常村煤礦CTN3-01工作面膏體充填開采技術應用與研究

王虎偉

(潞安環能股份公司 常村煤礦，山西 長治 046000)

隨著煤炭資源的枯竭，“三下”壓煤嚴重制約我國煤礦的可持續發展，并且在開采過程中排放大量煤矸石造成環境破壞[1]。而膏體充填開采技術不僅能解決“三下”大量壓煤開采問題，也是解決煤矸石外排的有效途徑，因此得到了廣泛的應用[2]。膏體充填技術是將破碎矸石、粉煤灰、劣質土等固體制成不需脫水的膏體狀漿體，在充填泵加壓和重力的雙重作用下通過管道輸送至充填工作面，待工作面煤炭資源采出后，將膏體適時充填至采空區，待膏體凝固后形成一定的強度，以最大限度地減少地表沉陷，進而釋放“三下”煤炭資源儲量，延長礦井服務年限，是一種綠色、環保的采礦技術[3]。

膏體技術經過多年的探索與實踐，在深部礦山、富水礦山、礦巖破碎礦山以及高應力礦山均取得了良好效果。另外，我國在尾砂濃密、管道輸送、膏體采場性能、新材料開發以及工程實驗室建設方面也取得重大突破。目前膏體技術研究逐漸趨向于智能化和精細化，進而實現膏體的高質量制備、降低充填成本以及系統運行的可靠性[4]。結合常村煤礦基本開采條件，提出了適合常村煤礦膏體充填開采的應用技術。

常村煤礦煤炭資源經過多年開采，可采儲量大幅減少，大量“三下”煤炭資源被壓占而無法得到有效開采，已嚴重影響到了礦井的開采部署和可持續發展。截止2020年12月底，常村煤礦可采儲量僅為7 102萬t，而“三下”壓煤量約1.4億t。為此，在3號煤層CTN3-01工作面進行膏體充填開采試驗，為后續村莊下采煤提供實踐指導，提高采出率、延長礦井服務年限。

1 常村煤礦膏體充填工藝簡介

常村煤礦膏體充填系統由地面充填站、充填管路和充填工作面組成。地面充填站位于礦井布置在矸石山北側的閑置場地；充填站附近布置一個充填鉆孔，內徑為450 mm，充填管路選擇為D273 mm×18 mm的無縫鋼管，制備好的漿體通過充填泵加壓和重力的雙重作用下經管道輸送至充填工作面。

充填系統可劃分為8個子系統，分別為：原料矸石供給子系統、成品矸石制備子系統、除塵子系統、膏體配比攪拌子系統、泵送子系統、充填管路子系統、充填專用控制閥子系統和智能化控制子系統。井下采用矸石基膏體充填開采方式，充填材料配比為煤矸石∶粉煤灰∶水泥∶水∶外加劑=1 319∶200∶100∶372∶2.5(kg/m3)，充填膏體質量濃度為81.34%.安裝2臺HGBS310.21.1420型充填工業泵，一用一備，最大輸送方量為256.2 m3/h，最大出口壓力為19 MPa。每臺泵配備電動機額定功率為4×355 kW，額定電壓為10 kV。

工作面采用條帶式充填采煤法，綜掘采煤工藝。工作面巷道布置兩條膠帶巷和一條回風巷。在回風巷兩翼布置巷道進行充填開采，利用兩套掘進機及配套設備進行條帶式開采，雙翼各分四階段進行采充循環。

2 CTN3-01工作面充填開采技術

2.1 工作面開采技術條件

CTN3-01充填工作面開采的3號煤層位于山西組的中、下部，為全井田可采。煤層總厚為5.68～6.2 m，平均厚度為5.92 m，局部發育兩層夾矸，平均厚度為0.05～0.15 m，煤層埋藏深度為403.7～459.2 m。3號煤層直接頂為泥巖，平均厚度為1.46 m；基本頂為粉砂巖，平均厚度為8.91 m；直接底為粉砂巖，平均厚度為1.45 m；基本底為中粒砂巖，平均厚度為2.02 m。工作面局部會遇斷層，整體呈東北高，西南低，為單斜構造。該工作面屬于承壓開采區域，突水系數為0.021 MPa/m。工作面長度為220 m，設計可采儲量為144萬t，生產能力為25萬t/a。

