岱莊煤礦膏體充填綠色開采技術實踐

楊賢江

（淄博礦業集團有限責任公司，山東 淄博 255120）

岱莊煤礦為核定生產能力300萬t/a的大型煤礦，礦井位于濟寧市城區北部，井田內地面建（構）筑物密集，地面村莊壓煤80%。自2000年建成投產以來，一直采用條帶法進行建下壓煤開采，目前已有條帶煤柱50多個，累計條帶煤柱可采儲量已達1100萬t，造成了井田內有限的煤炭資源呆滯浪費。為回收建下遺留條帶煤柱，延長礦井服務年限，岱莊煤礦與中國礦業大學等單位合作，進行矸石膏體充填開采技術研究，建立了一套以矸石、粉煤灰、建筑廢棄物為主要原料的膏體充填系統，回收條帶開采遺留的煤柱。將矸石、粉煤灰、水泥、建筑廢棄物等固體廢物制作成膏狀漿體，從地面通過充填泵經充填主管路和工作面充填管路及布料管等管件充填采空區，置換采出煤炭資源，使地表變形始終保持在建（構）筑物安全的允許范圍內。

1 充填設備及管路配置

1.1 充填設備

膏體充填系統地面充填站主要設備為：巴哈斯-桑索霍芬（天津）機械有限公司生產的DKXS2.50型雙臥軸槽式攪拌機；德國普特斯邁斯特公司生產的KOS25100HP型充填泵，最大輸送壓力可達12MPa；井下2351充填工作面采用ZC5600/17/32型充填液壓支架。

1.2 充填管布置

充填管路由主充填管路、工作面充填管路（工作面充填管路由布料閥、萬向節、工作面充填管連接組成）、布料管組成。2351工作面充填系統中，把鋪設在順槽內的充填管稱之為主充填管；進入工作面的管道稱之為工作面充填管；從工作面充填管每隔一定距離經布料閥變向，向充填區域噴送料漿的充填管稱之為布料管。

工作面長度103m（軌順下幫至皮帶上幫）安裝支架66個，面上注漿點6個，分別布置在12#、22#、32#、42#、52#、62#支 架 上。1#管 路Ф245×22mm，共974m，2#管路Ф245×20mm，共1160m。工作面Ф150×10mm充填管100m，Ф150×10mm布料管20m。

在每個設置布料管的地方接一個閘閥。在主充填管上，在立管底、沉淀池、軌順等多個地點也安裝帶有壓力監測的閘閥，壓力監測數據可傳輸到地面集控室，實現實時監控。

2 膏體充填采煤工藝

根據2351膏體充填工作面地質資料結合2351膏體充填工作面的充填開采經驗進行綜合分析，確定2351膏體充填工作面采用綜采一次采全高，采空區采用矸石膏體充填控制頂板。在工作面頂板完整的情況下循環步距按割4刀進行生產組織，頂板破碎時根據頂板完整性及壓力情況及時加強支護或補充措施。

膏體充填開采施工工藝，頂板完整時：掛網→割煤（2刀）→掛網→割煤（2刀）→隔離→充填（支護頂板）→凝固檢修（支護頂板）。

頂板破碎時：掛網→割煤（2刀）→掛網（打設錨桿支護頂板）→割煤（2刀）→隔離→充填（打設錨桿支護頂板）→凝固檢修（打設錨桿支護頂板）。

3 待充填區支護工藝

（1）頂板完整，面前掛菱形網，面前頂板不打錨桿托鋼帶支護頂板時待充填區內支護方式如下：

① 工作面使用帶有支護裝置（橫梁）的充填支架，隨著支架的前移，橫梁一頭擔在支架后切頂線上方，另一頭擔在膏體墻上方，對待充填區形成有效的支護。

② 發現待充填區內頂板上的菱形網有破損時必須及時補網。

（2）頂板破碎，面前掛菱形網，面前采取打錨桿托鋼帶支護頂板時待充填區內支護方式如下：

① 頂板破碎不完整時，采取割煤兩刀后在面前平行于煤壁打設一排錨桿托鋼帶對頂板加強支護的方式進行施工。錨桿采用Ф18×2300mm無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿，每孔用樹脂藥卷MSZ2350兩支，根據現場頂板巖性情況，確定合理間排距，及時根據現場情況編制措施。采用2200×60×3.8mm型鋼帶，鋼帶平行于工作面布置。采用10#鐵絲制作的1700×5000mm 菱形網。

② 在頂板破碎處及溜幫嚴重的地段在面前采取打設錨索加強頂板支護頂板。錨索采用Ф15.2mm的低松弛預應力鋼絞線截制而成，長度為4500mm，每條錨索梁兩條錨索線，每孔裝入樹脂藥卷MSZ2350三支。錨索梁采用礦10#槽鋼加工制作而成，梁長2000mm，兩錨索孔間距為1500mm。

（3）發現待充填區內頂板上的菱形網有破損時必須及時補網。

4 待充填區隔離施工工藝

4.1 支架與底板之間的隔離

在緊貼支架底座后部，平行工作面挖一條寬×深=200×200mm的地溝，然后把隔離布（長×寬=20×5m）的一端埋入挖好地溝內，另一端鋪設在支架頂梁與頂板之間。

4.2 支架與頂板之間的隔離

（1）頂板完整時的隔離方法：首先降下支架（支架的降落高度不大于400mm）把塑料布的一端（約500mm）鋪在支架頂梁上，然后再在塑料布上面鋪上隔離材料，最后升起支架，密封好支架與頂板之間的空隙。塑料布的另一端埋入已經挖好的地溝內。

