新建煤業(yè)膏體充填開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用分析

李俊彥

(長(zhǎng)治市應(yīng)急管理綜合行政執(zhí)法隊(duì),山西 長(zhǎng)治 046000)

1 礦井概括

長(zhǎng)治新建煤業(yè)有限公司核定生產(chǎn)能力為120萬(wàn)t/a，批準(zhǔn)開(kāi)采3號(hào)、15號(hào)煤層，批準(zhǔn)開(kāi)采井田面積為4.411 1 km2，批采標(biāo)高1 020～710 m。礦井采用立、斜井綜合開(kāi)拓方式，目前主要開(kāi)采3號(hào)煤層，第一水平標(biāo)高910 m。礦井采用長(zhǎng)壁式綜采放頂煤，全部垮落法管理頂板，采用中央并列抽出式通風(fēng)。

2 充填開(kāi)采的必要性和可行性

2.1 3煤層資源情況

新建煤業(yè)3煤層?xùn)|南部補(bǔ)充勘探報(bào)告，估算井田內(nèi)3煤層?xùn)|南部保有資源儲(chǔ)量347萬(wàn)t。主要賦存于礦井南部和東部，大部分為村莊和大巷保安煤柱。

2.2 礦井充填開(kāi)采的必要性

礦井開(kāi)采多年，開(kāi)采形成的矸石占用土地，并造成環(huán)境污染。為實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采，消化矸石，提高資源回收率，解決村莊下壓煤，控制地表沉陷，給后續(xù)煤柱或建筑物下壓煤開(kāi)采提供借鑒經(jīng)驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)礦井合理有序開(kāi)采。

2.3 礦井充填開(kāi)采的可行性

礦井通過(guò)經(jīng)濟(jì)技術(shù)對(duì)比分析，303采區(qū)和305采區(qū)選用泵送膏體矸石充填方案，系統(tǒng)較簡(jiǎn)單，充填速度較快，控制頂板效果較好；井下管道布置占用空間少，充填體混合較好，凝固后具有較好的強(qiáng)度。根據(jù)采區(qū)實(shí)際情況，采用連采連充工藝，設(shè)計(jì)采高4.5 m，充實(shí)率95%以上，計(jì)算等價(jià)采高0.315 m。

3 充填開(kāi)采技術(shù)方案

3.1 工作面布置

礦井利用原有一進(jìn)一回兩條巷道形成305采區(qū)系統(tǒng)。在305采區(qū)布置首采面30501工作面，東西傾向長(zhǎng)度216 m，南北走向長(zhǎng)50～80 m。先期采東北角部分，傾斜長(zhǎng)度約60 m，走向?qū)捈s24 m，沿走向劃分6條支巷條帶，設(shè)計(jì)支巷寬度4 m，采高4.5 m。由于30501工作面傾斜較長(zhǎng)，不利于充填，故從中間布置一條聯(lián)絡(luò)巷，將其分成上下兩部分，即30501-1面和30501-2面。30501工作面支巷布置示意如圖1所示。

圖1 30501工作面支巷布置示意

3.2 生產(chǎn)系統(tǒng)構(gòu)成

305采區(qū)充填開(kāi)采區(qū)域的生產(chǎn)系統(tǒng)(如通風(fēng)、運(yùn)輸、排水、供電、壓氣、通訊等)直接對(duì)接3煤層原有的礦井生產(chǎn)系統(tǒng)，只將充填開(kāi)采區(qū)域內(nèi)的生產(chǎn)系統(tǒng)進(jìn)行完善。

3.2.1 落煤、轉(zhuǎn)運(yùn)系統(tǒng)

支巷落煤主要設(shè)備為綜掘機(jī)，運(yùn)輸?shù)脑O(shè)備為刮板輸送機(jī)和膠帶。綜掘機(jī)割煤、裝煤轉(zhuǎn)載，刮板輸送機(jī)及膠帶運(yùn)煤，實(shí)現(xiàn)快速周轉(zhuǎn)。采區(qū)支巷先采后充、采充分離，互不干擾。

