超高水充填開采技術在礦井中的應用

許文龍 郭 鋒 閆春來

（山東省兗州市大統礦業有限公司，山東 濟寧 273100）

1 概述

山東省兗州市大統礦業有限公司楊莊煤礦現在主采三煤。礦井于1997 年至2005 年進行了九采區三煤層開采，工作面布置區域大部分三煤為已采區（已采一層，采高約2.2 m），該區域剩余煤厚4.9～7.15 m。為了解決礦井服務年限及資源枯竭的難題，同時減少回采對地面房屋損害，確保建筑物附近地表移動變形值不大于I 級，實現綠色開采，擬采用超高水充填技術進行剩余煤炭資源開采。

2 超高水充填技術研究

2.1 充填系統概述

超高水充填材料由A、B 兩種主料和AA、BB兩種輔料組成。A 料主要由石膏、鋁土礦等獨立煉制而成，配合使用復合超緩凝分散劑AA 輔料；B料主要由石膏、石灰等構成，配合使用復合速凝劑BB 輔料。A 與AA、B 與BB 分別加水制成A 和B單一漿液，兩種單一漿液混合后以1:1比例配合使用。材料固結體具有速凝早強特性，強度隨水體積分數的增加而降低，固結體受壓后體積應變小，基本認定體積不可壓縮，材料特性十分有利充填采空區。

超高水充填技術主要包括以下系統（圖1）：漿體制備系統、漿體輸送系統、混合清洗系統，充填系統、供水供電系統、通訊系統。

圖1 超高水充填技術系統圖

充填總體工藝流程為：制備A、B 兩種單一漿液，將漿液存放于各自儲漿池中；然后通過漿體輸送系統把A、B 兩種單一漿體按1:1 的體積比輸送到充填位置，在A、B 單一漿體充分混合后進入工作面對應的充填系統。工作面采空區充填系統主要取決于充填基本方法的選擇。其中供水、供電與通訊系統主要負責整個系統的輔助支持與協調子系統，保證充填工作按照需求進行運轉。

2.2 充填系統選址及能力需求

C9301 充填工作面為復采充填工作面，北部一小部分為未采的實體煤，煤厚約8.5 m。工作面沿3 煤層（局部沿頂、局部沿底）布置，先俯采后仰采。工作面整體位于興隆莊村東側，趙王河西側工作面軌道順槽、運輸順槽走向長度均為804.73 m，切眼傾向長度約為85.0 m，開采面積67 255 m2。自切眼推進至67 m、自755 m 至794 m 區域采厚為3.5 m，自67 m 推進至755 m 采厚為4.0 m，容重1.35 t/m3。該工作面工業儲量為35.7 萬t，按照93%回采率計算可采儲量為33.2 萬t。

超高水充填注漿站安設在工業廣場西南部。為有效節約水資源，使用礦井外排水作為水源。為滿足冬季充填時水溫不低于15 ℃的要求，使用暖氣對蓄水池進行供暖。

充填工作面平均采高4.0 m，循環進尺0.6 m，按照“三刀一充”要求充填步距為1.80 m。工作面按照最大面長100 m（含兩巷）進行全部充填，計算工作面充填空間體積為：

式中：V為工作面充填空間體積，m3；L充為工作面充填長度，m；W充為工作面充填步距，取1.80 m；H充為工作面充填高度，m。

工作面充填采用全袋（包）式充填方法。根據充填經驗，首先要清理充填區域底板，然后掛包、鋪設充填管路等充填準備工作，正常充填3 h。計算理論制漿能力為：

式中：Q為系統整體制漿能力，m3；t為工作面充填時間，h；η為系統效率，取0.9；λ為系統備用系數，取1.2。

工作面進行充填時，有可能漿體需求量無法精確估計，以及為了對充填開始與結束時更好地進行控制，充填過程中不可能全程按照制漿系統的最大制備能力進行輸送。根據經驗，確定整體充填過程中漿體輸送能力為100～160 m3/h，平均輸送能力為120 m3/h。充填系統能夠滿足要求。

2.3 漿體輸送、混合與管路清洗系統

C9301 工作面管路鋪設途徑為：制漿站A、B 單漿儲漿池→鉆孔套管→南翼回風大巷→九采回風大巷→C9301 一號運輸聯絡巷A、B 單漿管→C9301 工作面軌道順槽A、B 單漿管→C9301 工作面軌道順槽混合器三通（位于工作面煤壁40～100 m 范圍內）→混合器→工作面分支充填管→工作面充填袋內。