（2）頂板破碎時支架不能落架時的隔離方法：首先把塑料布的一端（約500mm）纏在3m長的半圓木上，然后在塑料布上面鋪上隔離材料并與半圓木固定好，防止隔離材料脫落，最后用圓木柱（高度適宜、材質合格）托半圓木支撐在頂板上，圓木柱不少于3棵并用木楔背實。塑料布的另一端埋入已經挖好的地溝內。

4.3 支架與支架之間的隔離

檢查支架與支架之間是否有間隙。若相鄰支架之間有間隙，可以通過支架側護板進行調整。若相鄰支架之間的間隙較大，打開支架側護板后仍不能滿足隔離要求，必須在相鄰支架之間塞入隔離材料后再打開側護板，并在支架尾梁后吊掛草苫，保證相鄰兩支架之間隔離嚴密。

4.4 兩端頭的隔離施工方法

（1）底板的隔離方法：在隔離位置的底板挖一條300×300mm的地溝（必須挖到實底），然后把隔離布一端埋入地槽內，埋設塑料布的長度不小于300mm。

（2）頂板的隔離方法：在打設隔離墻位置的頂板上吊掛好雙層草苫，草苫用鐵絲固定到頂板錨網上。在草苫下方鋪設雙層隔離布，隔離布回頭的長度不小于1m，并用鐵絲固定到頂板草苫和錨網上，固定點間距不大于0.3m，固定點不少于兩排，保證固定點牢固可靠。

（3）隔離模板與煤壁之間的隔離方法：首先把隔離模板與煤壁接觸處的煤壁找平找直，然后在煤壁上吊掛不少于兩層的草苫，保證草苫與煤壁接觸嚴實，最后把模板的一端緊貼草苫擺放好，保證模板與草苫的接觸嚴實。若煤壁松軟，必須在隔離模板與煤壁結合處內側緊貼煤壁和隔離墻垂直頂底板放置高度合適的木板或者半圓木，木板或半圓木必須用鐵絲固定在煤壁上，然后在木板或半圓木外側吊掛雙層草苫和隔離布。

（4）隔離模板與支架之間的隔離方法：首先在支架上吊掛不少于兩層的草苫，保證草苫與支架接觸嚴實，然后把模板的一端緊貼草苫擺放好，保證模板與草苫的接觸嚴實。

（5）緊貼模板打設一排單體液壓支柱擋住模板，柱距不大于200mm，單體液壓支柱底部打在連體柱鞋上，頂部打在半圓木上，且保證單體液壓支柱的初撐力不小于11.5MPa，嚴禁使用失效的單體支柱。

5 充填工藝

（1）管道注水

打水潤濕管路階段，不用開泵，可以利用重力作用，通過水自流的方式達到對管路內壁潤濕的目的，一般注水時間為30min。

（2）灰漿推水

灰漿推水階段，灰漿為過渡漿體，起隔離水與矸石漿作用，防止矸石漿與水見面產生離析?；覞{由粉煤灰、水泥和水三種物質配比而成，濃度設定根據粉煤灰性質不同而有所變化，目前濃度設定為56%左右，坍落度為270mm左右，可泵時間4h，16h后膏體強度為0.1MPa。根據管路長度，灰漿量設定為60m3。打灰漿時間為30min左右。

（3）矸石漿推灰漿

矸石漿為主打漿體，主要由煤矸石、粉煤灰、水泥和水四種物質配比而成，目前濃度設定為72%左右，根據矸石顆粒變化情況和粉煤灰變化情況上下浮動，使矸石漿體始終處在合適的坍落度范圍，保證其具有良好的流動性能，而又不發生離析。矸石漿坍落度在260mm左右，可泵時間3h，16h后膏體強度為0.14MPa。

（4）灰漿推矸石漿

作用同（2），灰漿量設定為60m3。打灰漿時間為30min左右。

（5）水推灰漿

此階段打水目的用于清洗管路，為下一個循環充填做好準備。打水要一直到管路出水較干凈為止，說明干路內壁已清洗徹底，時間一般為50min。

（6）打風

打風一方面在于吹出管路內打水階段無法沖出的碎小石子，另一方面吹出管路內的存水，吹干管路內壁，防止銹蝕管路，以延長管路使用壽命。打風至管路內不再出水為止，時間約為2h。

6 充填情況

自2009年12月23日以來，2351工作面已經充填開采完畢，充填膏體280450m3，消耗矸石105375m3，置換出原煤420280t。膏體充填整體運行平穩，無嚴重漏漿和堵管事故發生。充填體拉架后自穩較好，無變形塌落現象，且接頂良好，有效地支護了頂板。

7 結語

（1）采用充填開采能夠提高煤炭采出率，把原來無法回采的條帶遺留煤柱回收，提高煤炭的回收率。

（2）采用充填開采提高了開采安全性，能有效控制開采過程中頂底板的穩定性，防止頂底板突水，防止頂板冒落事故。

（3）延長了礦井服務年限，通過充填技術，可提高岱莊煤礦服務年限10年以上，為企業創造出更多的經濟效益。

（4）充填開采后可實現土地不塌陷，地面建筑物不破壞，村莊不用搬遷，同時可以消化矸石，地面不用設置矸石山場地，有利于環保，真正實現了綠色開采。