3.2.2 運(yùn)輸及充填路線

1) 運(yùn)煤路線：支巷采煤工作面—305采區(qū)回風(fēng)巷溜子—305膠帶—3號(hào)煤倉(cāng)—暗斜井膠帶—主斜井膠帶升井。

2) 充填路線：膏體制備站—投料充填孔—集中充填巷—305東回風(fēng)巷—30501上平巷—充填支巷。

3.2.3 勞動(dòng)組織

工作面采用“三八”工作制，兩個(gè)半班生產(chǎn)，半個(gè)班檢修，循環(huán)作業(yè)方式，生產(chǎn)班完成掘進(jìn)落煤、頂板(兩幫)支護(hù)工作；充填班完成擋漿墻支設(shè)和充填工作；檢修班對(duì)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行全面檢修與保養(yǎng)，同時(shí)負(fù)責(zé)工作面機(jī)電設(shè)備搬遷、管路延縮吊掛、材料運(yùn)送等準(zhǔn)備工作。

4 泵送膏體矸石充填工藝

4.1 工藝特點(diǎn)和要求

矸石膏體充填選取連采連充開(kāi)采工藝，按照支巷先采后充模式，先對(duì)雙號(hào)支巷進(jìn)行回采，由下至上掘進(jìn)巷道出煤，巷道掘進(jìn)完畢后掘進(jìn)機(jī)移至下一支巷繼續(xù)落煤；同時(shí)，在前一支巷下部支設(shè)擋漿墻，自支巷上端口將膏體充填至支巷內(nèi)，支巷內(nèi)是由下往上依次充填充實(shí)，確保充填質(zhì)量，接頂完好，從而提升對(duì)頂板的最終支撐力，實(shí)現(xiàn)消化矸石、地表減沉的目的。

支巷開(kāi)采和充填順序如下：

開(kāi)采：②→④→⑥→⑧→③→⑤→⑦……

充填： / →②→④→⑥→⑧→③→⑤→⑦……

各支巷先開(kāi)采②號(hào)支巷，然后開(kāi)采④號(hào)支巷；在開(kāi)采④號(hào)支巷時(shí)，對(duì)②號(hào)支巷進(jìn)行充填作業(yè)；②號(hào)支巷的充填和④號(hào)支巷的開(kāi)采同步進(jìn)行，采充分離，互不影響；這樣切眼和②號(hào)支巷間就有4 m寬的①號(hào)煤柱起臨時(shí)支撐作用，②號(hào)支巷和④號(hào)支巷間也有4 m寬的③號(hào)煤柱起臨時(shí)支撐作用，以此類(lèi)推；②號(hào)和④號(hào)支巷充填體達(dá)到支撐強(qiáng)度后，依次回采③號(hào)支巷、⑤號(hào)支巷，在回采⑤號(hào)支巷的同時(shí)，開(kāi)始對(duì)③號(hào)支巷進(jìn)行充填，以此類(lèi)推。最后對(duì)①號(hào)煤柱以及尾號(hào)煤柱進(jìn)行回收，也可視情況不回收?；夭膳c充填同步進(jìn)行和完成。

開(kāi)采支巷和充填支巷之間始終保持一條支巷寬度左右的間隔，也就是開(kāi)采支巷和充填支巷之間始終保持4 m以上的煤柱以支撐頂板。在首采面試驗(yàn)期間，按照采4 m、留4 m的方式進(jìn)行布置。首采面結(jié)束后，根據(jù)充實(shí)率、頂?shù)装逡七M(jìn)量、煤柱應(yīng)力、地表下沉和變形等觀測(cè)數(shù)據(jù)，調(diào)整采留寬度。

4.2 膏體充填工藝流程

1) 工作面采取全負(fù)壓通風(fēng)，工作面形成后，具有上、下平巷兩個(gè)安全出口，一條平巷進(jìn)風(fēng)，一條平巷回風(fēng)。按照連采連充設(shè)計(jì)，自工作面下平巷開(kāi)門(mén)施工第二號(hào)支巷，支巷寬度4.0 m，高度為見(jiàn)頂(見(jiàn)底)，采高4.5 m。煤經(jīng)下平巷運(yùn)出工作面。支巷落煤過(guò)程中采用局部通風(fēng)機(jī)供風(fēng)，充填時(shí)保留工作面原切眼維持區(qū)域正常負(fù)壓通風(fēng)，充填支巷同樣采取局扇補(bǔ)風(fēng)，確保充填支巷施工安全。