2.2 充填工作面巷道布置

CTN3-01充填工作面的運輸、通風、供電等系統均接入N3采區現有系統。工作面中部布置一條回風巷，在兩翼分別布置一條膠帶巷，形成兩進一回的通風方式。工作面總長度220 m，在工作面內部分南、北雙翼進行條帶式開采，布置兩個掘進面和一個充填面。在工作面南翼，回風巷高于S翼膠帶巷，將南翼掘進面垂直于回風巷布置，便于充填接頂。在工作面北翼，回風巷低于N翼膠帶巷，將北翼掘進面沿著等高線方向布置，使掘進面近水平布置，北翼掘進面與回風巷夾角為30°。另外，為便于條帶充填的洗管水外排，設置一條沉淀池巷，用于條帶充填的洗管水存儲空間。CTN3-01充填工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 CTN3-01充填工作面巷道布置示意(mm)

CTN3-01工作面雙翼開采，每個充填巷長度即為條帶巷的長度，南翼掘進面與回風巷垂直，條帶巷長度為105 m；北翼掘進面與回風巷夾角為30°，條帶巷長度最大為210 m充填工作面寬度即為條帶巷的凈寬，設計為5.0 m。設計全煤層進行充填開采，即采高確定為5.92 m。分為切眼和臥底兩步，切眼掘進高度為3.3 m，臥底高度為2.62 m。

2.3 充填工作面開采工藝

2.3.1 工作面采充工藝

利用礦方已有的兩套掘進機及配套設備進行充填工作面條帶式開采，采掘一體。雙翼各分四階段進行采充循環，每個階段采充3個條帶，一組循環共采充12個條帶巷；條帶巷寬5 m，一組循環總寬度為60 m。一組循環全部采充結束，再進入下一組循環。充填工作面雙翼采充巷布置如圖2所示。

圖2 CTN3-01工作面雙翼采充巷布置

1) 南翼采充順序：簡述為“A2采+A1充—A3采+A2充—B1采+A3充—B2采+B1充—B3采+B2充—C1采+B3充—C2采+C1充—C3采+C2充—D1采+C3充—D2采+D1充—D3采+D2充”。每組分為12條巷，首先在距離巷道聯巷15 m位置施工完第1條巷(A1巷)，作為首充巷；再在距離A1巷中20 m位置掘進第2條巷(A2巷)，同時對A1巷進行充填；A2巷施工完畢和A1巷充填完畢后，在距離A1巷中40 m位置掘進第3條巷(A3巷)，同時對A2巷進行充填；A3巷施工完畢和A2巷充填完畢后，在距離A1巷中10 m位置掘進第4條巷(B1巷)，同時對A3巷進行充填；……；依此類推，直至第一組的最后一條(第12條巷、D3巷)施工完畢，同時D2巷充填完畢。再進行下一組12條巷道的充填開采，直至南翼全部可采區域煤炭資源充填開采完畢。

2) 北翼采充順序：與南翼順序一致。但南、北兩翼巷道掘進開采時宜錯開一定距離，使開采相互交錯，避免交岔口應力集中。一個充填工作面僅設置一套充填管閥，南、北兩翼充填時應錯開一定的時間，一條巷道充填完畢后方可充填另一條巷道，使充填相互交錯有序的進行。

2.3.2 工作面采運工藝

CTN3-01工作面采用條帶式充填采煤法，綜掘采煤工藝。在工作面南、北兩翼各設置一個掘進面，采用掘進機進行割煤、落煤，采用刮板輸送機和可伸縮帶式輸送機進行運煤。

3 工作面充填工藝

根據CTN3-01工作面煤層賦存條件，為便于充填接頂，將南翼掘進面垂直于回風巷布置，北翼掘進面沿著等高線方向布置(與回風巷夾角為30°)。CTN3-01工作面采用“三八制”正規作業方式，即兩班生產+凝固、一班檢修+充填。全煤厚日進尺為18 m，日可采出煤量平均為757.6 t，形成待充填采空區體積為532.8 m3。確定工作面充填膏體的動壓力為15 MPa，充填系統能力為200 m3/h，有效充填時間為2.7 h，小于充填班8 h，滿足要求。

