王台铺煤矿高水材料旺格维利充填开采技术研究与实践

黄晋兵，田锦州，张占涛，颜丙双

(1.山西晋城王台铺煤矿有限公司，山西 晋城 048000；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；

3.国家能源充填采煤技术重点实验室，北京 100013)



王台铺煤矿高水材料旺格维利充填开采技术研究与实践

黄晋兵1，田锦州2,3，张占涛2,3，颜丙双2,3

(1.山西晋城王台铺煤矿有限公司，山西 晋城 048000；2.天地科技股份有限公司 开采设计事业部，北京 100013；

3.国家能源充填采煤技术重点实验室，北京 100013)

[摘要]根据王台铺煤矿深埋浅、采动影响剧烈的具体条件，首次试验应用了高水材料旺格维利充填采煤法，利用数值模拟手段研究了旺格维利充填开采煤岩体应力场演变机理，并在XV2317(南)工作面进行了高水材料旺格维利充填开采工业试验。试验结果表明，该种充填采煤工艺系统简单，投资少，资源回收率高，地表减沉效果好，适用于“三下”压煤不规则块段的资源回收。

[关键词]高水材料；旺格维利；充填开采；高采出率

随着近年来煤炭资源开采强度的提高，矿井可采储量逐年减少，老龄化问题日益加剧。煤炭被采出后，采出空间上覆岩层失去支撑而向采空区内逐渐移动、弯曲和破坏，从而引发土地沉陷灾害。地表沉陷带来的破坏已涉及到工业、农业、交通运输、环境保护、生态平衡等各方面。在建筑物下、铁路下、水体下、承压水体上(简称“三下一上”)进行煤炭资源开采时引发的问题最直接也最为突出，例如：煤矿开采后，地面房屋局部开裂甚至倒塌，使工农关系紧张；铁路弯曲或下沉，给铁路安全运输留下隐患；围岩裂隙与水体沟通后会出现透水事故，严重影响矿井的安全高效生产。随着矿井储量的逐渐减少，煤炭资源的枯竭与经济发展的矛盾日益突出，对煤炭生产企业尤其是资源枯竭矿井的可持续发展提出了严峻考验[1]。为此，国内外学者针对“三下”压煤的合理开采问题进行了大量的研究与实践工作，目前国内比较常用的是搬迁开采、部分开采与充填开采。

王台铺煤矿1958年建井，是晋城煤业集团典型的“老三矿”之一，该矿可采资源储量日益枯竭，即将面临关井闭坑的窘境。该矿目前仍有建(构)筑物下压煤可采储量57Mt，该部分资源的回采因涉及地面村庄建(构)筑物的保护问题而从未开采。如果关闭矿井，这部分资源将成为永久性损失，日后再恢复系统进行开采的成本过高；而如果对这部分资源进行开采，常规采煤方法势必破坏地面村庄等建(构)筑物[2-3]。如何解放建(构)筑物下压煤是王台铺煤矿，也是几乎所有老矿面临的十分棘手而又亟待解决的难题。

本文基于王台铺煤矿埋深浅、采动影响剧烈的具体条件，首次试验应用于高水材料旺格维利充填采煤法。

1旺格维利充填开采技术简介

旺格维利采煤技术是一种短壁采煤法，其生产系统布置简单、边角煤回收适应能力强、机械化程度高、生产能力较大，20世纪90年代末引入我国并开始推广应用[4-7]。高水材料充填开采，其充填料浆具有流动性好、微膨胀、低泌水率、固结体强度高、综合成本低等优点，是一种良好的矿用充填材料[8]。理论上看，采用图1所示的旺格维利充填采煤方法较为合理，但考虑到王台铺煤矿为首次采用充填法解放“三下”压煤，为确保充填工艺的顺利开展，初步采用只采支巷、暂不掘采硐的方式进行。

图1　旺格维利采煤法工作面布置示意

旺格维利分阶段充填采煤法是指在沿煤层走向每隔一定距离留设一定宽度的煤柱，用以支撑顶板，使其不致冒落，待当前阶段充填体固结并达到预定强度后，再回收隔离煤柱，最后实现全采全充的目的。根据旺格维利采煤工作面煤柱与采空区相间布置的特点，将旺格维利充填开采分为两个阶段：第一阶段，开采支巷形成常规旺格维利采场布置，同时将开采后的支巷进行充填；第二阶段，充填体的强度达到设计要求后，在充填体柱的支撑下将留设的煤柱回收，同时对煤柱回收后的采空区进行充填，最终实现充填体对煤炭的置换[3]。图2为两阶段旺格维利采煤工作面充填开采过程示意。

