雙預掘進固體充填技術在鎮城底礦的應用

溫成亮

（山西焦煤西山煤電鎮城底礦，山西 古交 030203）

0 引言

新型固體充填開采技術的成功應用為解放我國“三下”煤做出了巨大貢獻[1]。“三下”煤是指被困在建筑物、鐵路、水體下的煤炭資源。這項技術甚至改變了一些資源枯竭的礦井的存在狀態，使之成為值得開采的礦井。現在，一些煤礦已經開始依賴這種技術來確保長期運營能力。該技術在回采速度、巖層移動、地表沉陷控制等方面具有突出的技術優勢。

充填體壓縮比（BBC R）[2]的最終值直接反映充填效果，是充填采礦新技術成功實施的關鍵因素。特殊的掘進工藝、固體物料回填工藝、關鍵設備以及特別適宜的地質條件對BBC R有重要影響。一般來說，可以采用“頂空采煤，向下充填固體”的方法來保證較高的BBC R值。然而，在“下采上頂固體充填”條件下，固體物料極易滑進充填液壓支架所在的作業空間。很難實現一個頂部縫隙盡可能小[3]。BBC R需要在合理的頂部間隙下得到保證。如果頂板間隙的值不在預定范圍內，BBC R就不能保證。

根據充填采區的地質條件，如果后退充填開采不能克服向下采煤和向上固體充填的缺點[4]，則必須采用超前充填開采來保證充填效果。我們測試了在鎮城底礦保留2個預掘進和2個采空區是否可以實現這一點，是在“三下”采煤和井下固體充填過程中進行的。將提出的充填采礦掘進法與常規條帶采礦掘進法的結果進行了比較，并進行了詳細的論述。

1 雙預掘進超前固體充填開采布置

1.1 基本原理

雙預掘進超前充填掘進法是一種全機械化固體充填掘進技術。該技術首先利用2個預驅動入口和一個橫切口形成通道，然后在通道附近建造一個設置室；當采煤盤面前進時，雙側采空區保留運輸原煤和原料（即煤和物料）。分別完成采煤和充填過程。這種方法的典型設計如圖1所示。

圖1 雙預掘進超前充填掘進法的基本原理

1.2 地質條件

1）鎮城底礦井于1983年元月開工建設，1986年11月與同等能力的選煤廠同時投產。礦區總面積17.76 km2。礦井布置采用1對斜井單水平開拓，主運輸水平標高為+760 m。主采2.3、8號煤層，煤質以肥煤、焦煤為主。自燃傾向為Ⅱ類自燃煤層，煤塵均具有爆炸性。2016年10月21日升級為高瓦斯礦井。通風方式為混合式，水文地質條件復雜，屬帶壓開采礦井。2017年6月，礦井公告能力為190萬t/a。

2）充填采區條件：目前，只有南部地區有一些可供開采的煤炭資源。礦區邊界煤柱以西，F D2斷裂以南，F D39斷裂以北。煤層埋深580 m。上覆第四紀松散層厚度415 m，基巖厚度165 m（數據來自H9鉆孔）。該煤層為鎮城底礦3號煤，平均厚度2.5 m，平均傾角12°。該煤層的廣義地質剖面如圖2所示。

圖2 工作面設備布泡面圖和俯視圖

3）表面條件：鎮城底礦區的相應地表由村莊、道路和河流組成。表面建筑的結構形式為半木結構或磚混結構，表面抗變形能力一般水平。根據《建筑物下、水體下、軌道下、主要巷道下、煤柱下采煤規程》，煤礦必須將開采影響區控制在I級限制范圍內:地表最大沉陷在250 mm內，水平最大變形在1.0 mm/m以內。

1.3 系統優化布局

目前，鎮城底礦被選為采用先進的雙預掘進固體充填掘進技術進行開采掘進。據此，設計了雙預掘進充填采礦法。與條帶采礦掘進法相比，雙預掘進充填采礦法的采礦速度加快，但是沉降率缺明顯降低。

2 充填開采關鍵設備

根據雙預掘進固體充填超前開采的設計方案，主要在原條帶開采生產系統的基礎上增加一個采空區充填系統。充填采礦設備布局如圖2所示。

新設計的系統的關鍵設備包括回填液壓支架、回填刮板輸送機和自進式回填裝載機。充填液壓支架由1個前頂棚、1個后頂棚、6個支柱、1個防四桿聯動裝置、1臺壓實機和1個底座組成。由于充填和回采過程都需要在支架遮擋下進行空間作業，這就意味著需要1條獨立的采煤作業通道、1條充填作業通道和一個更廣闊的視覺空間來保證充填效率。在前幾代回填液壓支架應用的基礎上，最新優化的支架僅能滿足ZC9600/16/32型的要求。

