多断层复杂地质条件下条带充填开采工艺研究

高 鹏，杜超杰，石 腾，邵小平，赵兵朝，李龙清，段明岸

(1.陕西涌鑫矿业有限责任公司 沙梁煤矿，陕西 府谷 719300；2.西安科技大学，陕西 西安 710054)

煤矿开采区域赋存众多断层发育的复杂地质构造时，将导致煤层被切割成诸多面积大小不等的非连续区域、断层处应力分布异常、开采过程可能引起断层活化[1-4]及诱发冲击地压[5-7]等现象，从而对矿井的开采布局、采煤方法选择、工作面巷道布置及开采工艺造成极大影响。针对复杂地质构造矿井的开采，王波等[8]提出工作面采前针对断层带超前工作面300～400 m与 30～50 m采取静、动压条件下分步耦合预注浆加固措施；翁明月等[9]指出，采用连采机短壁机械化开采技术可以实现复杂地质条件下破碎顶板边角煤和不规则块段的安全高效开采；张俊杰等[10]针对山西石碣峪煤矿多断层的复杂地质条件，指出采用连采机组短壁机械化开采技术，可实现连采工作面60万t/a的生产能力；赵庆民等[11]成功实施了复杂地质条件下旋采角度18°、旋转距离22.608 m的工业性试验；江小军[12]针对邢东煤矿的高地应力复杂地质构造，指出采用连采机开采工艺和充填技术，可实现煤炭资源的高效回收。因此，针对复杂地质条件矿井形成的小区域开采范围，采用短壁工作面配备连采机的开采方式是可行的。此外，学者们近年来也提出采用条带充填开采方法控制覆岩沉降和解决煤矿不规则小区域块段的开采。冯国瑞等[13]根据弹性地基理论构建了条带式结构充填力学模型，认为充填间距越小结构控制体系越稳定，直接顶可充分发挥自承载作用；郭文兵等[14]建立了边界煤柱、条带充填体和覆岩组合力学模型，确定了充填宽度和充填间隔；周华强等[15]分析了条带充填开采孤岛煤柱的覆岩活化机理；石斌等[16]分析了逐巷充填开采覆岩移动破坏规律；邵小平等[17]分析了基于合理煤柱留设尺寸的条带煤柱的长时效应，论证了条带煤柱前进式充填置换开采的可行性。

综上所述，针对本文研究的沙梁煤矿井田范围内断层十分发育，且延伸出众多规模不等的次级断裂构造的复杂地质条件，采用连采机掘采与充填相结合的条带充填开采技术具备可行性。鉴于条带充填开采技术在有效控制覆岩沉降[18]、优化矿井开采布局、提高煤层采出率、保护生态环境[19]等方面具有显著优势，同时该技术在沙梁煤矿周边的榆林市榆阳区上河、三台界、麻黄梁等多个煤矿已取得了成功实践，因此，针对沙梁煤矿开展条带充填开采技术研究非常必要。本文重点对沙梁煤矿条带充填开采参数、采充工艺、充填体接顶保障及档墙设计等开展深入研究，旨在为沙梁煤矿和类似复杂地质条件煤矿的充填开采提供理论指导，并为沙梁煤矿后期地表建(构)筑物下压煤开采提供借鉴。

1 矿井概况及开采布置

1.1 矿井概况

沙梁井田位于庙哈孤矿区西北部，行政区划隶属于榆林市府谷县庙沟门镇贺家梁行政村东窑沟自然村管辖，设计生产能力1.20 Mt/a，服务年限60.6 a。沙梁井田含煤地层沿走向、倾向的产状有一定变化，根据勘探报告和三维地震勘探结果，井田内当前共发现断层94条，其中落差大于20 m的断层有17条。沙梁煤矿主要断层分布如图1所示，井田构造形态整体为一向斜式断陷带，主要受到井田南北边缘二条较大的正断层(F1、F2)控制，其中F1断层位于井田北部边界，断层走向98°～123°，倾向188°～213°，一般倾角65°～70°，局部75°～80°，近直立，断层落差在70～140 m左右；F2位于井田中南部边界，断层走向98°～113°，倾向8°～23°，倾角60°～70°，断层落差在80～100 m左右。井田断陷带内发育规模不等的次级断裂构造，断陷带北部、南部为向西南缓倾斜的单斜构造形态。井田内共有2-2、3-1、4-2、5-1和5-2煤层共5层可采煤层，其中，2-2煤层均厚4.12 m、3-1煤层均厚0.92 m、4-2煤层均厚1.70 m、5-1煤层均厚1.34 m、5-2煤层均厚2.3 m。

图1 矿区断层与条带充填开采区域布置Fig.1 Layout of fault and strip filling mining areas in the mining area

