某礦建筑物下遺留煤炭充填開采技術(shù)研究與應(yīng)用

張學(xué)義

（山西焦煤西山煤電馬蘭礦，山西 太原 030205）

0 引言

某礦井西翼16 層煤全部為村下壓煤，在條帶開采過程中剩余了部分煤炭資源，因此，如何合理開發(fā)礦產(chǎn)資源，提高資源回收率，延長礦井服務(wù)年限已成為該煤礦亟待解決的技術(shù)性問題。根據(jù)礦井16 層煤賦存條件，在保證工作面安全、高效的前提下，擬采用充填開采技術(shù)[1-3]對(duì)剩余的16 層煤炭資源進(jìn)行回采，為煤礦現(xiàn)有資源開采提供解決方案。

1 工程概況

某礦可采煤層四層：12 下、14、16、17 煤層，均為薄煤層，16 煤層為礦井的主采煤層。礦井采用一對(duì)立井開拓，設(shè)計(jì)東翼盤區(qū)水平標(biāo)高-88 m，西翼盤區(qū)水平標(biāo)高-127 m，生產(chǎn)能力35 萬t/a。目前西二采區(qū)只剩16205 工作面，16205 工作面一部分為完整塊段，一部分為條帶煤柱。16205 上工作面自2001 年8 月開采至2002 年3 月結(jié)束，條帶開采，共計(jì)開采14 個(gè)條帶，開采煤炭3.84 萬t；16205 下工作面自2003 年8 月開采至2004 年8 月結(jié)束，條帶開采，共計(jì)開采17個(gè)條帶，開采煤炭2.33 萬t，16205 工作面剩余儲(chǔ)量約為10.03 萬t。

16205 工作面位于井田西翼，布置在西二采區(qū)的東北部，北部為16207 工作面、南部為16203 工作面，西部為161-2 正斷層，東部為-130 軌道巷。

根據(jù)煤礦現(xiàn)有的生產(chǎn)條件和實(shí)際情況，選取16205 工作面為首采工作面，工作面開采16 層煤，條帶塊段約7 萬噸。工作面西側(cè)為16203 采煤工作面，東側(cè)為16207 采煤工作面，均采用充填開采方式（全采全充）回采完畢。

地面為留莊八村及農(nóng)田，地面標(biāo)高+36.5 m，井下標(biāo)高-130.4 m 至-171.9 m。16205 工作面位于井田西翼，布置在西二采區(qū)的東北部，北部為16207 工作面、南部為16203 工作面，西部為161-2 正斷層，東部為-130 軌道巷。

16 層煤平均厚1.3 m，走向N31°E，傾向N59°W，傾角5°～10°，賦存較穩(wěn)定。鉆孔和開采揭露煤層中局部含夾矸一層，厚0.02～0.04 m，巖性多為泥巖，偶為炭質(zhì)泥巖或黃鐵礦層，結(jié)構(gòu)簡單。可采性指數(shù)0.94，厚度變異系數(shù)27%，屬穩(wěn)定煤層，煤層呈黑色半亮型，視密度1.33 t/m3，工業(yè)牌號(hào)為氣肥煤。16 煤工作面煤層頂?shù)装迩闆r，如表1 所示。

表1 煤層頂?shù)装迩闆r表

2 充采工藝及設(shè)備選型

2.1 充采工藝

首先采用充填材料對(duì)已采過的條帶充填8m，剩余2 m 作為切眼，用于回采時(shí)鋪設(shè)工作面運(yùn)輸設(shè)備和通風(fēng)。充填材料自充填到井下開始，到達(dá)到預(yù)期的強(qiáng)度（單向抗壓強(qiáng)度≥7.5 MPa），一般需要28 d。為了保證充填材料充分凝固，具有足夠的強(qiáng)度支撐上覆巖層的重量，每一個(gè)煤垛條帶必須在其兩側(cè)的充填條帶充填28 d 后才能進(jìn)行回采。

一個(gè)條帶煤垛分3 次回采完畢。條采硐采出空間采用單體液壓支柱支護(hù)頂板。條帶煤垛在完成第一次截割4 m 任務(wù)后，進(jìn)行二次充填4 m，待充填體凝固后，回采剩余部分。最終形成采10 m 充12 m 空8 m。

2.1.1 充填系統(tǒng)

充填系統(tǒng)采用泵送方式進(jìn)行充填。充填材料輸送系統(tǒng)由矸石破碎系統(tǒng)、地面攪拌站、混凝土輸送泵，地面管路、立井管路、井下管路及各種閥門（三通）等組成，如圖1 所示。

圖1 輸送系統(tǒng)圖

2.1.2 管路布置

井下干線管指從充填鉆孔底到工作面入口前的充填管，其規(guī)格為：直徑203 mm×10 mm，內(nèi)徑183 mm。布置路線為：西翼皮帶巷-管子道一段-八號(hào)上山—130 軌道巷16205 中運(yùn)巷-16205 上、下工作面。

2.1.3 充填程序

首先用建筑模板和單體液壓支柱將待充填區(qū)域封閉，內(nèi)側(cè)加掛一層編織布，形成密閉空間。由于級(jí)索煤礦煤層傾角較小，在每個(gè)充填條帶內(nèi)均勻布置布料管，從標(biāo)高低端到高端依次充填。待充填體初凝固后（約4～5 h，或充填體強(qiáng)度≥1 MPa），即可撤掉充填模板和單體液壓支柱[4]。充填步驟如圖2 所示。

