綜采工作面綠色充填開采技術的實踐應用

張峻源

（山西蘭花集團莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048027）

1 莒山礦及其9101 工作面概況

莒山礦目前所采的3 號煤剩余設計可采儲量不足1 000 萬t。該煤層屬于低硫、高發熱量優質無煙煤，屬稀缺資源，具有非常高的經濟效益。現階段正進行底層復采，年產量維持在50 萬t 左右，無法達到核定生產能力。下組9 號煤設計主要采區為901采區、902 采區和903 采區，共布置22 個工作面，該煤層屬高硫煤，煤層薄，單獨開采9 號煤層無可觀的經濟效益、達產困難，還將遺棄3 號煤層優質資源；單獨開采3 號煤層，9 號煤層建成無法投產。為實現礦井高效可持續發展，在9 號煤工作面采用綠色開采技術，保留3 號煤層回采工作面。采用充填技術，對9 號煤層綜采工作面進行充填開采，可以實現以下目標：一是可以解決3 號煤層和9 號煤層矸石處理問題；二是可回收更多的3 號煤棄滯資源，延長礦井服務年限；三是響應綠色開采政策，達到以矸換煤、提高煤質、生態創效的目的，實現資源開發利用最優化和生態環境影響最小化。

9101 工作面設計長度200 m，推進長度為660 m，開采高度1.5 m。煤層傾角6°～8°，采用綜采工藝，膏體充填采空區管理頂板。工作面所采的9 號煤層頂板以泥巖、砂質泥巖、粉砂巖為主，據山西省煤炭工業局綜合測試中心2011 年4 月24 日對莒補3 號鉆孔煤層頂板測試資料，9 號煤層頂板為泥巖時，普氏硬度系數為2.3；抗壓強度為20.0～26.4 MPa，平均22.8 MPa，屬中等堅硬巖石；抗拉強度0.7 MPa；凝聚力系數4.0，內摩擦角31°34′。底板多為泥巖，局部為砂質泥巖。

2 充填開采技術確定

莒山煤礦采取充填開采主要是以消化矸石、提高煤質、減少頂板下沉、以矸換煤為主要目的綠色開采方式。由于采用綜采工藝，所以應用長壁綜采架后充填技術。綜采架后充填方式主要有綜采密實固體矸石充填系統和綜采泵送膏體充填系統等方式[1-3]，莒山煤礦充填主要以消化地面矸石，以矸換煤，控制頂板下沉為目的，對于提出的密實固體充填和泵送膏體充填兩種綜采充填開采方案，前者充填工藝及設備相對較為簡單但井下矸石運輸環節復雜，且占用空間較多；后者泵送膏體充填為在地面設置攪拌站對膠結料和矸石攪拌混合后通過管道輸送至采空區進行充填，工藝及設備相對較復雜，但井下工序簡單。結合莒山礦實際情況，考慮投資估算與經濟效益綜合情況，確定采用綜采泵送膏體充填技術。

3 充填開采技術

3.1 技術原理

綜采泵送膏體矸石充填通過專用充填支架實現架前開采和架后充填同時進行，以高強度充填體支撐頂板，降低采場地應力和巷道支護成本[4-5]；根據情況可選用帶前移機構的支架，在架后膏體凝固時間內盡量不影響前方采煤，提高采煤效率。通過對開采空間進行高密度全部充填，避免采空區頂底板垮塌，漿料跟矸石在地面混合攪拌后經工業充填泵經斜井或鉆孔下井，通過管道輸送至井下工作面上方充填至采空區。實現對地表及建構筑物等進行保護的目標。

3.2 采煤工藝

9101 采區工作面開采9 號煤層，選用薄煤層綜采工藝，泵送膏體矸石充填管理頂板。

充填工作面實行“采煤—充填（凝固/檢修）”交替進行的高效作業方式，采用“四六”工作制度，兩班生產，兩班充填。循環進尺0.8 m，生產班每班進三刀，充填步距2.4 m。

工序流程為：割煤→移架、伸后掩護梁→推移輸送機→割煤→移架→推移輸送機→（重復上述工序）；重復上述采煤工序達到充填步距（2.4 m）后作充填準備工作，準備好后充填班充填，充填結束后清理工作面并作割煤準備，一個大循環結束。

3.3 充填工藝

按照綜采工藝流程完成割煤、移架、推溜，達到充填步距后，進入膏體充填工藝階段。其主要工藝過程如下：

1）充填準備。工作面充填隔離墻的構筑。為了保證充填的接頂效果，需要對充填區進行密封隔離，使其完全是“封閉”的空間，為膏體充填提供前提。通過專用充填支架后掩護梁下自帶擋板配合木板、彩條布（編織袋）等進行充填區域隔離。

