綜采工作面矸石膏體充填技術應用

潘 永

（棗莊礦業集團有限責任公司柴里煤礦，山東 棗莊 277000）

棗莊礦業（集團）有限責任公司柴里煤礦井田對應地表村莊、鐵路等建（構）筑設施多且分布散，壓覆煤炭資源量非常大，“三下”壓煤量達433.08萬t，且煤層賦存穩定、煤層厚、煤質好，極大限制了礦井的可持續發展。為提高煤炭資源采出率，延長礦井服務年限，滿足礦井生產接續與生產需要，有必要開展對“三下”壓煤資源膏體充填技術的研究與應用[1-6]。

1 工作面基本情況概述

柴里煤礦3上煤層3306 東工作面，傾向寬128 m，走向長480 m，開采煤層平均厚度4.65 m。工作面頂底板巖性見表1。3306 東工作面采用走向長壁后退式綜合機械化采煤工藝，因工作面上覆地表多為學校、民設及公路等建（構）筑設施，為此采空區內采取膏體充填體為主體的支撐體系，用于控制頂板巖層的過量沉降，以達到控制開采沉陷的目的。工作面選用ZC5600/17/32 型充填液壓支架支護頂板。

表1 工作面頂底板巖性情況

2 充填工藝

1）膏體材料制備

由于膏體充填材料性能參數主要以膏體的流動性能、可泵送時間、靜置泌水率及單軸抗壓強度等為主，通過對煤矸石顆粒級配優化、膏體不同質量濃度與膏體坍落度實驗表明：膏體坍落度要滿足膏體料漿長距離輸送所需要的流動性能要求，煤矸石和粉煤灰作充填骨料，質量濃度一般不宜高于85%；煤矸石顆粒最大粒徑＜25 mm，粒徑＜5 mm 的煤矸石顆粒含量在38%～45%之間范圍內是合理，膏體料漿質量較高；當煤矸石顆粒在＜5 mm 煤矸石含量40%時，相對效果最佳。因此結合現場實際設計充填膏體強度為3.5 MPa，膏體材料配比為水泥:粉煤灰:矸石粉:添加劑:水=150:150:1350:5:350（kg/m3）。

2）充填工藝

3306 東工作面采用綜采膏體充填工藝，具體以矸石膏體為充填介質，工作面采煤工藝形成面后充填空間后，兩巷利用隔離裝置或單體柱配合木板方式支設隔離墻，把整個待充填區隔離為一個封閉空間，再通過泵送或自流方式完成對隔離區的膏體充填，其工藝示意圖如圖1。具體工作面膏體充填開采施工工藝：掛網→割煤（2 刀）→掛網→割煤（2刀）→施工錨桿支護待隔離區頂板→隔離→充填→凝固檢修。

圖1 矸石膏體充填工藝流程示意圖

3 地表沉降變形及充填效果分析

3.1 地表沉降觀測

為準確掌握3306 東工作面開采后上覆地表移動變形及建（構）筑設施損壞情況，在工作面充填開采前，沿上覆鐵路、公路等建（構）筑設施布置2 條地表觀測線及146 個測點，其中走向觀測線沿公路布設，傾向觀測線沿鐵路布設，具體布置方式見表2。

表2 布設測點間距和測點數匯總

通過觀測得出如圖2～圖5 所示特點：

圖2 鐵路測點的下沉量（傾向）

1）從圖2 中觀測數據可知，在7 個多月的觀測周期內，鐵路和公路觀測線絕大部分測點連續3次測量差值小于10 mm，地表下沉已經基本穩定。

2）如圖3 所示，隨著工作面不斷推進，地表下沉逐漸增大，并在采空區中心附近下沉值最大，向兩側邊界煤柱外下沉逐漸減小至零附近。其中，傾向線最大下沉值在點B27 位置達到-191.13 mm，其測量前期下沉值變化較小，隨開采后期變化較大。而走向下沉曲線開采邊界由于距工作面距離較遠下沉較小，開采中心下沉最大，但是小于傾向下沉值，在點S1 位置走向最大下沉值達到-126.55 mm。

圖3 公路測點的下沉量（走向）

3）從圖4、圖5 可以看出，傾向（鐵路）測線前期的實測曲率值規律性不明顯，但隨著工作面的推進，地表曲率逐漸增大。在采空區中心附近，曲率出現負最大值，開采邊界上方附近曲率出現正最大值，向兩側邊界煤柱外曲率逐漸減小至零，曲率值變化范圍為（-0.006 7×10-3～0.003 1×10-3）/m。走向（公路）測線曲率變化規律性較明顯，在采空區中心附近，曲率出現負最大值，其值為-0.007 2×10-3/m。開采邊界上方10 號附近曲率出現正最大值，其值為0.002 3×10-3/m，向兩側邊界煤柱外曲率逐漸減小。由于未達到充分采動，在開采邊界南側曲率變化較為劇烈，多在（-0.000 5×10-3～0.001 1×10-3）/m 之間變化。

圖4 鐵路測點的曲率值（傾向）

3.2 充填效果分析

1）3306 東工作面周邊為采空區，充填開采后對原老采空區具有活化作用，引起原條帶開采形成的相對穩定的覆巖大結構二次運動，造成地表下沉實測數據偏大。

2）根據觀測結果，3306 東工作面開采后，鐵路（傾向）最大下沉點為B27 下沉值-191.13 mm，位于3306 東工作面采空區傾向方向中心上方地表偏下山的位置；公路（走向）最大下沉點為S1 測點，下沉值為-126.55 mm，最大下沉點位于工作面采空區的正上方偏下山位置。

3）3306 東工作面開采后，鐵路（傾向）傾斜值為-0.75～0.76 mm/m，公路（走向）傾斜值為-0.51～0.65 mm/m，在采空區中心附近，傾斜為零，開采邊界上方附近傾斜最大。鐵路（傾向）曲率值為（-0.006 7×10-3～0.003 1×10-3）/m，公路（走向）曲率值為（-0.007 2×10-3～0.002 3×10-3）/m，在采空區中心附近，曲率出現負最大值，開采邊界上方附近曲率出現正最大值，向兩側邊界煤柱外曲率逐漸減小。

4）3306 東工作面上覆村莊、校舍等建筑物損壞情況見表3。

表3 地表建筑物變形損壞情況

5）依據觀測數據，3306 東工作面開采對地表鐵路、公路及村莊等建（構）筑設施的影響均在I級損壞范圍以內。

4 結論

本文以柴里煤礦3306 東工作面綜采膏體充填技術應用，介紹了膏體充填的材料配備、充填工藝及充填開采地表沉降變形機制，通過測點監測得出了工作面開采對上覆地表鐵路、公路及村莊、校舍等建（構）筑設施的影響均在I 級損壞范圍以內，從而驗證了綜采膏體充填工藝對“三下”壓煤區域保護回采的實踐效果，為類似礦井條件下的充填開采技術應用提供參考借鑒。