顶板极限跨距在神州煤业充填开采的运用_刘水华.pdf

452023 年第 2 期刘水华：顶板极限跨距在神州煤业充填开采的运用刘水华：顶板极限跨距在神州煤业充填开采的运用顶板极限跨距在神州煤业充填开采的运用刘水华（太原煤炭气化（集团）有限责任公司，山西 太原 030000）摘 要 神州煤业 4604（1）工作面为充填试采面，若充填步距过小，影响回采推进速度，若充填步距过大，直接顶控制不到位，进而破坏地表建筑物。通过运用顶板极限跨距理论计算确定充填步距。现场充填试验表明：充填后地表最大下沉值 98 mm，最大拉伸变形 0.22 mm/m，最大压缩变形 0.23 mm/m，最大倾斜变形 0.44 mm/m，均在 I 损坏变形范围以内，达到了预期效果。关键词 顶板；充填；步距；极限跨距 中图分类号 TD823.7 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.017Application of Roof Limit Span in Shenzhou Coal Industry Filling MiningLiu Shuihua(Taiyuan Coal Gasification(Group)Co.,Ltd.,Shanxi Taiyuan 030000)Abstract:The 4604(1)working face of Shenzhou Coal Industry is the filling trial mining face,if the filling step distance is too small,it will affect the mining advance speed;if the filling step distance is too large,the direct roof control is not in place,thus destroying the surface buildings.The filling step is determined by using the roof limit span theory.The field filling test shows that the surface maximum subsidence value is 98 mm,the maximum tensile deformation is 0.22 mm/m,the maximum compression deformation is 0.23 mm/m and the maximum inclination deformation is 0.44 mm/m.All of them are within the range of I damage and deformation,and the expected results are achieved.Key words:roof;filling;step distance;limit span收稿日期 2022-08-01作者简介 刘水华（1986），男，山西长治人，2014 年毕业于中国石油大学（华东）采矿工程专业，本科，工程师，研究方向：采掘技术管理。刘水华：顶板极限跨距在神州煤业充填开采的运用刘水华：顶板极限跨距在神州煤业充填开采的运用神州煤业 4604（1）工作面地表为垃圾场保护煤柱，故拟利用充填开采工艺对压覆资源进行开采。常用的充填开采工艺是在采煤固定刀完成后在支架后方采空区进行挂袋充填，充填体凝固后继续“采煤-充填-采煤”的循环方式，防止顶板下沉。其中，充填步距越小，工作面充采循环越多，生产效率越低；但充填步距过大，直接顶难以有效控制，进而破坏地表建筑物，造成充填失败。本文以神州煤业4604（1）工作面地质条件为对象，通过运用顶板极限跨距理论计算1-4，得出较为合理的充填步距。1 工程概况神州煤业六采区4604（1）工作面开采4号煤层，地表有吕梁市生活垃圾处理场和崔家崖村，需要对以上建（构）筑物压覆区域煤炭资源采用充填技术进行开采，4604（1）工作面作为充填试采面。图 1 4604（1）工作面与垃圾场位置关系图4604（1）工作面如图 1。工作面斜长 2.4 km，部分于垃圾场保护煤柱范围内，煤厚 1.5 m，倾角05。伪顶、直接顶、基本顶为碳质泥岩、粉砂岩、砂质泥岩，直接底为细砂岩。岩层物理力学性质如表 1。462023 年第 2 期表 1 14604（1）工作面顶板力学性质表编号类型岩性厚度/m抗拉强度/MPa弹性模量/GPa容重/（N/m3）1/砂质泥岩7.251.23.823 5002/3#煤0.61.11.113 6003基本顶砂质泥岩5.91.23.823 5004直接顶 粉砂岩0.64.417.625 8705伪顶碳质泥岩0.21.11.221 0006/4#煤1.51.11.113 6007直接底 细砂岩2.352.91224 7202 顶板极限跨距与充填效果的关系传统开采往往伴随采后顶板自然垮落，直接顶下部自由空间远远大于顶板岩层的极限挠度，导致本层发生断裂，进一步加大上覆岩层下沉的自由空间，产生连锁反应，直至传递至地表，致使地表产生下沉，影响地面建筑物或构筑物。相对于传统开采，充填开采大大减小了直接顶的自由下落范围。其最主要的控制因素为顶板极限跨距，在充填步距小于顶板极限跨距时，直接顶即使弯曲下沉，但仍在极限挠度之内，则不会发生断裂，原有的自身强度尚在，对上覆岩层的支撑力基本不变；若充填步距大于顶板极限跨距，因充填浆液不能立即凝固，在上部直接顶的流变作用下，内部产生一定程度断裂，强度降低，对上覆岩层的支撑力减弱，亦产生较大的下沉空间，达不到充填的实质意义。故充填步距应与顶板极限跨距相结合，确定合理的充填步距参数，对控制地表沉陷至关重要。