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煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 1工程概况 霍州煤电集团庞庞塔煤矿位于山西省临县程家 塔吉家庄阳泉村一带， 井田平面形态基本呈一长 方 形 ， 南 北 长 约 9km， 东 西 宽 约 1.5km， 面 积 13.2639km2。井田内含煤地层为太原组和山西组， 主 要可采煤层为 5上、 5、 9 煤层。现阶段正在回采的 5 煤层赋存稳定， 结构简单， 一般含 1 层夹石， 煤层 以镜煤、 亮煤为主， 内生裂隙发育。 5- 108 工作面煤层 总厚 3.1～3.55m， 平均 3.3m， 属中厚煤层， 不含夹矸， 结构简单， 层位稳定， 全区可采， 顶板为黑色泥岩， 底 板为砂质泥岩， 煤层倾角 2～6， 平均倾角 4， 变 异系数 6.67， 储存稳定， 开采标高为 1180～1250m， 根据井田内 104 号及补 4 号水文孔抽水试验资料， 石 炭系上统太原组灰岩、砂岩裂隙含水层水位标高为 1376.49～1398.82m。 由于 5 煤层与下部太灰含水 层的间距较近， 5- 108 工作面底板承压水的存在会对 煤矿的安全开采带来隐患， 加之断层、 陷落柱等地质 构造的存在， 更增加了危险系数， 因此需对工作面的 安全开采进行研究。 25 煤层承压开采底板突水分析 由于工作面的采动影响， 引起煤层及围岩体内部 应力场发生变化，导致采场的煤岩体发生应变破坏， 5 煤层开采主要的承压水威胁来自下部的太灰含水 层， 5- 108 工作面底板与太灰含水层的最小距离为 16.9m， 煤层底板带压 2.4MPa 左右， 而 5- 108 工作面 回采期间是否存在突水的危险需要通过分析计算确 定。 工作面回采过程中底板出水的危险性大小与底板 隔水层有效厚度密切相关， 采用突水系数法确定工作 面采用全部垮落法开采底板突水危险性的公式如 下[1] Ts P M （1 ） 式中 Ts为突水系数， 单位 MPa/m； P 为底板隔水 层承受的水头压力， 单位 MPa； M为底板有效隔水层 厚度， 单位 m。 MhD- h1- hd（2 ） 式中 hD为煤层底板距离含水层最上部的垂直 距离， 单位 m； h1为煤层底板采动破坏深度， 单位 m； 庞庞塔矿高承压工作面膏体充填开采技术应用研究 和杰 （霍州煤电集团机关总调度室 ， 山西 霍州 031400 ） 摘要 庞庞塔矿 5 煤层 5- 108 工作面为承压开采工作面， 通过理论分析和计算表明， 采用传统的 全部垮落法进行回采， 底板太灰承压水存在极大的突出危险性， 因此设计采用膏体充填采空区进行开 采， 通过计算确定充填材料的配合比、 充填步距， 现场应用过程中进行底板注水实验， 监测结果表明， 采用充填开采底板塑性破坏深度约为 6m， 底板未出现异常的涌水情况， 对底板太灰承压水取得了良 好的治理效果。 关键词 承压水 理论计算 膏体充填 ； 采空区 中图分类号 TD823.7文献标识码 A文章编号 1009- 0797 （2020 ） 05- 0089- 04 Application Research on Paste Filling Technology of High Pressure Working Face in Pang Panta Mine HE Jie （Huozhou coal and power group general dispatch office ，Shanxi Huozhou 031400 ） AbsrtactThe 5- 108 working face of Pang Panta Mine 5 coal seam is the pressure mining working face. Through theoretical analysis and calculation, it is shown that the traditional full- falling is