1.2 开采布置

依据初步设计，沙梁井田划分为两个水平8个盘区，其中一水平划分为6个盘区。矿井开采过程揭露了众多次级断裂构造，导致井田东部规划开采的2-2煤层一盘区与3-1煤层二盘区、西部规划开采的2-2、3-1煤层的五盘区与4-2煤层六盘区受断层切割与煤层风化影响无法正常开采，因此，矿井将首采盘区布置在F2断层以南处于平缓区域的三盘区。沙梁煤矿一水平综采与条带充填开采区域布置如图1所示，矿井在三盘区布置了135201—135205共5个综采工作面，均已开采完毕；接续四盘区为大巷两翼盘区，受次级断裂构造影响，仅布置了144201—144203、1(4-1)4201—1(4-1)4205共8个正规综采面，造成四盘区正规开采区域大幅减少，4-2煤层采出率大幅降低，由此影响了矿井的正常达产与服务年限。通过对矿井一水平断层赋存产状与钻孔柱状的分析表明，一水平三盘区存在不规则开采区域，四盘区受断层切割形成了诸多正规工作面推进长度过短，或工作面形状不规则的区域，这些特殊区域采用条带充填开采方法具备开采可行性。基于合理规划布置，矿井一水平三盘区可布置条带充填开采工作面3个、四盘区可布置8个，估算11个工作面可采储量共计218万t，可有效保证矿井达产与延长矿井一水平服务年限。

2 条带充填开采参数及采充工艺

2.1 采带充填开采参数

2.1.1 条带充填开采工艺基准类型

条带充填开采方法自2016年以来在陕北榆阳区十余个浅埋煤层赋存矿井得到了成功实践，该方法是在基于“保水采煤”的条带开采方法基础上发展起来的，本质上是通过工作面窄条带的掘采，既发挥直接顶的自承载作用，保证直接顶的稳定性，又能将初期留设的条带煤柱合理置换采出，工作面采出率能达到85%以上。当前陕北煤矿现场应用的条带充填开采参数主要包括以下三种基准类型：①单倍基准类型，工作面条带煤柱初始留设宽度为条带采宽的单倍，第一轮采充完成后，再分奇数与偶数煤柱进行两轮采充，工作面实体煤经三轮采充完毕；②双倍基准类型，工作面条带煤柱初始留设宽度为条带采宽的2倍，工作面实体煤经三轮采充完毕；③三倍基准类型，工作面条带煤柱初始留设宽度为条带采宽的3倍，工作面实体煤经四轮采充完毕。

基于陕北榆阳区十余个浅埋煤层充填开采矿井的地层特征研究与开采实践表明[20]：当基岩与载荷层厚度之比的基载比JZ<0.8，且基岩厚度与采高之比的基采比JC<9时，由于基岩厚度较薄，覆岩中不易形成结构承载体，覆岩载荷将全部作用于充填体，工作面宜开展高强度充填体的全充填开采，适合采用三倍基准类型；当基载比1.515时，基岩厚度厚，覆岩中存在良好的结构承载体，可承担部分覆岩载荷，工作面宜开展高强度充填体的局部充填开采，适合采用单倍或双倍基准类型。

沙梁煤矿一水平三盘区边角煤和大巷煤柱估算可采储量33万t，可将已开采完毕的135204与135201工作面所夹实体煤区域作为条带充填开采试验面(C135206工作面)，该区域5-2煤层均厚2.3 m，基岩均厚35 m，松散层均厚25 m，平均埋深60 m，为典型的薄基岩浅埋煤层赋存状态。C135206异型充填开采工作面的巷道布置如图2所示。C135206工作面处于基载比JZ<0.8，基采比JC<9的范围，适合采用三倍基准类型的充填开采参数。

图2 C135206异型充填开采工作面巷道布置Fig.2 Layout of roadway in C135206 irregular filling mining face

2.1.2 条带采宽确定

沙梁煤矿C135206工作面直接顶为厚度4 m的粉砂岩，基本顶为厚度9.1 m的中粒砂岩。条带充填开采应保证工作面开采过程直接顶岩层的稳定性。当工作面直接顶厚度t小于裸露的直接顶岩板中面最小尺寸l=2b的1/8～1/5时，可采用弹性力学薄板理论分析直接顶的稳定性。前苏联的加列尔津院士认为，当岩板的厚度t与板的中面最小尺寸满足t/l≤1/5时，即可用薄板方式处理；而前苏联列宁格勒矿业学院科学家A.A.鲍里索夫教授研究认为，当岩板满足t/l≤1/3时，也可用薄板方式处理[21]。因此，将岩板作为薄板研究的范围可适当放宽。假定C135206工作面窄条带开采后裸露的直接顶岩层为一个空间态矩形薄板，薄板边长为2a×2b，其中，参数2a是一个定量，表示工作面长度；参数2b表示工作面推进长度，是一个变量。5-2煤层按近水平煤层考虑，则直接顶岩层的受力状态简化为仅承受垂向载荷的作用。假定直接顶岩板的材质是连续、各相同性且均匀的，则可用弹性薄板小挠度理论来分析薄板在荷载q作用下的应力与形变。直接顶薄板的边界条件按四周固支设置，建立C135206工作面直接顶板破断模型如图3所示。

