中厚煤層回采工作面充填開采與效果分析

師云龍

(霍州煤電集團 辛置煤礦，山西 霍州 031412)

1 工程概況

10-429工作面位于辛置煤礦東四左翼采區，主采10號煤層，煤層均厚為2.62 m，平均傾角為2°。煤層直接頂為泥巖和9號煤層的互層，厚度為2.7～3.6 m，均厚為3.4 m，基本頂為K2灰巖，厚度為6.6～8.0 m，均厚為7.0 m，煤層底板為砂質泥巖和細砂巖。工作面采用綜合機械化開采，開采高度為2.6 m，循環進尺為0.6 m，由于工作面對應地面位置處存在村莊及建筑物，擬采用充填開采進行頂板管理，有效控制地表下沉，本文對充填開采工藝進行研究。

2 充填開采技術

2.1 充填材料確定

目前在充填開采時，采用的充填材料主要有水砂充填、膏體充填、矸石充填和高水及超高水充填材料。水砂充填能夠有效控制地表移動，但是該種材料具有充填系統復雜及成本高的缺點；矸石充填技術同樣具有穩定性好的優點，但井下的矸石供應量不能滿足充填量的使用，且設備的投資較高；膏體充填開采具有采出率高、安全性好的優點，但其充填初期投資和成本均較高；超高水材料進行充填不僅具有成本低、工藝簡單及操作方便的特征，同時能夠保障充實率，有效控制住地表沉降。因此，確定采用超高水材料進行充填。

本次使用的超高水充填材料主要由A料和B料組成，其中A料主要由石膏、鋁土礦及緩凝劑A組成；B料主要由石灰、復合緩凝劑B及石膏等組成。在使用時將A料和B料1∶1混合后生成超高水材料，根據相關實驗數據[1-2]，能夠得出超高水材料含水率在91%～97%范圍內，不同養護時間下的抗壓強度如圖1所示。

圖1 超高水材料不同養護時間下抗壓強度曲線

由圖1可知，超高水材料在不同含水率下的抗壓強度表現為相同的趨勢，材料在0～150 h的抗壓強度處于較快增長的階段，當養護時間多于150 h后，抗壓強度的增長速度逐漸變緩，當養護時間多于350 h時，材料的抗壓強度基本不再發生變化。同時能夠看出，材料隨著含水率的降低，在相同的養護時間下，抗壓強度逐漸增大，最大抗壓強度達到5.1 MPa。

根據實驗可知，該種超高水材料在不同養護時間下的體積應變基本一致，且體積應變值會隨著材料含水率的降低而逐漸降低。

綜合上述分析可知，該種超高水材料具有早期硬化快和早期強度高的特點，材料抗風化能力相對較弱，但采空區內基本為封閉潮濕的環境，故可知該材料為一種較為理想的充填開采材料。

2.2 充填方法與工藝

結合眾多工程現場的實踐經驗[3-4]以及工作面的具體情況，確定本次充填作業采用全袋式充填，當袋內的材料凝固后會對區段煤柱以及采空區內的上覆巖層形成一定程度的支撐。

基于袋裝超高水材料充填技術，結合工作面的布置情況及地質條件進行充填施工工藝設計：充填系統主要包括漿體制備、漿體輸送、混合清洗、工作面充填、供水供電和通訊系統。充填工作面內設置5個充填進漿口，掛設5個充填包，從回風巷向進風巷方向依次編號為1～5號，每個充填包之間間隔15架支架，每個充填包設置兩個二次充填直通，直徑為76 mm，每個充填包的長度為22.5 m，每當工作面推進1.8 m時，進行一次充填作業，充填材料使用含水率為92%的超高水材料，具體充填環節如表1所示。

表1 工作面充填作業環節

注：“▲”代表滿包；“全”代表閥門全開；“半”代表閥門半開

在工作面回采過程中，其具體充填工藝流程如下：

1) 在一個充填循環結束后，進行采煤機的割煤作業，從工作面端頭進行兩刀煤的割煤作業；

2) 在進行第三刀煤的割煤作業時，進刀方式采用中部進刀，進行中間1號充填袋22.5 m范圍的割煤作業，割煤完成后，在充填支架下的擋板下掛設充填袋，隨后進行充填作業，此為一個充填循環的第一階段；

3) 一階段充填完成后，繼續進行割煤作業，進行2號、3號充填袋的充填作業，并同時對1號充填袋內漿體的凝固程度進行檢測，此為一個充填循環的第二階段；

4) 二階段充填完成后，進一步進行4號、5號充填帶區域的割煤作業，隨后進行兩個充填袋的充填作業，此為一個充填循環的第三階段；

5) 第三階段充填完成后，即完成了工作面區域5個常規充填袋的充填作業，為保障充實率，在該區域后方進行二次充填作業，以提高充填效果。

具體一個充填循環充填作業布置平面如圖2所示。

圖2 工作面充填循環作業流程平面

3 現場實測效果分析

3.1 充填體受力分析

在充填作業時，為分析充填的效果，在工作面上部、中部和下部分別布置2個觀測站，具體在2號、8號、22號、32號、50號及54號支架處布置充填體壓力觀測站，采用壓力傳感器進行充填體受力的監測，根據監測結果，分析充填體受力情況。現以2號、32號和54號支架測點為例，充填體受力曲線如圖3所示。

圖3 工作面不同區域充填體受力曲線

由圖3可知，充填體在靠近兩回采巷道位置處的受力小于中部充填體的受力，不同位置處充填體的受力隨觀測時間的變化曲線基本一致，均表現為先增大、后減小至零，隨后受力再逐漸增大，最后充填體的受力達到穩定狀態，其中曲線中充填體受力減小為零的主要原因為此時充填體區域剛剛進入采空區內部，此時充填體與頂板接觸不實，導致頂板的壓力無法向充填體內傳遞，所以表現為監測得到充填體的受力數值為零。另外能夠看出充填體最大受力小于3.0 MPa，未超過92%含水率的極限承載能力4.5 MPa，充填體的受力較為正常。

3.2 地表沉陷分析

在工作面回采充填期間，在工作面對應的地表區域設置地表沉降監測點，在工作面區域四個方向分別布置4條測線，具體為北線、南線、東線和西線，其中北線3號點下沉量相對較大，西線5號點下沉量最小，具體以該兩點進行分析，如圖4所示。

由圖4可知，工作面回采充填期間，在2018年11月25日～2019年3月30日期間，地表下沉主要出現在2018年11月25日～2019年2月10日的范圍內，隨后，隨著工作面充填開采的進行，最大下沉速率基本達到穩定狀態，下沉量基本達到穩定，地表區域的最大下沉量為0.21 m，有效控制了地表的沉降。

圖4 工作面充填回采地表沉降曲線

4 結 語

根據10-429工作面具體位置和地質條件，選擇超高水材料為充填材料，對工作面進行了充填開采，通過對充填開采期間的效果監測，地表沉降最大量為0.21 m，有效控制了地表的下沉，充填效果顯著。