3 顶板载荷分析根据关键层理论，上覆岩层中存在对采场覆岩局部或直至地表的全部岩层活动起控制作用的岩层，认为在关键层变形过程中，其所控制上覆岩层随之同步变形而下部岩层不与之协调变形。根据材料力学中挠曲轴近似微分方程，利用组合梁中剪力和弯矩由各岩层小截面负担，得出第 n 层岩层对第m 层岩层载荷的计算公式如下：n3mm1m/nn31=iiiiiiE hhqE h=（1）式中：qm/n为第 n 层对第 m 载荷，kPa；Ei、Em为第 i、m 层弹性模量，MPa；hi、hm为第 i、m 层厚度，m；i为第 i 层岩石容重，kN/m3。根据式（1）对直接顶（4）以及基本顶（3）的载荷进行计算，得出 4#煤直接顶载荷为 15.5 kPa，基本顶载荷为 146.8 kPa。4 顶板极限跨距分析计算在采煤固定刀后，上部顶板小于一定距离时，不会发生垮落，这时将顶板看做是一端为工作面煤壁，另一端为工作面后方煤壁或凝固充填体的固之支梁结构，建立岩梁力学模型，如图 2。图 2 岩梁力学模型图运用材料力学，固支梁两端的剪切力最大，为ql/2，其弯矩为 ql2/12，因剪切应力形成的极限步距大于弯矩形成的极限步距，故用弯矩进行极限跨距的计算，梁破坏时的拉应力 最大，即达到最大拉应力时，梁破坏。结合梁内任意一点 为 M/I 以及梁的断面距 I 为 h3/12，并赋予一定的安全系数 n（一般取值 6），得出：2Lhqn=（2）结合表 1 数据，计算出直接顶（4）以及基本顶（5）的极限跨距分别为 5.8 m、9.7 m。取较小值，则最大空顶距为 5.8 m。5 工程实践结合地质条件的复杂性，神州煤业 4604（1）工作面试验小步距充填，充填步距确定为 2.4 m，即割 4 刀煤后停机，充填区域均匀布置 3 个充填袋，每 30 m 布置一个充填袋，充填袋规格 30.5 m1.7 m2.6 m。生产过程中遇见顶板破碎或有裂隙发育时，采取挂双层网并打设锚杆或锚索或缩小充填步距，加强保持直接顶的自身强度，加大直接顶的极限挠度，抑制流变性质，使该层对上覆岩层的支撑力不会减弱，给充填体争取凝固时间。沿首采面 4604（1）面走向布置 1 条半走向观测线（控制点 3 个，观测点 30 个），沿 4603（2）工作面走向布置 1 条全走向观测线（控制点 3 个，测点 46 个），同时为重点监测垃圾场沉降和变形，布置 3 条局部观测线（测点 28 个）；在垃圾场内472023 年第 2 期刘水华：顶板极限跨距在神州煤业充填开采的运用刘水华：顶板极限跨距在神州煤业充填开采的运用布置 1 条半倾向观测线（控制点 3 个，测点 35 个）。共计控制点 9 个，测点 139 个。本工作面自 2020 年 7 月底开始回采，至 2021年 6 月底回采结束，综合测点历史数据，形成表 2。表 2 测点历史数据统计表项 目数 值下沉值/mm98水平变形东西拉伸0.09东西压缩-0.21南北拉伸0.22南北压缩-0.23倾斜变形东西向正0.6东西向负-0.33南北向正0.02南北向负-0.44由表 2 可知，垃圾场范围内地表最大下沉值为98 mm，最大拉伸变形为 0.22 mm/m，最大压缩变形为 0.23 mm/m，最大倾斜变形为 0.44 mm/m，均在 I 损坏变形范围以内，属于极轻微损坏，对垃圾场建筑物的影响较小。6 结语（1）顶板极限跨距是影响充填效果的重要因素，即在充填极限跨距之内充填顶板不会发生断裂，对上覆岩层的支撑力基本不变；若在极限跨距之外充填，因上部直接顶的流变特性，内部产生一定程度断裂，强度降低，对上覆岩层的支撑力减弱，达不到充填的实质意义。（2）结合关键层理论，材料力学理论分析4604（1）充填试验工作面顶板极限跨距，并运用到生产中。（3）在 4604（1）面地表、垃圾场等地点布置测点，并进行观测，得到的数据均在 I 损坏变形范围以内，属于极轻微损坏，对垃圾场建筑物的影响较小。【参考文献】1 郭庆瑞.浅析煤矿充填开采技术与发展趋势 J.内蒙古煤炭经济，2020（20）：177-178.2 刘振伟.煤矿充填开采覆岩移动规律及地表沉降控制研究 D.邯郸：河北工程大学，2013.3 刘鸿文.材料力学 M.北京：高等教育出版社，2005.4 钱鸣高.矿山压力与岩层控制 M.徐州：中国矿业大学出版社，2003.狗洞，保证井壁的强度。3 应用效果变径施工在赵固一矿西翼进风井的应用效果较为理想，在地层变换频繁、土层固结钙化严重、砾岩层多且厚等综合影响下，井壁未出现明显的开裂现象，外壁成型较好，表面较为光滑，井帮暴露时间不超过 18 h，井帮未出现大面积片帮，保证整体施工质量。变径施工为整个工程项目实现连续 2 个月外壁施工超百米、提前 10 d 完成了冻结段外壁施工、提前 11 d 完成套壁施工提供了保障。4 结语（1）冻结段的变径施工由变荒径、钢筋，变模板，变刃角三个段高施工完成，变径前准备预留的“”型特制钢筋，绑扎环筋，变径后混凝土从（上接第 44 页）模板四个方向对称均匀浇注，震捣充分、均匀。（2）变径施工在赵固一矿西翼进风井冻结段的应用，可达到设计要求，满足施工要求。【参考文献】1 王成博，杨海若，张海骄.立井井筒表土段变径施工问题与对策 C/2016 年全国矿山建设学术会议专刊（上）,2016：50-53.2 韩亮，潘广宜.立井井筒深厚表土层冻结段外壁大断面变径掘砌施工技术分析 J.科技传播，2013，5（23）：176-177+183.3 臧桂茂，刁望印.立井可变径模板 J.煤炭科学技术，1995（03）：26-28+64.4 张道海，曾鹏，张岩.立井深厚冲积层冻结段外层井壁变径施工技术 J.建井技术，2019，40（04）：18-21+25.5 徐建方.平禹九矿变径钢模板的研制及应用 J.中州煤炭，2011（10）：33-34+37.