經坊煤礦3#煤層充填技術工藝解析

文/馮寧 林紀凱

經坊煤礦3#煤層充填技術工藝解析

文/馮寧 林紀凱

山西長治經坊煤業有限公司主采3#煤層49%屬建（構）筑物壓煤，資源量占比高達93.54Mt。為了有效提高資源回采率，避免后期接續困難，經坊煤礦根據礦井綠色開采的發展要求和建（構）筑物壓煤開采的迫切性，提出了適合礦井應用的膏體充填開采方法。本文對經坊煤礦3#煤層膏體充填采煤技術工藝措施及可行性分析進行了闡述。

一、膏體充填采煤技術工藝措施

1.采煤方法

實踐表明，充填采煤地表沉陷與變形主要受充填前頂板下沉量和充填體壓縮量的影響，并且以充填前頂板下沉量占多數。同樣采高的條件下，分層越多，充填前頂板下沉次數越多，下沉總量越大。為利于地表沉陷控制需要，經坊煤礦3#煤層采用 “高效隔離支架長壁綜采一次采全高膏體充填采煤方法”，選擇6m厚煤層一次采全高，而不是分層膏體充填采煤方法。同時，一次采全高的充填體強度要求，低于分層開采頂分層充填體強度要求，有利于降低充填材料費用。

2.高效隔離膏體充填液壓支架

高效隔離膏體充填液壓支架由基本架和端頭架組成，具有以下特點和技術優勢：

（1）四柱支撐四連桿式結構。

（2）待充填區支護及時有效。

（3）采煤進尺1刀后待充填區即能支護；隔離不降架、不影響支護。

（4）人工輔助隔離工作量少。隔離過程中待充填區不需要臨時點柱；頂、底和煤幫密封柔性材料固定在支架隔離板上，重復使用，一般不需要手工填塞草苫等；設計專門的端頭支架，取消端頭人工鋪板和打貼板柱，基本取消人工刷幫。

（5）隔離時間短。隔離的基本工作為掛塑料布，正常2h內可具備充填條件，可以取消隔離班。

3.采充工藝

讓人憂心的是，酒托犯罪呈低齡化趨勢。兩年多前，曾有媒體報道了發生在北京的一起“酒托”案，據主審法官介紹，該案大部分被告人均是年紀輕輕的90后，而被害人也越發年輕，其中一名受害人年僅17歲。這一現象提醒全社會都應該重視關注未成年人成長。提高法律的精準打擊度，以便更有力地遏制酒托案。除此之外，還需從人性自控、教育疏導等方面有效發力。

傳統采充工藝為 “采煤—隔離—充填—凝固”，且凝固時間為8～10h，凝固期間不能割煤，大大降低了采煤機的開機率，使得充填采煤產量偏低。而采用HA型貝福劑（膏體速凝劑）和出口加速凝劑成套技術，可以大幅提高充填采煤效率。該技術包括管道混合器和膏體速凝劑適時添加與自動控制技術，膏體充填材料進入充填區以后±2h便可以達到普通膏體8～10h才能夠達到的0.1～0.2MPa強度。因此，經坊煤礦3#煤層膏體充填工作面采用“采煤—充填”二班一循環高效采充工藝。為了提高工作質量和效率，使工人崗位相對固定，建議采用“四六工作制度”。

4.充填材料的選擇

經坊煤礦分別采用黃土、矸石、矸石+黃土作為充填原材料，進行膏體充填材料配比初步試驗。試驗在室溫下（25℃）養護至脫模，然后進行標準養護。試驗結果表明：

（1）通過膠凝時間測試，材料在摻入速凝劑及貝福劑后，膠凝時間明顯縮短。對于充填膏體，膠結料用量低于120kg/m3時，膠凝時間仍然較長，這主要是因為膠結料和速凝劑用量少所造成的。

（2）材料的強度隨膠結料用量的增加而增加。矸石膏體的強度大于黃土膏體，小于矸石、黃土混合膏體，這是與混合膏體的材料級配比較合理，硬化體的空洞較少有關。從實驗結果可以看出采用矸石充填開采完全可以滿足充填體強度要求，而若采用矸石與黃土混合膏體強度更好，可適當減少充填成本。見圖1。

圖1 膠結料用量對充填體的28d強度影響

（3）膏體中添加合適外加劑，可以顯著提高材料的流動性能，在相同條件下可以提高膏體濃度，明顯減少膏體沁水率，大幅度提高膏體強度。

（4）膏體中添加合適的速凝劑，可以保證膏體加水攪拌后早期強度達到0.15MPa以上，后期強度基本維持不變。

“矸石+黃土”膏體充填材料配比初步試驗結果：水泥160kg/m3，PA+HA貝福劑6kg/m3條件下，膏體材料抗壓強度，RC2h=0.11MPa，RC1d=0.42MPa，RC3d=1.29MPa， RC7d=2.36MPa，RC28d=3.56MPa，滿足經坊煤礦3#煤層充填要求。

二、膏體充填工藝流程

充填用矸石最大粒徑小于50mm，采用一級破碎加工，經過破碎加工的矸石最大粒徑控制在15mm以內，其中粒徑小于0.08mm的矸石粉料控制在15%左右。

同時，應選擇粉煤制作成粉煤灰膏體置于水與矸石黃土膏體之間，充填系統中應用少量粉煤灰。整個膏體充填工藝系統在充填原材料給料、計量、攪拌與泵送環節采用計算機程序化控制，系統自動根據充填泵送能力變化調節配比攪拌速度，根據矸石水分等自動調節配合比例，保證每批次攪拌料漿質量合格。

三、技術和經濟可行性分析

1．技術可行性分析

經坊煤礦研究和控制煤壁片幫，狠抓煤壁管理是大采高綜采充填工作面生產技術管理的重要內容之一。

煤層一般是有節理、裂隙的，當煤體受到較大的頂板壓力作用時，不但會使煤層原有的裂隙擴大，而且會使相鄰裂隙互相聯接，引起片幫。煤壁片幫主要有兩種形式，一種是剪切滑移破壞，另一種是失穩破壞。充填支架可設計前護幫梁，對工作面煤壁上部進行及時保護，并可保證充填支架的支護阻力達到設計要求，采用高效充填技術加快工作面推進速度，可以有效地防止充填工作面煤壁的片幫程度。

2．經濟可行性分析

膏體充填成本由充填材料費用、充填系統固定資產折舊費用、充填水電費用、充填人工費用、充填輔助材料費用等部分組成。

經坊煤礦膏體充填增加噸煤成本約71.26元/t，考慮充填產量占礦井年生產量1/3左右，3#煤層充填將使礦井總的噸煤費用增加23.75元/t，相比目前經坊礦原煤售價370元/t，完全成本301.97元/t，充填增加成本在可接受范圍內。

圖2 “矸石+黃土”膏體充填工藝流程圖

四、結語

經坊煤礦3#煤層實施“矸石+黃土”膏體充填開采技術，提高了資源采出率，解放了建（構）筑物下煤炭資源，并實現無煤柱開采。通過實施該項技術，可多回收煤炭資源76.7Mt，按照240萬t/a的設計生產能力，將延長礦井服務年限32年，為礦井和地方發展帶來了巨大的經濟社會效益。

（作者單位：山西長治經坊煤業有限公司）

（責任編輯：周瓊）