1) 南翼條帶巷充填工藝。南翼掘進面傾角2.4～7.4°，東部較緩，西部稍陡。膏體充填料漿一般靜止角為1～3°，所以條帶充填時其中下部可自然密實接頂，只是靠近回風巷時需補充接頂。南翼條帶巷充填分為4步，充填工藝如圖3所示。

圖3 CTN3-01工作面南翼條帶巷充填工藝

由于條帶巷中充填料面上升較快，使充填隔墻承受較大壓力，所以必須采取分次充填方式，確保隔墻穩定、作業安全以及充填接頂率。首先在條帶巷的膠帶巷端設置一個充填隔墻，進入首充階段，首充必須控制充填料漿在隔墻處的上升高度不大于1.75 m；待首充料漿凝固后再進入二充階段，二充充填至隔墻頂端，設計充填高度同樣為1.75 m；待二充料漿凝固后再進入三充階段，在條帶巷的回風巷端設置一個充填隔墻，三充可一次充填至回風巷端隔墻1.75 m位置；待三充料漿凝固后再進入四充階段，補充料漿至回風巷端隔墻頂部，至此完成整個條帶巷的充填工作。

2) 北翼條帶巷充填工藝。北翼掘進面沿著等高線方向布置，條帶巷與回風巷呈30°斜交布置，條帶呈近水平狀態，為保證充填接頂率，需采用分步充填，充填工藝如圖4所示。

圖4 CTN3-01工作面北翼條帶巷充填工藝

首先在條帶巷的兩端各設置一個充填隔墻，進入首充階段，首充必須控制充填料漿在兩端隔墻處的上升高度不大于1.75 m；待首充料漿凝固后再進入二充階段，先在充填上層的膠帶巷端30 m位置設置子隔墻，再進行充填；待二充料漿凝固后進入分段充階段，將余下未充的條帶巷上層，每隔30～40 m設置一個子隔墻，依次逐段進行充填，直至完成整個條帶巷的充填工作。接頂充填時，應適當降低充填料漿濃度，加大粉煤灰添加量，降低充填料漿輸送流量，從而提高充填料漿流動性和流平性，降低其靜止角，確保充填的可靠度和接頂率。所有充填作業過程中，當條帶巷一段隔斷后，應采用局部通風機對未充條帶巷進行局部通風，確保通風安全。

3) 充填工藝流程。充填準備—管道打水—灰漿推水—矸石漿推灰漿—正常(輪流)充填—灰漿推矸石漿—水推灰漿—打風。

4 CTN3-01工作面地表沉陷預計

常村煤礦CTN3-01工作面采用膏體充填后，理論上充填體的壓縮率為5%～10%，充填體的充填率不低于90%，充填前頂板的下沉量為0～100 mm?；谏鲜鰲l件分析，計算得出常村煤礦充填開采等價采高為541 mm。根據實驗和已有的關于膏體充填開采地表沉變形數據，確定3號煤層膏體充填后下沉系數取0.06，水平移動系數取0.3，主要影響角正切取2.1，拐點偏移距取0。計算得出膏體充填開采地表沉陷預計值見表1。根據預測所得地表沉陷數據，預計結果均低于磚混結構建筑物損壞等級I級規定的地表變形值[5-6]。因此，預計CTN3-01工作面全部充填開采完畢后，不會造成上方建(構)筑物產生I級以上的采動破壞。

表1 充填開采地表移動與變形極值

常村煤礦在3號煤層CTN3-01工作面膏體充填開采的應用與推廣，可以大幅提高礦井煤炭資源儲量的產出率，延長礦井服務年限，對后續村莊下充填開采具有實踐指導意義。另外，充填開采可以二次利用矸石，既可減少矸石堆放占用山地，也可有效避免煤矸石引起的大氣污染、水污染和土壤污染等問題。