井下采空区部分充填参数的确定_黄万朋

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（ 第 42 卷第 7 期）
分析·探讨
粒≤30 mm，矸粉及颗粒通过 YDB － 11 型给料皮带 输送机进入 JS1000 型搅拌机加水、粉煤灰充分搅拌 成胶结体，与水泥浆充分混合搅拌后，再用溜槽溜至 HBM80 /16 型矸石输送泵，经直径 159 mm 管路充填 入采空区。 3． 3 工作面矸石充填工序
（ 3） 设计了合理的充填工艺流程，选择了合理 的充填设备，经过部分充填技术的实施，解决了矸石 排放及地表下沉的问题，并取得了 5 067 万元的经 济效益。
参考文献：
〔1〕 张吉雄，缪协兴． 煤矿矸石井下处理的研究〔J〕． 中国 矿业大学学报，2006，35（ 2） ： 197 － 200．
〔2〕 周爱民． 矿山废料胶结充填〔M〕． 北京： 冶金工业出版 社，2007： 12 － 13，37 － 40．
得到未充填区域宽度 B≤38． 8 m，经过分析，最 终确定 B = 30 m。 2． 2 充填区域宽度分析
通过对煤柱加载试验，发现从煤柱应力峰值 σ1 到煤柱边界这一区段，煤体应力已超过了屈服点并 向采空区 有 一 定 量 的 流 动，这 个 区 域 称 为 屈 服 区 （ 或称塑性区） ，其宽度用 Y 表示。屈服区向里的煤 体变形较小，应力没有超过屈服点，大体符合弹性法 则，这个区域被屈服区所包围并受屈服区的约束，处 于三 轴 应 力 状 态，称 为 煤 柱 核 区 （ 或 称 弹 性 核 区） 〔5 － 7〕。
（ 3） PCS1200 破碎机 1 台。生产能力 90 ～ 120 m3 / h，功率 110 kW。
（ 4） 输送管。输送能力 120 m3 / h，由 Ф159 mm 的无缝钢管连接。
（ 5） 上料胶带机 1 台。功率 11 kW，可承受压力 ＞ 25 MPa。 3． 2 充填工艺流程
掘进工作面产生的矸石经运输胶带转载至矸石 仓内，矸石经 K － 2 型给料机和 SD 型排矸皮带卸至 PCS1200 型碎石机喂料口 ，碎石机将矸石粉碎至颗
矿压理论、材料力学及数值模拟方法，对某矿矸石部分充填采空区的充填参数进行了设计，确定
了充填 60 m、留 30 m 的充填方案。通过数值模拟分析，得出了充填体塑性区比例系数 Kb 与充 填体宽度 A 的关系是呈下凹型的幂指数关系。从而，设计了合理的充填工艺流程，选择了合理
的充填设备，经过部分充填技术的实施，取得了良好的社会效益和经济效益。
（ 2） 在向采空区充填前，在边排单体液压支柱 靠采空区侧挂竹笆，竹笆距顶板不大于 0． 1 m。
（ 3） 为合理充填，在上一充填段充填矸石到达 上方挡矸墙 0． 5 m 时，提前在上一充填段内进行敷 设竹笆、彩带条及回柱工作，回柱后的空间严禁人员 进入。
（ 4） 当充填处距上巷下帮 30 m 时，为合理组织 生产，采用充填同采煤平行作业的方式组织生产，采 用“见七充四”的充填方式。 3． 4 效益分析
（ 1） 社会效益。解决了地面矸石堆放及污染问 题，矸石不再占用耕地。同时采空区充填后，有效减 少了地表变形，解决了重要建筑物和重要设施下的 “三下”开 采 问 题，增 加 煤 炭 资 源 回 收 率，延 长 矿 井 服务年限。
（ 2） 经济效益。矸石部分充填采空区后，每年 可减少矸石的运输提升费用 217 万元，矸石充填可 将原来留设的部分保护煤柱置换出来，增加经济效 益 4 800 万元，节省矸石每年的占地费用和设备费 用 50 万元，实现的总的经济效益为 5 067 万元。
作者简介：黄万朋（ 1985 － ） ，男，山东聊城人，中国矿业 大学（ 北京） 在读博士研究生。