图3 C135206工作面直接顶板破断模型Fig.3 Model of immediate roof fracture in C135206 working face

依据弹性薄板小挠度理论，得到直接顶薄板内沿y轴方向的应力为：

[(x2-a2)2(3y2-b2)+μ(y2-b2)2(3x2-a2)]

(1)

式中，σy为直接顶薄板内任一点沿y轴方向的应力，MPa；q为直接顶岩层承受的均布垂向荷载，MPa；t为薄板的厚度，m；μ为直接顶岩层的泊松比；a为工作面长度的一半，m；b为工作面推进距离的一半，m；x为薄板内沿x方向距薄板中心O的距离，m；y为薄板内沿y方向距薄板中心O的距离，m；z为薄板内距薄板中面的距离，m。

对于直接顶薄板上表面，在x=0，y=±b，z=-t/2处，即在工作面长边的中点处产生最大拉应力，沿y轴方向，其值为：

工作面窄条带开采过程中，直接顶薄板上支承端上表面长边的中点处最早出现拉裂裂隙，即在沿y轴方向上表面最大拉应力作用下，工作面长度方向的中部首先出现拉裂隙。工作面直接顶不发生破断的判据为直接顶的极限抗拉强度σLt满足判别式(2)，即：

σLt≤|σmax|

(3)

即满足表达式：

已知C135206工作面条带巷道最大长度为144 m，取a=72 m；直接顶厚度取t=4 m；直接顶所受载荷为其自重，取q=96 kPa。依据《沙梁煤矿生产地质报告》提供的煤岩物理力学参数，5-2煤层粉砂岩直接顶的极限抗拉强度均值为1.05 MPa。将各参数代入式(4)，求得b=8.2 m，则C135206工作面直接顶的极限跨距的理论计算值为2b=16.4 m。

考虑充填开采工作面四轮采充过程对直接顶的持续扰动，C135206工作面现场条带掘采过程，直接顶在每一轮条带掘采的极限跨距可结合沙梁煤矿周边矿井的充填开采实际，按极限跨距的1/2～3/5对理论计算值进行折减，则取C135206工作面直接顶现场开采时的极限跨距为8.2～9.84 m。

沙梁煤矿条带掘采时选用连采机，考虑到连采机的机身宽度为3.3 m，选取工作面条带采宽为两倍机身宽度，即取条带采宽为6.6 m，该采宽取值在直接顶8.2～9.84 m的极限跨距范围内。按沙梁煤矿充填开采选取的三倍基准参数，C135206工作面采用“采6.6 m留19.8 m”的条带充填开采参数是适宜的。

2.2 采充工艺

C135206工作面采用三倍基准类型的四轮循环采充工艺。工作面内平行于切眼每26.4 m划分为一组，每组分四轮开采并充填。采充顺序包括顺序采充和间隔采充两种方式，已有的充填开采现场实际表明，顺序采充更有利于条带煤柱的稳定性。C135206工作面四轮顺序采充开采工艺如图4所示，采充顺序依次为开采/充填每组A号条带/采空区→开采/充填每组B号条带/采空区→开采/充填每组C号条带/采空区→开采/充填最后一组D号条带/采空区。

图4 C135206工作面四轮顺序采充工艺Fig.4 Four round sequential mining and filling process for C135206 working face

1)第一轮开采/充填。基于四轮循环采充工艺，第一轮开采宽度为6.6 m的条带巷道，留设宽度为条带采宽3倍的19.8 m的煤柱。连采机由C135206工作面主运巷向辅运巷侧掘进标号为A的绿色条带，并开展条带巷道顶板支护。条带巷道掘采完毕后，在巷道顶部布置导气管与注浆管，在条带巷道两侧布置挡墙，以满足充填体接顶与工作面通风的需求。工作面采用后退式连采连充方式完成第一轮A组条带的开采/充填。

2)第二轮开采/充填。将C135206工作面第一轮采充完成后遗留的19.8 m煤柱等分为三部分，第二轮顺序开采紧邻A号条带的边部煤柱，即图4中标号为B的红色条带，同时开展条带巷道顶板支护。单个条带巷道掘采完成后实施顶部管道布设和条带巷道端部挡墙布置，工作面采用连采连充方式完成第二轮B组条带的开采/充填。

