踪方法对房采区空间和范围精准探测；用矸石、粉煤灰等煤基固废材料配制的膏体材料充填房柱式采空区；在“煤柱-充填体”中布置综采工作面，将煤柱和充填体统一回收，再将充填体与煤分离，提出设备配套及煤壁片帮防控、工作面布置和巷道支护等解决方案。长期以来，房柱式悬顶采空区大面积垮塌频繁，引发各类安全事故。由于留设矿(煤)柱尺寸较窄，在长期覆岩载荷作用下，矿(煤)柱强度逐渐弱化，易失稳破坏，引发采空区顶板大面积冒落，从而引起剧烈冲击、飓风以及地表塌陷，对井下安全生产和地面建筑物及人员安全带来严重威胁。煤层受到采动影响，煤体及周围岩体原有应力条件改变，形成大量采空区及裂隙，残存的煤炭可能污染地下水，且与大气和采空区沟通，煤层自燃频发，产生的有毒有害气体通过裂隙排复杂难采的老采空破坏区开采环境特殊，很难保障开采安全和煤炭资源开发效率，王开¹等针对复采工作面过冒顶区时易发生顶板动力灾害的问题，对复采工作面过冒顶区时顶板破断特征、支承压力分布特征以及支架受力状态进行研究，建立了复采采场力学模型，推导出液压支架支护强度的计算公式，提出复采工作面过冒顶区时的围岩控制技术，为复采采场顶板控制提供理论依据；白永利I²通过反射地震、瞬变电磁技术分析空区、空巷的富水性及富水空区与空巷的发育范围，查明小煤窑偷采形成的破坏区范围及其富水性；赵春雷3等研究并设计煤矿探巷机器人，结合防爆技术和机器人技术，解决了煤矿井下老巷及房采区探查面临的安全问题；邵春瑞141等针对整合矿井残煤复采综放工作面过密集空巷群问题，确定了全空间高水充填材料的合理强度，验证充填材料设计强度的合理性和全空间高水充填技术的有效性。本文提出房柱式采空区充填复采技术，采用充填和综采结合的方式，将房柱式采空区煤柱进行高效、安全回收，对房柱式采空区精准探测、煤基固废充填材料及充填工艺以及“煤柱-充填体”综采复采技术进行研究，为解决该类问题提供途径，实现矿井绿色开采和煤炭资源回收利用。1房柱式采空区充填复采技术体系随着充填开采技术发展，针对房柱式采空区相互连通、顶板由煤柱支撑的特点及煤炭资源回收的目标，提出充填复采方案，如图1所示。先采用流动性较强的膏体充填材料将房柱式采空区充满充实，待凝固后与煤柱共同支撑顶板，之后掘进顺槽和切眼，布置长壁工作面，采用综合机械化采煤技术将煤柱和充填体统一回收，将充填体与煤分离。该技术关键点在于采空区的精准探明、充填工艺选择、复采区的布置和巷道支房柱式遗留煤柱膏体充填体图1房柱式采空区充填后综采复采示意图2房柱式采空区精准探测由于历史原因，很多房柱式采空区缺少可靠的采态、悬顶塌陷和积水深度等不明确，对邻近和下覆煤炭开采造成安全隐患，且对残煤复采经济价值及安全造房柱式采空区精准探查分为以下步骤：首先根据悬顶采空区赋存条件，分析并选用合理的地面物探探测方法圈定采空区范围与面积，为确定首个地面钻孔通过高精度孔中三维激光扫描或声呐探测技术，实现悬顶采空区三维空间重塑，指导下个钻孔准确定位以揭露采空区。通过物探-单孔扫描-多孔追踪的循环，实现煤矿房柱式采空区精准勘查。2.1物探划定采空区范围从地面探测采空区的物探方法通常有电磁类方法和地震类方法，电磁类方法主要有高密度电法、电剖面2.2单孔扫描选配最优路径首钻位置优选房柱式采空区内埋深较大的区域，后续逐级连续追踪钻孔最优路径选配方法在首钻扫描探测的基础上遵循“由深至浅，由近及远，由已知到未单孔扫描最大“视距”处(即扫描范围极限位置)在空区中轴位置布设第二批次钻孔，若触及房柱式采空区范围边界，可根据采空区内部结构转至其他未扫描方向继续逐级追踪扫描，直至目标探测范围均已覆盖，获得全区扫描数据。通过追踪布孔、依次推进的勘查技术布孔量和探测量，实现对房柱式采空区的边界、开采参2.3多孔追踪构建三维可视化模型通过单孔扫描获得房柱式悬顶采空区单孔扫描范围内垂向和横向多方位面端数据，通过面端数据二次处理后，对获得不同方位垂向面端和不同深度水平面端数据进行拼接，初步获得三维空间的立体数据信息点云系统架构，对点云数据进行模型拟合，获得全息点云数据信息，将全息点云数据信息导入可视化三维建模系统，实现单孔扫描立体空间三维可视化。