圖2 充填步驟示意圖

2.2 充填材料

充填材料是由煤矸石、水泥、粉煤灰、添加劑組成，充填體濃度高，屬于流動(dòng)性能好的膏體材料。充填骨料為破碎后的煤矸石，膠凝材料為普通硅酸鹽水泥，管道輸送性能改良劑為粉煤灰和減水劑。

要求混凝土有可泵性，即在泵壓作用下，混凝土能在輸送管道中連續(xù)穩(wěn)定地通過而不產(chǎn)生離析，它取決于拌合物本身的和易性。在實(shí)際應(yīng)用中和易性往往根據(jù)塌落度來判斷，塌落度越小，和易性也越小，但塌落度太大又會(huì)影響混凝土的強(qiáng)度，因此，一般認(rèn)為18～20 cm 較合適，具體值要根據(jù)泵送距離、氣溫來決定。

1）水泥：要求選擇保水性好、泌水性小的水泥，一般選硅酸鹽水泥及普通硅酸鹽水泥，用量一般為150～300 kg/m3。

2）骨料：骨料的種類、形狀、粒徑和級(jí)配對(duì)泵送混凝土的性能有很大影響，必須予以嚴(yán)格控制。粗骨料的最大粒徑與輸送管內(nèi)徑之比宜為1∶3（碎石）或1∶2.5（卵石），另外要求骨料顆粒級(jí)配盡量理想。細(xì)骨料的細(xì)度模數(shù)為2.3～3.2，粒徑在0.315 mm 以下的細(xì)骨料所占的比例不應(yīng)小于15%，最好達(dá)到20%，這對(duì)改善可泵性非常重要。

3）摻合料-粉煤灰：實(shí)踐證明，摻入粉煤灰可顯著提高混凝土的流動(dòng)性。一般應(yīng)使用原粉煤灰。

2.3 技術(shù)參數(shù)

膏體（混凝土）由煤礦矸石、粉煤灰、水泥為主要原材料配制而成；28 d 后的單向抗壓強(qiáng)度為≥7.5 MPa；塌落度大于18 cm；初凝時(shí)間3～4 h，終凝時(shí)間4～5 h；最大粒徑與輸送管直徑之比小于1∶3。

3 地表變形觀測

監(jiān)測點(diǎn)沿建筑物進(jìn)行布設(shè)，建筑物一端外側(cè)設(shè)置1～10#監(jiān)測點(diǎn)，各監(jiān)測點(diǎn)之間的間距100 m；11～39號(hào)監(jiān)測點(diǎn)位于16205 工作面回采沉陷的區(qū)域范圍內(nèi)，各監(jiān)測點(diǎn)之間的間距為20 m；建筑物另外一端外側(cè)設(shè)置38～47#監(jiān)測點(diǎn)，各監(jiān)測點(diǎn)之間的間距100 m。同時(shí)為了保護(hù)監(jiān)測點(diǎn)不受到破壞，采用木樁與鐵進(jìn)行組合進(jìn)行固定。從16205 工作面回采完畢開始對(duì)地表位移進(jìn)行監(jiān)測，所得傾向測線下沉、傾向測線傾斜、傾向測線曲率、傾向測線水平移動(dòng)、傾向測線水平變形曲線，如圖3 所示。

圖3 地表變形觀測曲線圖

由圖3 可以看出，傾向測線下沉量最大值約為265 mm，水平變形最大值0.368 mm/m，曲率最大值0.008 mm/m，傾斜最大值0.788 mm/m，各監(jiān)測值均小于地表建筑物I 級(jí)破壞程度值，表明了充填開采技術(shù)可以保證地表建筑物得安全穩(wěn)定。

4 經(jīng)濟(jì)效益分析

由于采用原有的井巷工程，不需要開掘新巷道，因此，工程投資主要為設(shè)備投資。如表2 所示。

表2 設(shè)備投資

4.1 成本分析

設(shè)備折舊費(fèi)：按照壽命期為10 年計(jì)算，采用直線折舊。每年折舊費(fèi)為：1 350÷10=135 萬元；人員工資：區(qū)隊(duì)人數(shù)為32 人，人均工資12 萬元/a，年度工資費(fèi)用為：12 萬元×32=384 萬元；電費(fèi)：設(shè)備總功率為875 kW，年度電費(fèi)為：875 kw×16 h×300×0.8 元/ kW·h×0.8=2 688 000 元；充填成本費(fèi)：根據(jù)煤礦充填的經(jīng)驗(yàn)，充填噸煤費(fèi)用為110 元/t；噸煤成本費(fèi)：年產(chǎn)量為268 800 t/a 噸，噸煤成本費(fèi)用為（1 350 000+3 840 000+100 300）/268 800+110=129.7 元/t。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益

當(dāng)前煤炭銷售價(jià)格為1 100 元/t。噸煤經(jīng)濟(jì)效益為：1 100-129.7=970.7 元/t；年度經(jīng)濟(jì)效益為：970.3 元/t×100 300 t=97 321 090 元≈0.97 億元。

5 結(jié)語

1）采用膏體充填法進(jìn)行回采后，地表各監(jiān)測值均小于地表建筑物I 級(jí)破壞程度值，表明了充填開采技術(shù)可以保證地表建筑物得安全穩(wěn)定。

2）通過經(jīng)濟(jì)效益分析可得，采用膏體充填法進(jìn)行遺留煤炭的開采可收益約0.97 億元，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益。