高速公路下厚煤层条带充填开采技术研究

马 璐

高速公路下厚煤层条带充填开采技术研究

马 璐

(山西兰花科创玉溪煤矿有限责任公司，山西 晋城市 048200)

为了保证玉溪煤矿矿井正常生产和接续，结合高速公路压煤情况，借鉴以往“三下”采煤案例，充分汲取“连采连充”工艺的施工经验，根据库伦−纳维尔破坏准则，计算出了条带先期开采宽度和留宽，利用跳跃式开采顺序，在煤层顶板周期来压前及时充填和注浆凝固，有效控制了煤层顶板上覆岩层变形和破坏，从而减低了开采区域地表路基和附近建筑物的变形下沉量，大幅提高高速公路下压煤采出率，缓解接续紧张的现状，延长矿井服务年限近8 a，取得了显著的社会和经济效益。

“三下”开采;条带充填;厚煤层开采;连采连充

高速公路下压煤直接影响到矿井正常部署，造成矿井生产接续紧张，可采储量和服务年限大幅缩减，资源大量浪费。兰花科创玉溪煤矿位于山西省沁水县胡底乡境内，2009年开工建设，设计生产能力240万t/a，矿井原服务年限50.7 a，原设计可采储量142.29 Mt。2011年山西省规划的高速公路网“三纵十二横十二环”中第十一横，高沁高速公路自东向西横穿玉溪井田全境。玉溪煤矿所处的沁水煤田3号无烟煤属于国宝级稀缺煤种，为了提高稀缺煤种的可采率，避免优质资源浪费，保证矿井的正常生产和接续，对高速公路下压煤开采研究尤为重要。

采用条带充填式开采既能有效减少地表变形，又能解决矸石山治理的环境难题，同时可以明显提高高速公路下压煤采出率，属真正意义上的煤炭绿色开采。

1 工程概况

兰花科创玉溪煤矿地面标高约+759.1～+1223.1 m，区内地形总体为东高西低，高沁高速自东向西穿越井田全境长约5.3 km，面积4.2 km2；压覆煤炭资源储量约18.11 Mt，造成矿井服务年限缩短近8 a。井田内3号煤层结构简单，赋存稳定，埋深450～880 m，煤层厚度5.12～7.20 m，平均5.85 m。煤层顶板以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩为主，局部有细粒砂岩。底板均为泥岩，顶底板岩性特征见表1。

玉溪煤矿采用条带矸石充填采煤法，经反复测算、试验，初步确定采宽50 m，留宽50 m；待矸石充填已采区域并注浆加固稳定后，再将留宽50 m煤柱采出，然后用矸石充填采出区域并注浆加固，最终实现矸石置换煤炭，从而防止地表塌陷和 变形。

表1 3#煤层顶底板岩性

2 条带充填设计方案

高速公路下压煤，选用条带充填开采，首先要保证已采区充填前，上覆岩层的变形率在允许范围内且不会波及地表，因此条带充填开采所确定的采宽、留宽等技术参数十分重要。

2.1 条带采宽、留宽计算

2.1.1 根据条带式采煤经验，采宽小于采深的1/3时，地表不会出现明显波浪状下沉。一般取＝(0.1～0.25)。高沁高速压覆玉溪井田区域平均采深450 m，根据上式计算采宽的合理尺寸为45～110 m。具体实施采宽尺寸，还要考虑来压步距和极限采宽。

（1）来压步距：玉溪煤矿高速公路压覆区域3#煤层顶板初次来压步距为68.5 m，周期来压步距为34 m。按照顶板管理经验，条带采煤采宽一般情况下，应小于初次来压和周期来压步距之和，即102.5 m。

（2）极限采宽：“三下”条带式采煤，合理确定条带宽度，可有效防止煤层顶板覆岩中的关键岩层不破断，从而控制地表沉陷和变形。将位于煤层顶板上方1处的地表移动控制层看作一个弹性梁，设岩梁的极限跨距为。岩体破裂范围与水平线之间具有一定夹角，当采宽为时，岩梁实际跨距为1：