3)第三至第四轮开采/充填。第三轮开采紧邻B号条带的标号为C的黑色条带，第四轮开采紧邻C号条带的标号为D的黄色条带，开采过程同步进行条带巷道顶板支护。考虑到多轮采充过程中顶板将受到多次重复采动的影响，第三至第四轮在条带巷道顶板采用锚索加强支护。第三至第四轮单个条带掘采完成后实施顶部管道布设和条带巷道端部挡墙布置，工作面采用连采连充方式分别完成C组和D组条带的开采/充填。

3 条带充填开采接顶工艺

C135206工作面开采的5-2煤层为浅埋煤层薄基岩赋存状态，应保证工作面条带巷道充填体接顶充分。以C135206工作面条带巷道最大长度144 m为例，分别在条带巷道顶部近回风巷侧(距巷口30～40 m)、中部及近运输巷侧(距巷口30～40 m)寻找三处高点，作为导气管由条带巷道回风巷侧引入的终端位置。若条带巷道顶部平整，难以寻找到合适的高点，则在条带巷道顶部近回风巷侧、中部及近运输巷侧分别开掘深度20 mm的三角形槽口，并将导气管端口引至槽内。导气管一般选用直径为1.5寸的塑料管，条带巷道每处高点或三角形槽内布设3根导气管终端，同时沿条带巷道顶部近回风巷侧、中部及近运输巷侧各布设1条注浆管，管道内径为150 mm，管路借助条带巷道顶部锚杆捆绑牢固。该接顶工艺保证了C135206工作面规划的每个条带内配置3条注浆管路，每条注浆管路配备3条导气管，从而保证条带巷道内充填体分布均匀，接顶充分。条带巷道导气管与注浆管的接顶工艺布置如图5所示。

图5 条带巷道导气管与注浆管的接顶工艺布置Fig.5 Layout of roof connection process between roadway gas pipe and grouting pipe

4 充填挡墙设计

4.1 挡墙材质与尺寸

为保证C135206工作面充填过程条带巷道两侧挡墙良好的封堵效果，采用条形预制块混凝土砌块构筑档墙。砌块长度60 cm，宽度30 cm，高度20 cm。为加强挡墙的稳定性，对每个需要支设挡墙巷口的顶板与底板进行切槽工作，槽深为100 mm。针对C135206工作面，混凝土砌块挡墙长度为6.6 m，厚度为30 cm，高度为2.3 m，墙背直立、光滑，充填体面水平。

4.2 挡墙稳定性分析

条带巷道端头充填密闭挡墙受力如图6所示，挡墙所受侧压载荷为：

图6 条带巷道端头充填密闭挡墙受力Fig.6 Force on the end filling and sealing retaining wall of a strip roadway

p=kγh

(5)

式中，p为档墙的侧压载荷，kN/m；γ为充填体容重，MPa/m；h为充填体高度，m；k为侧压系数。

取膏体充填体容重γ为0.02 MPa/m，一次充填最大高度h为2.3 m，侧压系数k为0.6，求得挡墙最大侧压力为27.6 kN/m。

挡墙上下有顶底板约束，墙体按固定端考虑取L=2.3 m。依据《建筑结构静力计算手册》，计算充填浆体以三角形侧向压力作用下的内力分别为：

混凝土砖块墙体长×宽×高=600 mm×300 mm×200 mm，挡墙受弯、受剪承载力应满足：

MA≤ftmW

(6)

VA≤fvbz

(7)

式中，W为截面抵抗距，m3；b为单位宽度，m；z为截面内力臂，m。据《砌体结构设计规范》，取砌体沿齿缝弯曲抗拉强度设计值ftm=0.5 MPa，抗剪强度设计值fv=0.15 MPa。

取1 m宽墙体计算单元且按矩形截面计算，取t为档墙厚度，则计算档墙的各项参数为：

砌块档墙受弯承载力：ftmW=7.5 kN·m≥5.52 kN·m。

砌块档墙受剪承载力；fvbz=30 kN≥19.32 kN。

计算表明，C135206工作面所选混凝土砌块挡墙的受弯、受剪承载力，在充填体一次性充填高度不大于2.3 m时满足式(6)与式(7)，表明所选混凝土砌块档墙是适宜的。

5 结 论

1)沙梁煤矿处于F1、F2两条大断层控制下的断陷带内发育有规模不等的次级断裂构造的复杂地质条件，采用条带充填开采方法为矿井优化开采布局，提升矿井采出率提供了一种崭新思路。

2)C135206条带充填开采试验工作面处于基载比JZ<0.8、基采比JC<9的范围，采用连采机开采的“采6.6 m留19.8 m”的三倍基准类型四轮采充工艺是适宜的。

3)C135206工作面条带巷道采用多通道导气管加注浆管的接顶工艺保证了充填体接顶充分，采用一次充填高度不超过2.3 m的条形预制块混凝土砌块档墙能够保证挡墙良好的稳定性。