薄煤層架后安全高效充填開采技術研究

文/王志法　姚玉蒙

薄煤層架后安全高效充填開采技術研究

文/王志法姚玉蒙

針對新汶礦業集團各礦十三層煤薄煤層開采單產低、生產成本高、經濟效益差，以及由于“三下”壓煤，使得滯留煤柱煤量過大，煤炭損失嚴重等問題，同時，由于大量矸石的排放增加了礦井水平大巷及副井的提升壓力，且造成地面污染等原因，山東良莊礦業公司對薄煤層架后安全高效充填開采技術進行研究，更新設計理念，改變落后工藝，利用綜采支架后泵送矸石膏體充填的方法，達到高產高效的目的，解放了“三下”壓煤難題，延長了礦井服務年限，產生極大的經濟和社會效益。

一、地質與生產條件概況

1.井上下概況

31304充填試驗面南東起三采十三層軌道上山、北東至F15斷層，上鄰三采總回風巷，下鄰31305回采工作面（正在回采），試驗面埋深459.4～522.1m，對應地面在近格莊下方及南北兩側。地表有民房建筑、農田。工作面長135m，推進長度786m左右，沿煤層走向布置，仰斜推進。

2.工作面煤層及圍巖地質情況

工作面主采13層煤，煤層厚1.14～1.67m，平均1.46m，純煤厚平均1.06m。直接頂為厚6.24m左右的石灰巖，底板為厚9.0m左右的粉砂巖。據臨近工作面的開采情況可知，直接頂和老頂具有較好的穩定性，老頂可起到采空區開放式充填條件下的關鍵層作用。

3．試驗面生產技術狀況

工作面采用傾斜長壁采煤法，綜采一次采全高回采工藝。膏體材料充填法處理采空區，本面采用雙滾筒采煤機雙向割煤，往返一次進兩刀。雙滾筒采煤機自開缺口，端頭斜切進刀方式。斜切進刀要有足夠的長度，以前一滾筒為準，不少于25m。工作面運煤巷、軌道巷和切眼均沿煤層頂板掘進，巷道均采用錨帶網+錨索支護。

二、膏體材料采空區充填方法簡介

良莊煤礦采用膏體充填，以煤礦的煤矸石作為骨料，水泥作為膠凝材料，粉煤灰作為漿體流動性能改良劑，且水泥：粉煤灰：煤矸石= 1∶2∶20(質量比)，充填料漿濃度為75%。實驗表明，該充填材料質量濃度達80%以上，料漿不沉淀、不沁水、不離析，流動性能好，早期強度高、同結體不可壓縮、承載性能好、凝結時間短，凝結后強度高，非常適應于井下大體積空間(如采空區、廢棄巷道等)的充填需要。

根據31304工作面地質條件，13層煤頂底板變化規律，經過多方案優化后，該工作面最終確定采用包式充填法。在待充填區域上下兩端頭打設隔離墻，把整個充填區密閉。充填前，首先調整支架保證支架平直并及時伸出側護幫，保證工作面支架控頂區與待充填區之間構筑一道隔離墻。其次，在工作面軌道巷和皮帶巷采用單體支柱配合隔離木板進行支護，在工作面上、下兩巷控頂區與待充填區之間構筑一道隔離墻，形成一個封閉的待充填空間。為了防止漏漿、跑漿，在支架后吊掛塑料編織簾(20m× 4m)，塑料編織簾的一端與軌道巷煤幫相連，另一端與皮帶巷煤幫相連；塑料編織簾的上端固定在支架頂部與頂板之間，下端固定在支架底座部與底板之間。向架后采空區內直接注入膏體充填材料，凝固后對上覆巖層進行直接支撐。

三、膏體充填工藝系統

良莊煤礦31304工作面泵送膏體充填系統采用國內先進的泵送充填技術，其主要充填系統包括以下三部分:

1．配料制漿系統

配料制漿系統把煤矸石、粉煤灰、工業爐渣、膠結料和水配制成膏體充填料漿。

2．泵送系統

泵送系統采用充填泵把膏體充填料漿通過充填管路輸送到采煤工作面。

3．工作面充填子系統

工作面充填子系統將膏體材料充填到后方采空區。

四、充填開采效果評價

試驗表明，膏體材料充填開采能有效控制采空區覆巖的活動和地表的沉陷。工作面面的礦壓觀測包括地面觀測和工作面觀測。

1．地面觀測結果

工作面充填開采結束一年多的地面觀測表明，地表沒有發生明顯變化。說明采空區充填后上覆巖層得到有效控制，開采對地表的影響很小。

2．工作面觀測結果

31304膏體充填工作面為良莊煤礦的首個充填工作面，對工作面4#架、12#架、21#架、29#架、37#架、46#架、54#架、62#架共安裝了8臺監測分機對綜采支架初撐力、工作阻力進行連續監測。每個監測分機上的三個壓力監測通道分別安裝在支架左柱、右柱、前梁的高壓腔，以監測它們的壓力變化情況，儀器的安裝在支架安裝的同時或在開采前進行。

從各分站監測到的綜采支架工作阻力變化曲線可以看出，未充填段末期液壓支架受力明顯增大，其它充填階段液壓支架受力都比較平緩；液壓支架受力沒有周期性的增大現象；隨著采空區得到及時充填，液壓支架承受的平均載荷也有所降低。可見，在充填開采條件下，工作面沒有出現周期來壓現象，工作面上覆巖層活動因采空區得到及時充填而減緩。另外，從膏體材料的滲透和同結情況來看：膏體材料漿液可滲透并固結采空區周巖中幾乎所有導通縫隙；固結體密實度高，凝固狀況良好，在三向受力狀態下對采空區上覆巖層起到了有效的支撐作用。

綜上所述，膏體充填材料因其具有良好的流動性和可灌注性使采空區及其上覆巖層中幾乎所有導通縫隙都被充填密實，使整個采空區形成了一個穩固的支撐上覆巖層的承載體系。另外，據最近一次地表測量可見，充填開采后地表最大下沉量不到200mm，地表建筑物沒有出現明顯裂紋，充填開采取得了良好的效果。

五、經濟和社會效益

1.極薄煤層工作面高效開采技術研究成功，可大幅度提高工作面單產，提高安全系數，技術成熟后可在全國范圍內推廣應用。

2.與傳統開采方法比較，采用膏體充填回收條帶煤柱，新采區采用膏體充填全部充填開采，累計可多采出煤炭1651.6萬t，延長礦井服務年限8.5年。實施膏體充填還可以節省開拓巷道、回采巷道掘進費用，減少礦井矸石、粉煤灰、礦井水處理費用，據初步計算，良莊煤礦條件下膏體充填節省費用10.93～25.33元/t。

3.良莊煤礦矸石膏體充填回收條帶煤柱技術試驗成功以后，全礦推廣應用，新采區建筑物下開采可以采用長壁充填工作面，所產生的地表沉陷與變形預計只有現行條帶開采的40%～50%，地表村莊建筑物可以得到良好保護，受損在I級損壞范圍內。該技術可以推廣應用于淄礦集團許廠、唐口和葛亭等煤礦，使濟北礦區各礦村莊建筑物壓煤問題得以根本解決，同時也可推廣應用到全國其他礦區“三下”壓煤開采，對促進我國煤炭行業技術進步和綠色礦山建設有重大作用和意義。

六、結語

膏體材料充填開采技術無疑是綠色開采技術的重要組成部分，是解決煤礦“三下”壓煤開采的理想途徑。膏體充填工藝較當前任何一種充填方式都有明顯優點，但膏體充填材料是剛研制出來的新材料，在技術方面、矸石儲運環節還有很大的拓展空間，在效率、效益等方面還有很大的提升潛力。相信，隨著該技術的不斷完善，它將會在許多領域與方面發揮更大的作用。

（作者單位：山東良莊礦業有限公司，山東能源新汶礦業集團）

（責任編輯：龐永厚）