used for mining, and the bottom plate is too gray and confined water has great danger. Therefore, the design uses the paste filling goaf for mining. The mixing ratio and filling step of the filling materials are determined by calculation. The floor water injection experiment is carried out during the field application. The monitoring results showthat the plastic failure depth ofthe floor is about 6m. There was noabnormal water inrush, and the treatment ofthe bottomplate was tooash- bearingwater. Key wordsConfined water ； theoretical calculation ； paste filling； Mined- out area; 89 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 Hd为承压水导升高度， 单位 m； 5 煤层开采底板塑性区的深度 h1，查阅相关的 文献可知， 采动矿压和承压水压力共同作用下的煤层 底板破坏深度应综合考虑两个应力场， 将他们引起的 煤层底板塑性破坏高度叠加， 采动引起的底板塑性破 坏深度计算公式为 xa m 2k1tanφ ln nγhCmcotφ k1Cmcotφ （3 ） 式中 k1为峰值系数，取 1.3 ； H 为煤层平均埋 深， 取 340m； γ 为顶板岩层容重， 取 2.9MN/m3； Cm为 煤体内聚力，取 2.10MPa； Φ 为煤层内摩擦角， 取 28； M为煤层厚度， 取 3.3m； 将 5 煤层具体的参数带入上式计算可得， 5- 108 工作面采动底板最大破坏深度为 6.1m。 5- 108 工作面 开采时采动引起的底板最大破坏深度加上承压水引 起的底板隔水层顶部塑性区高度计算公式为 h1 xacosφ 2cos π 4 φ 2 （） e π 4 φ 2 （）tanφ （4 ） （a ） 5 煤层顶板与太灰含水层距离的 3D 视图 （b） 5- 108 工作面底板太灰水的突水系数等值域 图 15- 108 工作面底板突水可能性示意图 将 xa6.1m带入式 （4 ） 计算可知， 5- 108 工作面回 采期间底板塑性破坏最大深度为 11.2m。 5 煤层隔水 层内太灰水的承压导升带根据现场钻孔实测情况取 4.1m。由此可知式 （2 ） 中， h111.2m， hd4.1m， 而 hD为 太灰含水层与 5 煤层底板的距离，根据现场钻孔探 测数据可知， 太灰含水层距离 5 煤层 16.9～29.8m， 平 均为 21.9m， 根据隔水层的厚度绘制出的隔水层总厚 度如图 1 （a ） 所示。 式 （1 ） 中 P1.35MPa， 有效隔水层厚 度 （M ） 随着底板隔水层的总厚度变化， 将底板厚度的 变化映射到式 （1 ） 中， 得到 5- 108 工作面开采范围的 突水系数变化图， 详细情况如图 1 （b ） 所示。 采用突水系数法确定工作面采用全部垮落法开 采底板突水危险性， 通过以上的分析计算可得， 太灰 含 水 层 对 5 煤 层 开 采 期 间 的 突 水 系 数 为 0.18～0.75MPa/m， 通过查阅相关的资料可知， 对于受 到断层、陷落柱等地质构造影响较大的底板岩层， 底 板突水系数应小于 0.06MPa/m， 当煤层底板完整性较 好， 基本不受不良地质因素影响时， 突水系数应不大 于 0.10MPa/m， 而根据以上分析计算的结果， 太灰水 突水系数全部大于 0.10MPa/m，如果 5 煤层 5- 108 工作面采用正常的全部垮落法进行开采的话， 工作面 底板存在非常大的突水危险性， 因此需采用特殊的开 采方法进行开采。 