充填開采與礦井安全及資源利用

付立志

新礦集團內蒙古福城煤礦，內蒙古鄂爾多斯 016217

0 引言

實施充填式開采是利國利民的大事。一是實施充填式開采，能有效消除地表沉降，保護地表生態環境。充填體保證了頂底板之間無明顯移近，開采后不產生冒落帶、裂隙帶和下沉帶，地表不發生明顯沉降，保證了水資源，減少了對土地資源的破壞；二是充填材料采用粉煤灰、尾礦泥和煤矸石，實現礦山附生物資源利用，減少了固體廢棄物的排放，保護了環境，提高煤炭企業循環經濟的發展，是有利國利民的大事。三是實施充填式開采，可以優化作業環境，提高煤礦開采安全程度。充填體有效控制了采煤工作面的圍巖移動，避免頂板大面積垮落和底板承壓水的突然涌出，減少了有害氣體的積聚空間，降低瓦斯自然災害；解放“三下”壓煤。用充填材料置換出礦產資源，替代了開采設計中預留的條帶和保護煤柱，保證采出資源后不會造成地面設施的破壞，提高煤炭資源回收率。

1 礦井資源賦存狀況

礦井為薄煤層開采，現采5、6、9、10煤層，地質儲量為1040.7萬噸，其中5煤216.5萬噸，6煤144.4萬噸，9煤8.2萬噸，10煤671.6萬噸。礦井范圍內地面建筑物多，新增樓群范圍在擴大，壓煤量多；9、10煤層回采又受底板承壓水威脅嚴重，雖然采用條帶式回采方式，能保證安全生產，但煤炭回收率低，只能達到35%以下。

2 實施充填開采的條件

2.1 煤層頂底板條件

10-2煤層：直接頂為砂質頁巖，厚度3.12m～4.09m，為Ⅱ級3類頂板。直接底為粘土頁巖，厚度0.43m～0.55m，其底板抗壓強度279×104pa。10-2煤層：黑色塊狀，半光亮型，半金屬光澤，煤層上分層厚度0.5m～1.02m，下分層厚度0.35～0.43m；煤層中含有1層夾石，夾石厚度0.1m～0.49m，去除夾矸后煤層平均厚度1m。巖性為炭質頁巖，煤層結構較復雜，屬較穩定煤層。容重1.51 t/m3，f=3。

2.2 水文地質情況

徐家莊灰巖含水層，巖溶裂隙比較發育，水力聯系廣泛，透水性好，滲透系數高達9.35m/d～21.74m/d。但是補給條件受水文地質塊段影響較大。從井下施工的鉆孔分析，徐灰富水性不均，有的鉆孔見徐灰時，水量高達120m3/h，有的則無水。奧陶系灰巖含水層，廣泛分布淄博煤田東、東南、南部山區，普遍裸露地表。至本井田埋藏深度較大，補給條件好，動靜儲量大，是本井田的主要含水層。在建井期間遇F3斷層奧灰突水，最大水量達1210.2m3/h。

2.3 瓦斯涌出量情況

回采工作面瓦斯正常絕對涌出量1.5m3/min，瓦斯呈吸附狀存在于煤層中。工作面回采后，老空內積存大量的瓦斯，工作面的回風隅角多發生瓦斯涌出量大。

2.4 礦壓情況

根據工作面礦壓觀測資料分析，工作面初次垮落步距為20.2m老頂來壓步距為32.2m，周期來壓步距為8m～11.2m。頂板控制參數：老頂初壓平均31.25t/m2，老頂周壓平均35.84t/m2，正常工作階段平均18.772t/m2。

3 實施充填開采的方法

3.1 地面建充填站

聘請有資質的鉆探隊負責施工鉆孔和下輸料管路，在孔的位置建充填站。充填站占地1600m2，南北長40m，東西寬40m。地面充填站由3個初漿罐、1個輔料罐和1個成漿罐組成。初漿罐設計總容積360m3，輔料罐設計容積80m3，成漿罐設計容積16m3，將充填材料混合、攪拌。

3.2 鉆孔輸料

鉆孔設計孔深625m，孔內下Ф127mm錳鋼管2條，作為充填輸料管，孔內鋼管與孔壁之間用水泥漿充實固定。預計輸漿管路安設全長1830m，采用Ф127mm輸油錳鋼管到達工作面。在地面鉆孔的北側建蓄水池，利用井下防塵水，通過輸漿管路，將井下水排地面水池。蓄水池長30m、寬5m、深3m，蓄水量不少于350m3，滿足每次充填時用水量。按高水膨脹材料充填技術特性，將原料混合，制成固水質量比1：1.3左右的充填料漿。每充填1.0m3則用水約0.65m3，按工作面每推2個循環，充填1次，充填480m3，則用水310m3。在井下建一容量120m3的蓄水池，用1臺高揚程水泵，通過一條備用輸料管，時時向地面蓄水池內供水，供水量滿足要求。

3.3 充填開采方法

根據采煤工作面設計，面平均傾斜長150m，煤層厚度按最大2.0m進行設計，循環進度0.8m，采煤機每割2 個循環，充填1次，每次充填480m3，試驗采用袋式充填法。以粉煤灰或尾礦、建筑垃圾等硅質材料為主料，配以延緩劑、速凝劑、固化劑和膨脹劑等輔料，水的體積比為75%左右，進行走向長壁充填采煤及煤柱置換充填。采區下部改變采向，設計為傾斜長壁后退式采煤方式，采用仰采，充填方式為隨采隨充。

4 實施“充填式開采”效益分析

4.1 社會效益分析

一是地面不變形。充填開采后，地面基本無明顯沉降，不對地面建筑物產生影響；二是消耗工業廢棄物，極大緩解了粉煤灰和煤矸石對環境的污染，具有較高的社會效益。

4.2 經濟效益分析

實施充填式開采，取消了條帶式回采，煤炭回收率提高到85%以上，礦井服務年限延長20年。從煤炭生產過程分析，實施充填式開采，增加了生產環節，增加原煤生產成本。按工作面全部采用充填式回采，噸煤成本將增加80～100元。成本的增加使利潤有所下降。以后可進行多方面的試驗，由全充過渡到帶充，降低成本，提高效益。

5 結論

1）實施充填開采，有效控制地表沉陷和實現建筑物下采煤，保護了礦區的生態環境；解放“三下”壓煤，提高煤礦資源的回收率，延長了礦井的服務年限，具有顯著的社會效益和環境效益；

2）工作面取消了條帶式回采，減少了搬家撤面次數，少掘進巷道，緩解了接續緊張狀況；

3）減少了高承壓水對工作面的影響，基本消除了水害威脅；對于高瓦斯采煤工作面，老空區充填后減少了瓦斯賦存空間，基本消除瓦斯威脅；

4）充填后，工作面無明顯動壓變化，優化了作業環境，提高了煤礦開采的安全程度。

[1]井下充填開采的技術研究.山東煤炭科技，2013(3).