自行推進式充填裝載機與充填刮板輸送機配合進行固體充填物的運輸和卸料。

自進式充填裝載機負責將充填物料從低水平的矸石帶式輸送機運到高水平的刮板輸送機的機頭。回填刮板輸送機負責控制回填物料從尾部到機頭的時間和卸料。這2臺機器的協作原理如圖3所示。

圖3 自進式充填裝載機與固體充填液壓支架的協作原理

3 掘進方式設計

3.1 掘進方式設計原則

采空區充填體是固體充填采礦技術中巖層移動的關鍵因素，它能顯著控制主頂板關鍵巖層的下沉。對于沿空留巷旁充填體，影響其頂板控制的因素有多種：①須有足夠的支撐阻力，保證支撐體與頂板緊密接觸，因此，回填體必須有合理的寬度；②充填體在直接頂板緩慢下沉過程中受到壓縮時應具備承壓能力；③在沿空留巷過程中，支護系統應能抵抗不小于2 MPa的壓實壓力。基于上述原因，建立了圍巖結構力學模型來指導支護系統參數的設計。結果表明，支護體寬度應不小于3 m，頂板沉陷不大于0.25 m。

3.2 支護系統的設計

1）原支護系統設計：原預挖入口的屋頂支撐系統采用了?18 mm×1 800 mm螺紋鋼螺栓，編號26-38鍍鋅線50 mm×50 mm菱形網，?14 mm鋼筋制成的鋼梯。每排有4個螺栓陣列，間距800 mm×1 000 mm。路邊采用?18 mm×1 800 mm螺紋鋼螺栓和支架為40 mm×40 mm塑料網，螺栓陣列間距1 000 mm×1 000 mm。道路支護設計如圖4所示。

圖4 總體設計為回填工作面支護采用先進的雙預掘進巷道回采技術

2）沿空留巷支護系統設計：沿空巷道支護采用螺栓網緊鋼絲與梯子聯合支護相結合的支護方法。在預挖巷道支護體系的基礎上，采用?17.8 mm×5 800 mm錨索和箱鐵沿其走向。

3）巷道旁回填支護體設計：巷道旁回填體采用螺栓、鋼帶、鋼梯、金屬網組成加固支護體系。充填體寬度為3 000 mm，高度與巷道一致。固定在?20 mm×3 200 mm雙頭地腳螺栓、鋼梯、鋼帶。鋼帶與鋼梯通過交叉布置的方式組合在一起。此外，頂板由菱形金屬網支撐。2條預掘巷道、2條空留巷的固體密集充填超前開采技術設計如圖5所示。

圖5 雙巷預挖、雙巷邊留的固體密集充填先進掘進開采技術圖

3.3 雙側采空區充填開采一體化工藝

在完成路邊回填體支護設計工作后，下一步的工作是沿空留巷工藝和固體充填采礦工藝。采場采用充填開采一體化設計，沿空留2個巷道。充填開采過程如下:①采用0.6 m卷筒截煤機進行雙向采煤；②工人將支架移至采煤機后，打開充填設備進行運輸，并按規定時間卸出固體物料；③固體材料被壓實機壓實，形成致密的回填體。沿空留巷工藝流程如下:一是準備支護材料；然后，一個臨時的支撐所述結構由單個液壓支柱和由煤矸石壁組裝而成的梯形坡面組成，用于路邊充填體;最后采用w型鋼帶、鋼梯、金屬網、雙螺紋螺栓等，形成路邊組合支護系統。然后對面板工作面和2條巷道進行雙側留巷一體化充填開采。當這一過程在面板面上進行時，需要密切的協調管理，以確保預期的效果。

4 結論

1）提出采用雙預掘進固體充填先進開采技術開采“三下”煤炭資源，為保證煤炭資源上方建筑物的安全，對固體充填開采系統進行了設計和優化，滿足地表沉陷控制要求。

2）對回填開采液壓支架、回填刮板輸送機、回填輸送機等關鍵回填設備進行了詳細設計。

3）該系統的實施表明，該系統的回收率可由條帶開采的40%提高到固體充填開采的85%。地表變形監測顯示，對應的最大地面沉降量為125 mm，而硐室回采和條帶回采的地表預期沉陷量分別為940 mm和288 mm，如圖6所示。

圖6 三種掘進開采方式的沉降預測和雙掘進沉降測量