2煤岩体应力场演变机理研究

王台铺煤矿主采15号煤，煤层厚度2.5m，属近水平煤层，埋深约230m。该煤层直接顶为K2石灰岩，厚度7.42～10.99m，平均9.32m，致密坚硬，节理裂隙较发育，在井田内该层特别稳定，单向抗压强度平均47.0MPa，抗拉强度平均4.0MPa，抗剪强度平均3.7MPa，属坚硬顶板，再向上是软弱～坚硬相间的平行复合式结构。底板为泥岩或铝土质泥岩，厚0～3.42m，平均1.62m，其下部为本溪组的铝土泥岩，属软弱型，单向抗压强度11.4MPa，抗拉强度0.8MPa，抗剪强度2.5MPa，膨胀率为0.63%[2-3]。

根据王台铺煤矿试验工作面的钻孔柱状，对模型的岩层进行了定义和划分，同时考虑远场效应，网格划分采用等间距与不等间距相结合的方式。模型共分为10层，其中2层底板，7层顶板，1层煤层。模型尺寸定为800m×200m×247.7m，由97250个网格，111499个节点组成，其中顶板厚度为230m，底板厚度为15.2m，煤层厚度为2.5m，支巷宽度和隔离煤柱宽度均为4m。模型在X轴的左右边界方向均保留260m的边界煤柱，取Y=100m的剖面进行模拟数据分析研究。数值计算模型如图3所示。

模型底部边界进行固定，初始位移和加速度为零，模型前后左右面上的水平应力由岩层自重产生，其大小由以下公式确定：

σx= σy= λσz

式中，λ为侧压系数，λ=μ/(1-μ)；μ为岩石泊松比，取0.33。

旺格维利分阶段充填采煤法具体过程如下：

(1)第一阶段支巷开采后，覆岩载荷转移到煤柱上，在煤柱及上方岩层内形成了应力集中，如图4所示。按照煤层埋深230m进行计算，煤层原岩应力P=5.75MPa。由图4可知，第一阶段支巷开采后，煤柱最大垂直应力为8.0MPa，应力增大39%；由煤柱垂直应力分布形态分析可知，第一阶段支巷开采后，煤柱垂直应力分布呈现出明显的“马鞍形”，而“马鞍形”是稳定煤柱应力分布的典型形态，“拱形”则是失稳或屈服煤柱应力分布的重要特征，因此认为第一阶段支巷的开采是安全的，短时间内不会造成煤柱失稳。图5为第一阶段支巷开采后煤柱水平应力场分布，由图5可知，支巷开挖后，煤柱两侧边缘区处于无应力状态，顶板的继续运动易造成片帮，导致煤柱的承载能力降低，因此应及时对已开采的支巷进行充填。

图4　第一阶段开采后垂直应力场分布(单位：MPa)

图5　第一阶段开采后煤柱水平应力场分布(单位：MPa)

第一阶段支巷充填后，充填体凝固并逐渐承受来自顶板的压力，发挥承载作用。同时，充填体为两侧煤柱提供了侧限，改善了煤柱的受力状态。此时支撑覆岩以煤柱为主，充填体为辅。

(2)第二阶段充填前和充填后充填体柱支撑顶板的垂直应力场分布分别见图6、图7，由图可知，煤层全部采出后，首先由第一阶段充填体支撑顶板，顶板载荷向两侧充填体柱转移，充填体柱最大垂直应力3.5MPa，其应力分布形态同第一阶段煤柱分布形态相似，呈现出较为稳定的形态；支巷全部充填完后，由于顶板的继续运动，第一阶段充填体最大垂直应力增加至5.0MPa，第二阶段充填体逐渐开始承载，最大垂直应力1.0MPa，两阶段充填体柱相互提供侧向应力，提高了各自的承载能力，共同支撑顶板载荷。

图6　第二阶段充填前，第一阶段充填体柱垂直应力场分布(单位：MPa)

图7　第二阶段充填后，第一阶段充填体柱垂直应力场分布(单位：MPa)

3王台铺煤矿充填开采工程实践

王台铺煤矿XV2317(南)工作面共布置61条支巷，可采储量0.1673Mt，在2012年6月至2013年9月期间，工作面共采出支巷57条，采出率93.4%，充填支巷54条，平均月产9073t/月，充填接顶率达到95%以上。

XV2317(南)工作面充填开采试验表明，单一支巷充填的方式劳动组织安排较为容易、合理，同时从控制围岩变形的角度考虑，采完一条支巷随即进行充填，缩短了空顶时间，减少了围岩变形，提高了充填效果，有效预防了顶板事故的发生。“一采、一充、一备充”的采充作业模式是一种十分高效且安全的充填采煤作业接续模式。

XV2317(南)工作面充填开采期间，进行了系统的井下矿压监测。监测结果表明：工作面锚杆平均受力24.43kN，充填体的支撑阻止了直接顶板的破断，起到了控制顶板的作用；支巷端头离层平均15mm，中部离层平均132mm；煤柱最大受力20MPa，而后煤柱进入塑性状态，随着顶板及围岩的移动和充填体的逐渐承载，使得煤柱应力得到释放和缓解，并逐渐恢复至原岩应力；充填浆液充入支巷15d后开始承载，充填体最大受力4.43MPa，基本上达到原岩应力；工作面巷道出现了一定程度的顶底板移近和两帮移近，但总体移近量较小，不影响巷道的正常使用。

