岱莊煤礦矸石膏體充填模式研究與應(yīng)用

張新國，江興元，江 寧，史俊偉，李楊楊

(1.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 山東 青島 266510；2.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266510)

岱莊煤礦井田范圍內(nèi)80%的煤炭資源被地面建筑壓覆，從礦井投產(chǎn)開始，岱莊煤礦一直應(yīng)用條帶法進(jìn)行建筑物下壓煤開采。條帶采出率不高，僅能解放約50%的可采儲量。為解放條帶開采得保護(hù)煤柱，同時保護(hù)地表建筑，2009年該礦利用矸石膏體充填回采條帶煤柱留下的條帶保護(hù)煤柱[1-2]。

岱莊煤礦目前已有條帶煤柱49個，統(tǒng)計(jì)見表1。針對岱莊煤礦村莊壓煤嚴(yán)重，大量條帶煤柱丟失的實(shí)際情況，開發(fā)固體廢物膏體充填開采技術(shù)，既可靠保證地面村莊建筑物不受破壞，又最大量地采出煤炭資源, 具有高產(chǎn)、高效、高采出率、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)[3-4]。

表1 岱莊煤礦3上煤層條帶煤柱匯總表

備注：①煤視密度取值1.37 t/m3；②每個條帶煤柱兩側(cè)各留5m寬護(hù)巷窄煤柱未算在本表儲量內(nèi)。

1 岱莊煤礦及充填面概況

1.1 井田概述

井田地處濟(jì)寧市城北城鄉(xiāng)結(jié)合部，地面村莊等建(構(gòu))筑物密集，村莊下壓煤量高達(dá)80%。井田東西走向長約9.0km，南北傾斜寬7.2km，面積約65.0km2。主要可采煤層為3上、16和17煤層，3下煤層局部可采。其中3上煤層村莊下壓煤量5000多萬t，占全部村莊壓煤量的63%。目前礦井采用長短壁結(jié)合的綜合開采體系，非壓煤區(qū)用長壁綜采一次采全高采煤方法，村莊壓煤區(qū)采用寬條帶法綜采一次采全高采煤方法[5]。

1.2 試驗(yàn)區(qū)域煤層及覆巖條件

膏體充填不遷村采煤技術(shù)的應(yīng)用首先從回收條帶煤柱開始，試驗(yàn)區(qū)域選擇在2300采區(qū)上幫建下開采區(qū)，首試工作面計(jì)劃布置在2302長壁工作面采空區(qū)與2303條帶工作面采空區(qū)之間的煤柱，即CT2301充填工作面。

CT2301充填工作面煤柱寬110m，長960m，其東北側(cè)為2301、2302兩個長壁垮落法開采工作面采空區(qū)，西北側(cè)為2303等14個條帶垮落法開采工作面采空區(qū)。

2300膏體充填試驗(yàn)采區(qū)地面地表地勢平坦，地面平均標(biāo)高+38.85m。開采3上煤層底板標(biāo)高為-354.56～-464.30m，煤層埋深平均440.15m，煤層平均厚度2.74m，煤層傾角一般在3°～11°，平均6°。頂?shù)装宸植技皫r石力學(xué)性質(zhì)見表2、表3。

表2 岱莊煤礦2300采區(qū)3上煤層頂?shù)装迩闆r

表3 CT2301煤層及頂?shù)装逯饕獛r石力學(xué)特性

2 條帶煤柱矸石膏體充填開采方案設(shè)計(jì)

2.1 充填工作面布置

為了盡可能回收煤炭資源，條帶煤柱充填開采工作面巷道設(shè)計(jì)沿空留窄煤柱掘進(jìn)，在膏體充填首試工作面，初步選擇護(hù)巷煤柱寬度3～5m，將巷道布置在卸壓帶內(nèi)，以便于維護(hù)。充填工作面見圖1。

圖1 充填工作面布置

條帶采空區(qū)測試充填試驗(yàn)中，曾在1304采空區(qū)一側(cè)留10m煤柱掘進(jìn)巷道和垂直采空區(qū)作探巷，探巷直接揭開采空區(qū)，試驗(yàn)巷道均采用錨網(wǎng)索支護(hù)，維護(hù)狀況良好。考慮充填工作面礦山壓力顯現(xiàn)不明顯，留5m煤柱布置條帶煤柱充填工作面巷道，采用錨網(wǎng)索支護(hù)是可行的。6300、7300等新采區(qū)，則布置長壁全部充填工作面，工作面之間采用沿空留巷，不留區(qū)段保護(hù)煤柱，最大量提高煤炭資源采出率。

2.2 充填方法的選擇

根據(jù)前期條帶采空區(qū)測試充填試驗(yàn)結(jié)果，岱莊煤礦條帶煤柱回收，采空區(qū)充填只能在本工作面進(jìn)行，又考慮條帶煤柱工作面一般較短，3上煤層為中等厚度，為了提高充填工作面產(chǎn)量，增加充填工作面效益，特地為岱莊煤礦條帶煤柱回收設(shè)計(jì)提出“大步距隔離全部充填法”。條帶煤柱工作面每推進(jìn)4～5m，沿工作面作隔離，然后對所隔離封閉的采空區(qū)進(jìn)行全部充填。大步距隔離全部充填法見圖2。

圖2 大步距隔離全部充填法

2.3 膏體充填系統(tǒng)能力

充填系統(tǒng)能力的需要主要決定于充填工作面的長度、采高、充填步距、采充比和完成充填作業(yè)的時間要求等，計(jì)算公式如下：

式中：Qf為充填能力，m3/h；L為煤壁長度，m；M為采高，m；d為充填步距，m；kf為采充比；S1為運(yùn)輸?shù)罃嗝婷娣e，m2；S2為材料道斷面面積，m；Tf為有效充填時間，h；kp為充填泵效率系數(shù)。