（ 收稿日期： 2011 － 01 － 04； 责任编辑： 梁绍权）
4结论
（ 1） 经过理论及工艺可行性研究，确定采空区
矸石部分充填工艺，能够在降低充填成本的基础上 同时保证对上覆岩层的有效控制，是一种合理有效 的充填技术。
（ 2） 根 据 经 典 矿 压 理 论、材 料 力 学 分 析 及 FLAC3D数值模拟计算，确定未充填区域宽度 B = 30 m，充填区域宽度 A = 60 m，可以有效保持充填体自 身的稳定性及控制地表的下沉。
关键词：矸石； 部分充填； 参数设计； 充填工艺
中图分类号：TD353 + ． 7
文献标志码：B
文章编号：1003 － 496X（ 2011） 07 － 0150 － 03
0引言
某矿煤层覆存条件差，煤层薄，万吨掘进率高， 加之 － 1 000 m 水平的开拓延深，造成矸石生产量 大。同时地下开采对地表产生的变形破坏较为严 重，地面建筑变形量较大。为了消化矸石同时控制 上覆岩层的稳定性，有效减少地面沉降，决定采用矸 石回填采空区的方式进行生产作业。由于充填工艺 自身的复杂性，对井下工作面的生产造成较大的影 响，同时采空区的全部充填所需要的成本较大，不利 于矿山企业的经济发展〔1 － 2〕。因此采用采空区部分 充填。
图 2 岩梁支承条件力学模型图
式中 h———强度高的下部支托层的厚度，m； hi ———随支托层岩梁同时运动的上部较软弱 岩层的厚度，m； 〔σt 〕———岩梁的允许抗拉强度，MPa。
结合充 填 工 作 面 综 合 柱 状 图 可 知，老 顶 为 厚 18． 31 m 的粉砂岩，上方没有比其软弱的岩层，不会 随老顶的沉降而发生沉降，即 ∑ hi = 0。式中，h = 18． 31 m，粉砂岩的抗拉强度 σt 为 0． 56 ～ 1． 42 MPa， 取其中间值 0． 99 MPa； 粉砂岩密度 ρ = 2 401 kg / m3 ， 将以上数据代入上式中得到粉砂层老顶岩梁的断裂 步距为 L0 = 38． 8 m。
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分析·探讨
井下采空区部分充填参数的确定
黄万朋1 ，马树坤2 ，朱全美1 ，陈明程1
（ 1． 中国矿业大学（ 北京） 力学与建筑工程学院，北京 100083； 2． 兖煤菏泽能化有限公司 赵楼煤矿，山东 菏泽 274700）
摘 要：采空区部分充填方法是在降低充填成本基础上的一种行之有效的采空区充填技术，利用
〔3〕 许家林，朱卫兵，李兴尚，等． 控制煤矿开采沉陷的部 分充填 开 采 技 术 研 究〔J 〕． 采 矿 与 安 全 工 程 学 报， 2006，23（ 1） ： 6 － 11．
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初次断裂步距时，老顶岩梁就要断裂，所以要在小于
其初次垮落步距时就开始充填以保证岩梁的稳定
性。根据岩梁理论来确定未充填区域的宽度，建立 力学模型如图 2〔1〕。
根据材料力学计算，岩梁的初次破断极限跨度
L0 ：
槡 L0 =
2h2〔σt 〕 （ h + ∑hi） ρ
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（ 2011 － 07）
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通过对充填体试件的力学试验表明，矸石胶结 充填体在三轴受压条件下同条带煤柱一样具有“塑 性区”和“弹性核区”的存在。塑性区的宽度 Y 可以 通过数值模拟计算来确定，因此采用 FLAC3D 数值模 拟软件对塑性区的宽度 Y 进行数值模拟分析，确定 不同的充填参数对矸石胶结充填体两侧塑性区宽度 的影响〔8〕。模拟方案见表 1。