XV2317(南)工作面充填开采期间，进行了系统的地表移动监测。监测结果表明：综采工作面垮落法管理顶板地表最大下沉值2294mm，XV2317(南)工作面充填开采地表最大下沉值180mm，充填开采地表减沉达92%；综采工作面地表最大下沉速度1935mm/月，充填开采地表最大下沉速度71mm/月，相比综采地表最大下沉速度减小96.3%；充填开采最大影响边界范围114m，相比综采地表沉陷边界影响距离减小31m，减小幅度22%；充填开采超前影响距离31m，相比于综采工作面超前影响距减小了47m，减小幅度60.3%[3]。综上可知，高水材料旺格维利充填开采地表减沉效果较为理想，地表移动与变形控制在《“三下”采煤规程》规定的I级范围以内，满足地表一般建(构)筑物的保护要求。

4结论

(1)提出了高水充填材料旺格维利充填开采新工艺,研究了旺格维利充填开采煤岩体应力场演变机理。两阶段充填开采过程中，煤柱、充填体柱对顶板形成了有效的应力支撑，为两侧煤柱提供了侧限，改善了煤柱的受力状态。

(2)高水材料旺格维利充填开采技术在王台铺煤矿进行了井下应用实践，形成了旺格维利充填采煤新技术体系及“一采、一充、一备充”的充填采煤新模式，资源采出率达到90%以上，两阶段充填开采有效控制了覆岩及地表沉降，地表移动与变形控制在《“三下”采煤规程》规定的I级范围以内，满足地表一般建(构)筑物的保护要求。

(3)高水材料旺格维利充填开采技术具有生产工艺简单、采出率高、矿山压力易于控制、地表减沉效果好等优点，适合不规则“三下”压煤的回收。

[参考文献]

[1]张华兴.对“三下”采煤技术未来的思考[J].煤矿开采，2011，16(2)：1-3.

[2]刘鹏亮，田锦州，颜丙双.王台铺煤矿XV2317(南)工作面充填开采方案设计[R].北京：天地科技股份有限公司开采设计事业部，2012.

[3]刘鹏亮，田锦州，颜丙双.王台铺煤矿高水材料充填开采技术研究[R].北京：天地科技股份有限公司开采设计事业部，2014.

[4]周茂普.连续采煤机短壁机械化安全高效开采技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2014.

[5]白士邦，刘文郁.旺格维利采煤法在神东矿区的应用[J].煤矿开采，2006，11(2)：21-24.

[6]王天亮.旺格维利采煤法在上湾矿的应用[J].煤炭工程，2003，35(12)：35-37.

[7]黄晋兵.“旺格维利”采煤法在晋城矿区王台矿井的应用[J].煤矿现代化，2008(6)：16-17.

[8]石建新.高水膨胀材料充填采煤技术的研究与应用[J].山东煤炭科技，2010(4)：128-129.

[责任编辑：徐乃忠]

Study and Practice of Wongawilli Fillingmining Method with High Water Material in Wangtaipu Coal Mine

Huang Jin-bing1，Tian Jin-zhou2，3，Zhang Zhan-tao2,Yan Bing-shuang2，3

(1.Shanxi Jincheng Wangtaipu Coalmine Co.Ltd.，Jincheng 048000，China；2.Tiandi Science & Technology Co.Ltd.,Beijing 100013，China3.National Energy Fillingmining Technology Key Laboratory，Beijing 100013，China)

Abstract：This paper presents a new type of miningmethod- Wanggewieli filling with high watermaterial，study the wongawilli fillingmining coal rock stress field evolutionmechanism by using numerical simulation，and carry out the industrial test in XV2317(south) face on wangtaipu coalmine.The industrial practice shows that，the fillingmining technique system is simple and less investment，resource recovery rate is high，surface subsidence reducing effect is good，adapt to the recycling of irregular block and resource under building，roadway，and water body

Key words：high watermaterial，wongawilli，fillingmining，high recovery

[中图分类号]TD823.7

[文献标识码]A

[文章编号]1006-6225(2016)01-0073-04

[作者简介]黄晋兵(1977-)，男，山西长治人，采煤工程师，王台铺煤矿有限公司生产矿长，主要从事煤矿生产管理工作。

[基金项目]国家重大科技专项(2011ZX05064)

[收稿日期]2015-07-13

特殊采煤与矿区环境治理

[DOI]10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2016.01.020

[引用格式]黄晋兵，田锦州，张占涛，等.王台铺煤矿高水材料旺格维利充填开采技术研究与实践[J].煤矿开采，2016，21(1)：73-76.