2.3.1 C9301 工作面充填管路需求

根據C9301 工作面長度計算A、B 單漿管路：（1600+1500）×2=6200 m。同時，為了保證混合效果，混合管路的第一個分支管路至混合三通距離大于80 m。

2.3.2 輸送泵選型

輸送泵選型要求為輸送能力應滿足最大充填要求。超高水材料需傳送A、B 兩種漿體且按1:1 進行混合，前邊計算制漿系統單漿最大制漿能力為160 m3/h。根據匹配原則與漿體特點，選用輸送泵（單泵）實際輸送能力不低于160 m3/h 的輸送泵進行輸送，其額定輸送壓力能克服漿體輸送時的阻力。

2.3.3 漿體混合系統

超高水充填技術采用雙料輸送系統，兩種單一漿體在輸送到采空區管路前必須充分混合。該項工作主要由漿體混合系統來完成，主要裝置為混合三通。

混合三通（圖2）主要是兩個入口140 mm 變一個180 mm 出口的三通，由無縫鋼管焊接而成。混合三通兩個140 mm 端頭分別接A、B 單漿管路，180 mm 端頭與混漿管路連接。

圖2 混合三通結構示意圖（mm）

2.3.4 漿體輸送管路清洗系統

超高水材料漿體通過管路輸送，為防止單漿管路長期使用過程中的漿體掛壁及混合管路突發情況的堵管現象，必須對管路進行清洗，一般分為全局清洗與緊急清洗。

全局清洗是指超高水充填工作結束后，對漿體輸送與混合的所有管路進行一次全面清洗。清洗范圍主要包括單漿管路、混合器、混合三通、混合管、分支管路。

緊急清洗是指如果系統突發故障（制漿系統故障、單漿管路嚴重漏漿、充填袋破損等）在5 min內不能恢復正常，為防止混合管路中的漿體快速凝結造成堵管而對混合管路進行清洗的工序。

2.4 充填袋

按照“三刀一充”要求充填，即每推進1.8 m進行一次充填。充填時每排布置5 個充填袋，長度為12 個液壓支架寬度即18 m（靠溜頭側充填體長度為11 個液壓支架寬度即16.5 m）。為了保證充填袋尺寸滿足工作面推進參數，當采高為4 m 時充填袋設計尺寸為：長×寬×高=20.0 m（18 m）×2.2 m×4.5 m；當采高為3.5 m 時，充填袋設計尺寸為：長×寬×高=20.0 m（18 m）×2.2 m×4.0 m。充填袋使用柔性不燃材質，在充填空間確定的前提下各個方向應留富余量，以便提高其延展性。

2.4.1 充填袋相關參數

充填袋設計留有2 個孔即注漿孔與排氣孔。充填過程中應根據工作面坡度情況而定，輸漿管與高處注漿孔對接，低處的注漿孔和排氣孔視排氣需求和液面高度進行固定。充填袋加工時，材質應有足夠強度及抗靜電與抗阻燃性能，接縫要結實牢靠，滿足充填吊掛要求及《煤礦安全規程》要求。充填袋尺寸可根據工作面變化的實際情況進行調整，確保符合實際需求。如圖3。

圖3 充填袋示意圖

2.4.2 充填袋充填工藝流程

（1）測量及清理。首先測量充填區域尺寸，計算充填總量后通知泵站。施工人員提前進入架后清理冒落的矸石，及時將充填區域底板等清理平整。

（2）掛設。充填袋掛設時要盡量先掛前上方，再掛后上方。掛設完成后及時把充填袋拉直拽平，使得充填袋緊貼四周固定體。

（3）充填。初期充填時及時觀察充填漿體的變化情況，當發現漿體達到要求時方可將充填管伸入充填入口內并固定。每個充填袋充填過程中都安排專人進行觀察，防止漿體直接沖擊充填袋。充填袋充滿后將伸入充填袋內的管路抽出，并將入口處用塑料繩或扎帶綁扎，關閉此路閥門后用高壓水、壓風或高壓液將管路沖洗干凈。充填時及時與泵站溝通，防止制漿過多。充填結束后，整理充填工具、沖洗工作面。

3 應用效果分析

（1）超高水充填系統制漿能力能夠滿足C9301工作面正常充填需要，保證了C9301 工作面33.2 萬t 煤體的安全回采。

（2）使用工業廢水作為制漿用水，有效地實現了綠色開采。

（3）對地表移動變形值進行了測量，地表水平變形小于2 mm/m，傾斜小于3 mm/m，地面建（構）筑物破壞等級均不大于I 級。