2) 支巷與上平巷掘透后，在支巷下端(下巷道、低位處)施工擋漿墻，擋漿墻采用不低于5 cm木板、液壓點(diǎn)柱、鐵棚腿、木支柱等制作，并通過(guò)煤體側(cè)掏槽、提前打設(shè)加固錨桿、打設(shè)戧柱等方式防止?jié){。擋漿墻施工完成后，開(kāi)啟膏體充填系統(tǒng)，矸石、水泥加水在地面膏體制備站攪拌均勻后采用工業(yè)充填泵加壓通過(guò)管路輸送到充填支巷上端，在支巷內(nèi)自下而上充填密實(shí)。

3) 泵送膏體充填系統(tǒng)工藝流程。地面矸石經(jīng)破碎機(jī)破碎成20 mm以下顆粒(含大量粉末)，然后進(jìn)入成品矸石倉(cāng)儲(chǔ)存。充填作業(yè)時(shí)矸石倉(cāng)內(nèi)的矸石通過(guò)上料膠帶將矸石連續(xù)定量給料到攪拌泵送站，在攪拌泵送站內(nèi)按照比例加水、水泥通過(guò)攪拌機(jī)混合攪拌制成膏體(注意保溫)，用礦用混凝土泵通過(guò)充填立孔及井下管道輸送到充填支巷上口，利用膏體的勢(shì)能及泵送壓力將支巷充滿。

5 30501地面巖移觀測(cè)站觀測(cè)結(jié)果分析

新建煤業(yè)充填開(kāi)采地面巖移觀測(cè)站自2020年8月9日開(kāi)始設(shè)站觀測(cè)，觀測(cè)日期至2020年11月20日，觀測(cè)位置位于30501充填工作面上方地表。通過(guò)對(duì)20個(gè)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，其觀測(cè)下沉結(jié)果如圖2所示。

圖2 新建煤業(yè)3號(hào)煤層充填開(kāi)采地表下沉曲線匯總對(duì)比

30501充填工作面由于采用連采連充，膏體充填開(kāi)采，上方地表各觀測(cè)點(diǎn)最大下沉在14 mm以?xún)?nèi)，最大下沉在18號(hào)點(diǎn)位置，月度最大下沉6 mm，位于11號(hào)點(diǎn)位置。分析地面巖移觀測(cè)資料可得出如下結(jié)論：區(qū)域3煤層埋藏較淺，地表顯現(xiàn)較快，由于采用連采連充工藝，頂板未垮落，地面只產(chǎn)生較小的彈性變形，曲線形態(tài)符合充填開(kāi)采地表一般巖移規(guī)律。此工藝及選取的支巷參數(shù)等可滿足頂板不垮落的技術(shù)要求，頂板控制較好，控制地表沉陷效果較好，滿足了地面建筑物保護(hù)的要求，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

6 經(jīng)濟(jì)效益分析

303采區(qū)、305采區(qū)共計(jì)可采儲(chǔ)量79.1萬(wàn)t，按噸煤平均售價(jià)650元/t，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)值51 415萬(wàn)元，充填成本12 540萬(wàn)元，系統(tǒng)前期設(shè)備及土建施工費(fèi)用1 683.5萬(wàn)元，總成本14 223.5萬(wàn)元。充填直接成本5 589.9萬(wàn)元，充填增加成本70.7元/t，綜合成本490.7/t，利潤(rùn)159.3元/t，經(jīng)濟(jì)效益12 600.63萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益可觀。

7 結(jié) 語(yǔ)

新建煤業(yè)這種以矸換煤膏體連采連充開(kāi)采技術(shù)基本成熟，巷道充填后頂板垮落變形較小，對(duì)地表建(構(gòu))筑物的影響在國(guó)家允許的范圍，提高了資源回收率，同時(shí)消化了矸石，為區(qū)域環(huán)境保護(hù)起到了積極的作用。該方法值得資源枯竭煤礦借鑒和推廣。