采空区部分充填即是在采空区内沿工作面走向 每隔一段距离布置一定宽度的充填体，充填体长度 在倾向上与工作面长相等，即倾向条带状充填体，采 用条带充填体支撑上覆岩层的重量，如图 1。
效果，提高效率，是一种合理有效的充填方法〔3〕。
1 充填工作面地质概况
充填工作面位于 － 650 m 水平的最下部，是一 个下山工作面，工作面上限标高 － 641 m，下限标高 － 733． 2 m。工作面 走 向 长 1 150 m，倾 斜 宽 平 均 180 m，煤层密度 1． 32 t / m3 。煤厚平均为 1． 62 m， 煤层中上部含炭质砂岩夹矸 0 ～ 1 层，平均厚为 0． 20 m，净煤厚 1． 42 m； 煤层可采性指数 Km = 1，属稳 定煤层，煤层倾角平均 10°。煤层直接顶为第四层 石灰岩，均厚 3． 97 m，灰色，致密坚硬，平均单向抗 压强度为 84． 31 MPa； 四灰以上为粉砂岩，灰色，平 均厚 18． 31 m，含少量植物叶部化石。直接底为粉 砂岩，均厚 0． 60 m，灰色，致密性脆； 老底为细砂岩， 均厚 5． 17 m，灰 色，平 均 单 向 抗 压 强 度 为 60． 68 MPa。
方案 编号
1 2 3
采高 /m
1． 6 1． 6 1． 6
表 1 数值模拟方案表
采深 h/m
700 700 700
未充填区域 充填体宽度
宽度 B /m
A/m
30
30
30
60
30
80
充填率 /%
50 66． 7 72． 7
通过模拟计算可以看出，采用不同的充填参数， 充填体的塑性区宽度不同。塑性区宽度所占充填体 整体宽度的比例 Kb 随充填率 η 的增大而减小。方 案 1 塑性区宽度为 11． 5 m，占充填体整体宽度的 38． 3% ； 方案 2 塑性区宽度为 18． 5 m，占充填体整 体宽度的 30． 8% 。方案 3 塑性区宽度为 16． 2 m，占 充填体整体宽度的 20． 2% 。比例系数 Kb 与充填宽 度 A 的关系回归曲线如图 3。
3 部分充填工业性试验
3． 1 充填设备与参数 （ 1） HBM80 /16 型输送泵。输送量 60 ～ 80 m3 /
h； 输送距离： 垂直 300 m，水平 1 000 m； 骨料颗粒≤ 30 mm，功率 110 kW。
（ 2） JS1000 搅拌机 2 台。生产能力 50 ～ 65 m3 / h，单机功率 30 kW。
2 部分充填参数研究的确定
图 1 部分充填示意图
因此，经过理论及工艺方面的可行性研究，对该 矿进行采空区矸石部分充填能够缩小充填范围，降 低对生产的影响，降低充填成本； 同时能够保证充填
2． 1 未充填区域宽度确定
根据矿压理论研究，保证工作面上方老顶岩层
的稳定而不破断是控制采场矿压显现及地表沉降的
关键。工作面自开切眼开始推进后，当达到老顶的
工作面采空区充填胶结矸石料时，充填管路敷 设在第二与第三排支柱的空档内。其具体充填工序 如下。
（ 1） 每个大循环充填前，在下巷上帮垒砌倾向 长度≥4． 0 m 的矸石垛。分段充填，每段充填 8 ～ 10 m 的距离。Ф159 mm 充填钢管深入充填区内，长度 不超过 0． 8 m，高度≥1． 0 m。
图 3 Kb 与 A 的关系曲线
由图 3 可知，比例系数 Kb 与充填体宽度 A 呈 现下凹型的幂指数关系。未充填区宽度不变的情况 下，充填体宽度的增大可以较明显地降低塑性区宽 度 Y 所占充填体整体的比例系数，从而提高充填体 的支撑强度与整体稳定性。但充填体宽度的增大将 使充填的成本增加，据研究，充填体宽度占整个采空 区走向长度的比例在 70% 以下，就能在合理控制充 填成本的基础上满足充填体控制地表下沉的要求， 因此确定充填区域宽度 A = 60 m。