随后根据追踪钻孔的最优路径选配方法，通过连续追踪布孔、依次推进的勘查技术思路，沿首钻探测到的采空区延伸方向，依次布设后续批次钻孔，并将各钻孔扫描探测结果进行三维可视化模型构建，而后将所有钻孔三维激光声呐扫描成果梳理拼接，形成探查范围整体的房柱式悬顶采空区多孔协同三维可视化模型，实现对房柱式采空区边界、开采参数、顶板及围岩3煤基固废充填材料及充填工艺在探明采空区基础上，布置充填钻孔，用矸石-粉煤灰煤基固废材料充填采空区及裂隙，实现煤层结构3.1充填材料充填材料采用膏体形式，凝固前流动扩散范围可达50～80m,凝固后单轴抗压强度达2MPa以上。原材料宜就地取材且价格低廉，骨料一般选用研石、粉煤灰等煤基固废，胶凝材料选用水泥。充填浆液配比设计需综合考虑结石体强度、流动性和泌水率。结石体强度与水泥用量相关；为提高充满率，应在提高浆液流动性的情况下尽量降低材料泌水率；浆液扩散范围除了与自身流动性有关，还与充填压力有关，在控制浆液泌水率、提高浓度的情况下，可通过提高充填压力扩大浆液流动扩散范围。注浆原材料质量要求见表1。水煤灰(GB/T1596-2017)”根据充填技术要求，综合确定注浆材料性能指标为：结石体强度≥2.0MPa;流动扩散半径≥50m;泌水率<3%。基本配合比为水：矸石：粉煤灰：水泥=2:6:1:1,水固比为1:4,水泥占固相的12.5%,质量浓度80%左右，矸石破碎粒径≤10mm。每个地区粉煤灰、水泥物化性能有所差异，工程实施前应根据选材进3.2充填工艺结合井上下施工条件和房采区充填技术要求，确定充填工艺。一般可采用地面钻孔充填、井下充填和开挖回填等方法。井下充填方式存在的主要问题是：料浆扩散范围有限，为了实现采空区全面积充填，需通过施工定向钻或边充边进采空区作业的方式，存在较大安全隐患；开挖回填方式存在的主要问题是：采空区埋深一般在100m以上，开挖工程量过大，不适宜直接开挖回填。地面钻孔充填安全性和作业环境好，全范围充填效果有保障，故应选择地面钻孔充填方式。地面钻孔充填是在地面施工钻孔，通过充填泵、充填管，将水泥、粉煤灰、骨料等按一定比例制备成浆液注入采空区及上覆岩体裂隙，固化后的浆液充填采空区及裂隙，结石体与采空区煤柱共同对上覆岩层形成支撑作用，如图2所示。4“煤柱-充填体”综采复采技术4.1.1煤柱一充填体”综采设备选型配套“煤柱-充填体”结构的煤体特点为物理力学性质不连续，煤柱应力集中，充填体应力降低，对综采设备有特殊要求，需要选择可以顺利截割两种硬度介质的采煤机，应选择能适应顶板应力不连续分布特点以及不易因应力集中导致架前片帮冒顶的支架。采用大采高综采时，“煤柱-充填体”在工作面揭露过程中，由于充填体相对强度较低，受采煤机截割扰动影响，充填体截割面形成的煤壁稳定性较差，充填不实或效果不好，稳定性下降。失去下位煤壁支撑后，充填体顶板易漏冒，对工作面顶板管理造成威胁。应采用支架多级强效护帮、区域支护强度调节、架间注浆加固、采煤工艺优化等煤壁片帮综合防控技术，如图3危险区措施图3工作面过充填区域煤壁片帮防控技术复采区往往表现为不规则形，边缘不齐整，工作面布置受复采区分布情况影响较大，大多数工作面不能受“煤柱-充填体”结构影响，矿压显现不同于一般长壁工作面；区内围岩稳定性差，顶板应力分布受煤柱体运等设备性能影响尚不确定。主要采取以下措施：工作面布置前查明复采区积水、积气情况；合理选择支护方式、支护参数；根据块段尺寸，合理选择工作面布置方式和采煤工艺，特殊情况下，工作面采取刀把、旋转布置等方式；为提高资源回收率，工作面可采用无煤柱房柱式采空区由于开采时间较长，顶板及煤柱浅部比较破碎，裂隙发育，煤柱中部应力集中，充填体强度较低，在充填后的房柱式采空区中掘进巷道，支护难度加大。针对此类巷道，可采用超前注浆及高预应力锚杆支护技术解决支护难题。围岩注浆加固是利用浆液充填围岩内的裂隙，将善力学性能，从而增加围岩承载能力，保持围岩稳定。目前，国内外用于岩体加固的材料有两大类型：一类是水泥-水玻璃材料；另一类是高分子材料，如用比较广泛。注浆加固一般适用比较破碎的围岩条件，并且与其他支护方法联合使用，用于局部地段高预应力锚杆支护通过锚杆的高预紧力主动施加支护阻力，限制围岩变形和破坏；同时，高预应力锚杆支护又允许围岩变形，在同步变形中不断加大支护阻力。其次，高预应力锚杆支护具备较高的强度和刚度。采用高强度螺纹钢锚杆、大锚深高破断力钢绞线锚索、高强度高可靠性树脂锚固剂，对围岩支护强度及支护范围都大大增加，可以实现高预紧力、早期承载，对围岩控制能力强，抗破坏能力强，可减少和避免巷道变形破坏。再次，高预应力锚杆支护形成统一完整的体系。锚杆、锚索与配套的钢带、金属网等支护构件组合成一巷道受