工作面充填管布置。工作面充填管布置在充填支架的前、后立柱之間，鋪設在支架底座上，充填布料管頭要與充填支架處的專用充填布料閥口聯接，并用鐵絲綁牢。

2）檢查準備。主要檢查充填管路的閘閥是否處于開啟狀態；布料管閥是否處于關閉狀態；工作面布料閥（三通閥）門檢查（打開）；報告充填站，確定是否進行充填。

3）膏體充填階段。主要步驟為：管道充水→煤泥漿推水→矸石漿推煤泥漿→正常（輪流）充填。

4）煤泥漿推矸石漿。當充填矸石漿達到設定充填量之后，配制少量的煤泥漿，將矸石漿推出管路，確保管路清洗時，清洗水不與矸石漿混合。

5）水推煤泥漿。當煤泥漿量能夠確保將矸石漿全部排出管路后，向料漿斗中放入清水，當工作面見到煤泥漿時，關閉所有布料管閘閥，打開工作面管閘閥，通過排水管路，將管路清洗水排入排水巷。

6）壓風推水管道清洗。排水管排出清水后，停止泵送清水，利用壓風把管路內的清水及其他遺留大顆粒吹出充填管，完成管道清洗工作。

3.4 運輸系統

運輸順槽設計選用兩部DSJ100型可伸縮帶式輸送機擔負煤炭運輸任務。每部最大運輸距離800 m，采區傾角-3°～-5°，平均-4°。配用2 臺功率為55 kW的電動機。

膠帶運輸大巷長1 890 m，設計選用兩部DTL100/63/132×2型帶式輸送機運輸煤炭，每部運輸距離945 m，傾角0°～5°，平均3°，電機功率132 kW×2；集中運輸巷長221 m，傾角0°～2°，平均1°，設計選用1 部DTL100/63/55型帶式輸送機運輸煤炭，電機功率55 kW。

1）輔助運輸：井下軌型30 kg/m，軌距600 mm，設計選用調度絞車和無極繩連續牽引車和調度絞車相互配合完成井下輔助運輸任務。設計軌道運輸大巷輔助運輸方式采用無極繩連續牽引車牽引系列礦車運輸，運輸距離2 000 m，傾角0～5°，平均3°。設計選用一部SQ-80型礦用無極繩連續牽引車（單軌運輸），擔負全礦井材料、設備等輔助運輸任務。

2）膏體輸送：膏體自地面制備站通過地面管道到主斜井下井，自主斜井至9 號煤軌道大巷至9201面回風順槽至采空區。

3.5 管道防堵措施

為防止充填過程中管路擁堵而影響充填效率，設計了長距離管道滿管自流清洗系統、充填干線管自動排污系統、管道流量自動調節系統。

1）長距離管道滿管自流清洗系統。由于充填管道有垂直段，可以利用垂直段高壓水流成為清洗管道的動力，滿管自流自動控制工藝閥原理主要利用垂直段水的壓力與液壓泵站的關系設計，系統可自動或人工開啟。

2）充填干線管自動排污系統。干線管排污閥在充填干線管需要沖洗時可切換到排污管口，使充填干線管里的廢棄物從排污管口排走；在正常充填時切換到充填管口，完成充填工作。膏體充填干線管排污閥包括閥體，閥體的上部和下部設置有與充填干線管相連通的進料口和出料口，進料口與出料口之間的閥體內部設置有可橫向移動的閥塊，閥塊上并排設置有充填管口和排污管口，進料口與充填管口或和排污管口相連通。閥體的兩側對稱設置有兩個液壓缸，液壓缸內的活塞桿朝向同一側，活塞桿的端部與固定在閥塊端部的連接桿相連接。充填管口靠近連接桿設置，充填管口的上端口可與進料口密封連接，下端口可與出料口密封連接；排污管口呈直角形，排污管口的上端口可與進料口密封連接，下端口的朝向與活塞桿的朝向相反。

3）管道流量自動調節系統。膏體充填管道清洗流量調節控制閥包括液壓缸，液壓缸體中部開設有進料口與出料口，進料口與出料口相對應，進料口和出料口兩側的缸體長度大于進料口和出料口的內徑。液壓缸內設置有活塞，活塞將液壓缸隔成大腔和小腔兩個腔室，活塞桿位于小腔內并穿出液壓缸端部，活塞的長度為進料口和出料口內徑的2 倍，活塞的一端為活塞柱結構，另一端開設有與進料口和出料口相適配的通孔，大腔和小腔開設有液壓油口，液壓油口通過管路與液壓系統相連接。活塞上的通孔靠近小腔一側，活塞柱位于大腔一側；當活塞位于液壓缸的左端時，活塞上的通孔正好將進料口和出料口連通，當活塞位于液壓缸的右端時，活塞柱正好將進料口和出料口堵死。液壓系統包括油箱，油箱通過管路與油泵連接，油泵通過管路與三位四通電磁閥的第一接口相連通，三位四通電磁閥的第二接口通過管路與液壓缸的大腔相連通，三位四通電磁閥的第三接口通過管路與液壓缸的小腔連通，三位四通電磁閥的第四接口通過管路與油箱相連通。

4 結語

莒山礦9101 綜采工作面充填技術的研究，主要涉及泵送膏體充填技術的選用，充填開采技術原理、采煤工藝、充填工藝、運輸系統，防堵系統等，在后期的開采中，應該根據實際情況制定詳細的開采技術措施，以滿足工作面綠色、安全、高效開采要求。