式中，为采宽；1为地表移动控制层距煤层顶板的高度；为控制层覆岩破裂范围角。

当1＜时，岩梁控制层不断裂，地表变形量小，因此条带开采的极限采宽为：

根据玉溪煤矿高速公路压覆区域附近的钻孔窥视柱状图，在3#煤层顶板上方2.4 m处为5.3 m厚的中砂岩，按照钱鸣高院士的关键层理论，经计算确定该层中砂岩为关键层，控制着自身及上覆岩层的变形和移动。该区域关键层弹性岩梁的极限跨距为68.5 m。根据库伦−纳维尔破坏准则，岩体剪切破坏面与水平面夹角为：

经计算，极限采宽＝71 m。

玉溪煤矿高速公路压覆区域平均采深450 m，参考村庄压煤开采经验，条带采宽取50 m。

2.1.2 留宽确定

高速公路压覆区域3#煤层平均厚5.85 m，直接顶为2.4 m的泥岩，基本顶为5.3 m的中砂岩。条带开采留宽应从宽高比、宽煤柱和三向应力状态等3个方面确定。

（1）宽高比：

（2）宽煤柱：

（3）三向应力状态分析：

式中，为3#煤层厚，取5.85 m；为3#煤层埋深，取450 m；为条带采宽，取50 m。

根据以上公式计算，经综合分析，决定条带开采留宽取50 m。

2.2 充填工艺设计

将高速公路压覆区域拆分为开切眼净长为50 m的若干个区段，分别编号为1，2，3，4等区块，开采顺序依次为1，3，2，4。条带开采模块见图1。

图1 条带开采模块示意

（1）采用传统的短壁式综采工艺首先开采第1区段。当综采工作面推过后，及时在采场后方铺设注浆管，煤层顶板周期来压前，通过布置在工作面胶带顺槽中的抛矸机，向采空区抛矸直至充满为止，然后启动注浆工艺至矸石堆积区域凝结具备承压载荷能力。矸石充填见图2。

（2）待第1区块开采、矸石充填和注浆完毕后，第3区块作为接续工作面进行回采，暂留第2区块作为保安煤柱支撑煤层顶板上覆岩层受力重新分布。

图2 矸石充填示意

（3）待1，3区块矸石充填和注浆工艺全部完成，上覆岩层受力分布稳定后，开采第2区块。以此类推，将高速公路压煤区域煤炭全部采出为止。

3 地表移动实测

为了检验本次高速公路下条带充填开采设计的合理性，确保路面行车安全，试验选取先期回采的第1 区块所对应地表建筑（高速公路临近建筑）变形情况进行实测。第1区块先期回采充填长200 m，正好处于高速公路邻侧高层建筑下方。按照沁水地区岩层破裂角和煤层埋深估算，地表影响范围=258 m，根据影响范围均匀布置15个观测点（耗时6个月）。其地表变形结果见表2。

表2 高速公路附近地表变形实测结果

根据表2数据分析，高速公路附近监测点地表下沉量及其它参数均在允许范围内，第1区块先期回采充填段基本没有对路面基层和附近建筑造成损坏。

4 经济效益分析

对高速公路下压煤采用条带充填开采，取得较好的地表变形控制效果，地面路基和附近建筑均未损坏，同时大幅提高“三下”采煤采出率，特别是稀缺煤种，延长了矿井服务年限，为煤矿取得较好的经济效益。通过高速公路压煤条带充填开采的成功应用，将逐步延伸至村庄压煤和铁路压煤开采，进一步提高稀缺煤种的采出率，缓解工作面接续紧张的现状。

成本方面：排除充填和注浆工艺成本，按照目前无烟煤种的市场价格，每个区段将直接产出近1亿元的经济效益。

5 结 论

（1）高速公路下压煤区域的安全高效绿色开采，必须保证路基和附近建筑物等下沉量在允许变形范围内，按照沁水地区的岩层特性，方案中条带宽度和先期保留宽度均为50 m，通过6个月的监测点实测数据显示，地表变形在允许范围内，未对高速公路路基和附近建筑造成损坏。

（2）本次条带充填开采采取跳跃式回采（即1，3，2，4顺序开采），对周围缓采工作面未造成明显的采动影响，充填注浆工艺在煤层顶板周期来压前全部完成，减缓了应力重新分布范围，使岩层变形下沉量在控制范围内，取得了明显的社会和经济效益。

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(2019-03-20)

马 璐(1988—)，男，山西长冶人，本科，工程师，主要从事煤矿安全生产技术工作，Email:352212575@ qq.com。