3膏体充填开采技术应用 通过以上的研究分析可知， 采用传统的全部垮落 法进行 5 煤层的开采，底板太灰水存在很大的突水 可能，因此通过查阅相关的研究成果和实践经验[2～3]， 设计在庞庞塔矿 5211 工作面采用膏体充填采空区的 开采工艺， 为确定合理的采空区充填工艺参数， 下面 对充填体所需的强度进行分析计算。 参考条带工作面 开采煤柱的稳定性研究， 将采空区的充填体视为一个 煤柱，沿工作面推进方向取一个剖面图进行分析， 工 作面回采时后方采空区的状态可简化为图 2 所示。 图 2膏体充填采空区采煤法充填体受力模型 在图 2 所示的情况下， 采空区内的充填体所示的 垂直方向的压力为 PpγH1 We Wp （5 ） 式中 Pp为采空区充填体平均应力， 单位 MPa； γ 为煤层上覆岩层平均容重， 单位 MN/m3； H 为工作面 平均埋深， 单位 m； We为两侧回采巷道的宽度， 单位 90 ChaoXing 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 m； Wp为回采工作面倾斜长度， 单位 m； 将采空区的受力状态简化为单轴受压的状态， 根 据 Bienia wski 公式， 充填体应有的强度为 [σ]σc D 0.9■ 0.640.36 we m （） 1.4 （6 ） 式中 D 为充填体试件尺寸，单位 m； M为工作 面采高，单位 m； σc 为不同安全系数情况下所需的 强度， 单位 MPa； 参照条带工作面煤柱稳定性的计算方法 k1 [σ] Pp （7 ） 通过式 （7） 进行计算， 当 k1＞1 时， 充填体能够 支撑采空区的煤层顶板， 庞庞塔矿 5- 108 工作面具 体的 参 数 如 下 Wp52m， H340m， γ0.025MN/m3， We4m， m2m， D100100mm，将以上参数带入式 （5 ） ～ （7 ） 可知， 充填体的强度大于 1.4MPa 时， 能够有 效地对采空区进行维护。 为了充分保证工作面承压开 采的安全性，设计充填体的后期强度应在 2.0MPa 左 右， 通过实验室实验确定的配合材料及比例为 膏体 质量浓度 84， 粉煤灰 283kg/m3， 胶结料 95.4kg/m3， 外加剂 6.8kg/m3。庞庞塔矿采用 “三八” 制， 为了施工 方便设计充填步距为 2.4m， 充填体高度为 3.3m， 充填 开采的示意图如图 3 所示。 图 35- 108 工作面采空区充填开采示意图 4应用效果 为考察庞庞塔矿 5- 108 工作面采用膏体充填开 采的效果， 采用钻孔注水法来测量工作面回采期间底 板的破坏深度， 底板岩层破坏越严重钻孔的注水量就 越大[4]。根据现场的生产情况， 在 5- 108 运输顺槽距 离停采线 80m的位置布置两个测站， 每个测站布置 4 个注水孔， 孔间距 2.0m， 测站布置详情如图 4 所示。 压水试验的注水压力 0.10～0.15MPa，压水时间在 20min 左右，每隔 5min 对钻孔的注水量进行一次记 录， 注水钻孔如图 5 所示。测站与回采工作面的距离 大于 40m 时， 两周进行一次测试， 40～20m 时， 每周监 测一次， 小于 20m 时， 每天监测一次， 根据现场监测 数据， 整理得表 1 所示的结果。 图 4注水实验测站布置示意图 图 5钻孔布置剖面图 表 1现场注水实验结果 根据表 1 所示的监测结果可知，随着测站与回 采工作面距离的减小， 1 和 2 测站，注水钻孔测试 深度为 2m、 3m、 5m 时，钻孔的注水量整体呈现先增 大后减小的趋势， 而测试深度为 7m 的钻孔注水量基 本不发生变化， 由此可知， 底板岩层 0～5m 内， 由于工 作面采动的影响岩体发生拉剪破坏，裂隙发育增大 钻孔围岩的导水能力，而当采空区的充填体强度逐 渐增大， 应力向采空区转移， 底板岩体塑性区裂隙在 应力作用下逐渐压实， 渗透性降低， 钻孔的注水量进 （下转第 94 页 ） 测站 名称 钻孔 编号 测试深度 /m 钻孔注水量 / （L min-1） 7 月 12 日 7 月 21 日 8 月 09 日 9 月 16 日 10 月 7 日 1 1- 120.290.360.110.080.13 1- 230.260.176.235.893.10 1- 351.111.098.135.984.41 1- 470.140.200.410.140.03 2 2- 120.291.353.465.324.32 2- 230.651.361.784.392.69 2- 350.070.982.634.122.69 2- 470.150.360.410.450 91 ChaoXing （上接第 91 页 ） 而逐渐减小。当测试深度为 7m 时， 注水量基本不受 工作面采动的影响， 由此可知， 采用膏体充填开采对 底板的破坏深度约为 6m，并且工作面回采期间底板 未出现涌水量异常的情况。 5结论 庞庞塔矿 5 煤层为承压开采， 通过理论分析和 计算得知， 5- 108 工作面回采导致底板塑性破坏深 度为 11.2m，工作面回采期间底板存在极大的太灰 水突水出危险，因此设计采用采空区膏体充填进行 开采，通过分析计算确定充填体所需的强度为 2MPa， 充填步距为 2.4m， 应用过程中进行底板注水 实验， 监测结果表明， 充填开采底板的破坏深度减小 为 6m， 并且工作面未出现异常的涌水情况， 取得了 良好的应用效果。 参考文献 [1] 宋文成,梁正召,赵春波.承压水上开采沿工作面倾向底板 力学破坏特征 [J]. 岩石力学与工程学报,2018,37 （09） 2131- 2143. [2] 孙希奎,常庆粮.承压水上膏体充填率与充填体强度对底 板破坏深度的影响[J].煤矿安全,2017,48 （06） 180- 183. [3] 刘伟涛. 岱庄煤矿下组煤承压水上膏体充填开采安全性 研究[D].中国矿业大学,2017. [4] 高振宇,何渊,任建刚,刘小雄.布尔台矿 42201 工作面底板 砂岩承压水防治技术[J].煤矿安全,2017,48 （S1） 43- 47. 作者简介 和杰， 男， 汉族， 出生于 1990 年 7 月， 山西文水人， 本科， 2015 年 7 月毕业于中国矿业大学，现从事煤矿开采技术管 理工作， 初级工程师。（收稿日期 2019- 11- 11） 煤矿现代化2020 年第 5 期总第 158 期 3.2实测结果分析 将 6 个钻孔的 6 个测点分为 3 个基站组， 每个基 站组包含 2 个测点， 所测得数值取平均范围， 会缩小 测量结果的误差。 图 7 为测点分组后测得的覆岩实际 运移量。由图 7 可以看出， 3 组测点所测得工作面上 覆岩层受采动影响开始运移的位置均为距工作面距 离 30 m左右处位置，位移量最大的位置均出现在采 空区后方约 8.5 m处，均与前文数值模拟结果吻合。 由图 7 还可以看出，上覆岩层最大位移达分别为 375mm、 425mm、 575mm左右。 图 7位移观测图 4结论 1 ） 工作面推进 30m 左右时， 综放面的上、 中、 下 不同部位的覆岩塑性破坏区分布基本相似， 不存在大 的差别， 破坏范围均为 6m左右。 2 ） 受采动影响， 综放面下部区域应力较为集中， 矿压显现较中、 上部区域明显， 这是由于下部 702 采 空区造成的围岩的侧向应力与放顶开采采动应力相 叠加所造成的。 3 ） 通过在顶板钻孔安装测点， 测得覆岩实际运移 量。 结果显示综放面上覆岩层受采动影响开始运移的 位置均出现在为距工作面距离 30m 左右处位置， 位 移量最大的位置出现在采空区后方约 8.5m处，上覆 岩层最大位移达分别为 375 mm、 425 mm、 575 m， 实 测结果与 Flac3D数值模拟结果一致。 参考文献 [1] 程远平， 付建华， 俞启香.中国煤矿瓦斯抽采技术的发展 [J].采矿与安全工程学报， 2009，（02） 127- 139. 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