条带开采冒落区充填

条带开采冒落区注浆充填工艺的理论研究王磊（01110023）王庆月（01110024）王崧玮（01110025）

（中国矿业大学矿业工程学院采矿11-1班江苏徐州）

摘要：条带开采和充填开采既是建筑物下压煤开采的常用技术途径,又是煤矿绿色开采技术体系的重要组成部分。但前者受回收率低的制约,后者受成本高、工艺复杂等因素的影响,限制了两者在煤矿的应用。为此,组合两者优点,基于关键层理论和煤矿绿色开采理念,提出了条带开采冒落区注浆充填减沉新技术。本论文对其基础理论问题进行了分析研究，分析了我国条带开采冒落区充填开采技术现状 ,提出充填开采方法将是资源与环境友好开采的好途径。通过查阅相关实验数据，认为充填开采要推广须进行部分充填、可控制性下沉理论研究 , 在减少充填材料消耗的同时 , 尽可能降低充填工艺对回采的影响 , 并使地表下沉在合理的范围内,从而为充填设计提供理论指导;同时要研发充填材料与装备,如输送机，充填支架等。

关键词：条带开采绿色开采冒落区注浆充填覆岩移动

正文：如何合理地解决建筑物下压煤开采问题一直是困扰我国煤矿企业的重要课题之一，对于村庄密集的东部矿区而言，这一问题显得尤为突出．近年来，许多学者为之开展了大量研究，提出许多新的建筑物下煤层开采技术．本文涉及的条带开采垮落区注浆充填技术，是综合条带开采与垮落区充填的优点而提出的一种全新的建筑物下压煤开采技术思路．该技术思路是否可行，关键在于解决以下问题：充填材料在煤层顶板垮落之后才注入，充填料能否有效发挥减沉作用，其减沉作用机理是什么?迄今为止，针对条带开采垮落区注浆充填的减沉作用机理尚无有效的研究手段和方法，主要问题在于：由于条带煤层采出、顶板垮落、注浆充填、充填体承载、上覆岩层下沉等过程及其复杂，很难对其进行室内模拟、理论分析和现场实测．因此，本文只能通过相关实验数据，对条带开采冒落区注浆充填工艺进行简单的理论分析，以及对该采煤方法的一些展望。

一. 条带开采垮落区注浆充填的概念

（1）技术思路条带开采垮落区注浆充填技术的思路(图1)：在建筑物压煤条带开采的情况下，通过地面或井下钻孔对采出条带已垮落采空区实施注浆充填，充填破碎矸石空隙，加固破碎岩石，使得采出条带垮落区重新发挥承载作用，有效地减轻了留设煤柱及其上方一定范围内岩柱上所承受的载荷，使得煤岩柱的压缩变形减小，从而减缓覆岩移动向地表的传播，减小地表移动变形值；同时利用充填材料与垮落区内矸石形成的共同承载体来缩短留设条带的宽度，以达到提高资源采出率和降低充填成本的目的．

（2）注浆充填作用机理

图l 条带开采垮落区注浆充填方案

对煤柱提供侧向约束作用，提高煤柱的强度．条带煤柱必须有足够的强度，才能长期有效地支撑上覆岩层载荷．注浆充填后，细粒充填料和垮落矸石形成致密的充填体充满采空区，限制煤柱侧向变形及破坏的发展，使煤柱由二维受力变成三维受力状态，提高了煤柱的强度和承载能力． (2)垮落区充填体恢复承载能力，分担煤柱载荷．采用条带法开采时，垮落带内的矸石堆体处于卸压状态，其上方岩层的重力转移到两侧条带煤柱上，达到新的应力平衡，这部分因条带开采而引起的煤柱附加应力是引起地表变形的根源，减小附加应力就可减小地面沉陷或减小留设煤柱宽度．条带垮落区注浆充填后，垮落区充填体将恢复承载能力，承受一部分采动应力，从而使煤柱上的附加应力减小． (3)减少应力集中，传递载荷作用．煤层采出后的应力集中是造成上覆岩层破坏和变形并向地面发展的主要原因．充填料的注入，消除了绝大部分采空区，使上覆岩层变形、位移发展的处所基本消失．一方面，可以阻止上覆岩层变形及位移的进一步发展，向煤(岩)柱和顶底板围岩提供一定的抗力，减缓应力集中现象；另一方面，密实的充填体与顶底板直接接触，可以将上覆岩体的部分载荷经充填体传递到底板岩层，使应力向底板岩层深处转移．二.条带开采冒落区注浆充填减沉机理

①充填体对煤柱提供侧向约束作用

②充填体与煤柱载荷共同支承关键层

③充填体减少应力集中

冒落区注浆充填使主关键层和其上方的覆岩都没有出现离层和裂隙，说明主关键层是稳定的，控制着直至地表的岩层运动。

三．总结

1.条带开采垮落区注浆充填是一种解决建筑物下煤层开采问题的新思路，利用“垮落区充填体+ 煤柱+围岩”共同控制开采沉陷．

2.条带开采垮落区注浆充填提供侧向约束作用，保护了煤柱的完整性，提高了煤柱强度和承载能力；与不充填相比，垮落区充填可使垮落区恢复承载能力，煤柱上支承压力峰值降低，垂直位移减小；相对条带开采，垮落区充填使上覆岩层应力集中不均匀系数降低6倍，顶板应力峰值通过充填体的传递向底板深处岩体转移，有效地阻止了覆岩的破坏和变形向地面发展．

3.采用条带开采垮落区注浆充填，当充填率为30％时，煤炭采出率由条带开采的40％提高到65％，同时地表最大下沉变形值小于建筑物I级破坏所允许的变形值．

四.对我国条带开采冒落区充填开采技术发展的看法

随着对环境保护要求的提高，条带开采冒落区充填开采无疑是资源与环境友好开采的最佳途 ,将是我国今后井工开采顶板控制的发展趋势 , 需从技术进步方面进行以下攻关研究:

(1)研发充填材料,尽可能利用矿井固体废料,减少固体污染。

(2)深化充填理论研究量化充填介质特性，充填参数对于地表沉降的关系;进行部分充填与可控性下沉的理论研究,在减少充填材料消耗的同时,尽可能降低充填工艺对回采的影响,并使地表下沉在合理的范围内,为充填设计提供理论指导。

(3)进行充填装备，包括输送机，充填支架等。

参考文献

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