對于膏體充填首試CT2301條帶煤柱工作面，工作面煤壁長度90m，考慮兩條回采巷道寬度均為4m，采煤機(jī)截深0.8m，如果工作面日進(jìn)尺4.0m，則煤炭產(chǎn)量1280t/d，若年工作日300d，年產(chǎn)量38萬t/a，要求充填系統(tǒng)能力150m3/h；如果工作面日進(jìn)尺3.2m，則煤炭產(chǎn)量1030t/d，年產(chǎn)量30.8萬t/a，要求充填系統(tǒng)能力120m3/h。岱莊煤礦3上煤層工作面產(chǎn)量與推進(jìn)度關(guān)系見圖3，圖4為工作面產(chǎn)量與充填能力關(guān)系圖。

綜合考慮充填關(guān)鍵設(shè)備系列能力和岱莊煤礦膏體充填工作面循環(huán)作業(yè)方式，設(shè)計(jì)條帶煤柱充填工作面單產(chǎn)能力大于30萬t/a，充填系統(tǒng)能力150m3/h。

圖3 岱莊煤礦3上煤層工作面產(chǎn)量與推進(jìn)度關(guān)系

圖4 工作面產(chǎn)量與充填能力關(guān)系

3 充填工藝流程

岱莊煤礦膏體充填使用的材料是破碎煤矸石、粉煤灰(兩種)、專用膠結(jié)料和水等五種物料，充填的過程是一個先將矸石破碎加工，然后把矸石、粉煤灰、專用膠結(jié)料和水等物料按比例混合攪拌制成膏體漿液，再通過充填泵把膏體漿液輸送到井下充填工作面，充填由液壓充填支架和輔助隔離措施形成的封閉采空區(qū)空間的過程，經(jīng)過多方案優(yōu)化以后，設(shè)計(jì)推薦的充填工藝流程見圖5，可以劃分為矸石破碎、配比攪拌、管道泵送、充填體構(gòu)筑等四個基本環(huán)節(jié)。

為了盡量減少充填管路清洗水對回采工作面和巷道的不良影響，工作面兩巷均布置排水管，排水管可以與工作面充填管快速連接，以便于充填管道清洗水絕大部分能夠通過兩巷排水管外排到西翼皮帶下山排水溝。工作面正常充填程序如下：

1)檢查準(zhǔn)備。通過井上下檢查、聯(lián)系，確認(rèn)系統(tǒng)正常，設(shè)備完好，攪拌機(jī)與料漿斗清水濕潤，管道內(nèi)充滿清水以后，設(shè)定好當(dāng)班充填量以后，方可進(jìn)入下一步工作。

2)灰漿推水。先泵送由粉煤灰和膠結(jié)料制成粉煤灰膏體料漿，把管路內(nèi)的清水排出，此過程充填管路前段為清水，后段為粉煤灰膏體料漿。

3)矸石漿推灰漿。待設(shè)計(jì)量的粉煤灰膏體料漿的快泵送完時，要將正常配比的矸石粉煤灰膏體料漿(粗漿)放入緩沖料漿斗，繼續(xù)泵送，此時充填管路前段為清水，中間為粉煤灰膏體料漿，后段為矸石粉煤灰膏體料漿。

4)正常充填。工作面正常充填由低處向高處充填。充填正式開始時，軌道巷側(cè)工作面第一個轉(zhuǎn)換閥接通旁路，布料管從該閥旁路接口連接到充填孔進(jìn)行充填，同時準(zhǔn)備第二個轉(zhuǎn)換閥接通旁路，第一個充填孔充填完成以后，充填漿液即轉(zhuǎn)而從第二根布料管充填采空區(qū)。如此重復(fù)，直到完成整個工作面待充空間充填的任務(wù)。

5)灰漿推矸石漿。當(dāng)泵送充填料漿達(dá)到設(shè)計(jì)充填量以后，地面充填站制備少量粉煤灰膏體，適當(dāng)降低泵送速度，待緩沖漿斗內(nèi)的正常配比料漿快泵送完畢時，把粉煤灰料漿放入緩沖漿斗，用粉煤灰漿把料漿斗和充填泵入口內(nèi)的矸石漿全部推入充填管道中，使沖洗水不會與矸石膏體混合。

6)水推灰漿。當(dāng)料漿斗內(nèi)設(shè)計(jì)量的粉煤灰漿泵送完之前，向料漿斗放入清水，在粉煤灰漿后面泵送清水洗管。工作面發(fā)現(xiàn)粉煤灰漿以后，等到設(shè)計(jì)時間及時切換到工作面排水管，將后續(xù)的清洗水通過排水管排到西翼皮帶下山排水溝，下山排水溝見清水以后關(guān)閉控制閥門，完成管道清洗工作，這時管道中保持滿管清水，可供下一個充填班灰漿推水使用。

圖5 岱莊煤礦矸石膏體充填系統(tǒng)工藝流程

4 充填效果評價

隨著充填的進(jìn)行，在地表設(shè)立巖移觀測站，對地表沉陷效果進(jìn)行現(xiàn)場實(shí)測，為充填效果提供現(xiàn)實(shí)有效地?cái)?shù)據(jù)支持。

在地表移動觀測時采用數(shù)字水準(zhǔn)儀與GPS相結(jié)合的方式進(jìn)行定期測量。測站設(shè)立2351工作面的正上方。地表巖移觀測站分別沿礦體走向和傾向主斷面布設(shè)了兩條觀測線。預(yù)測地表移動盆地邊界角值為：走向綜合邊界角為52°；上山綜合邊界角為52°；下山綜合邊界角為51°。觀測結(jié)果如圖6～圖9所示。

圖6 鐵路點(diǎn)的下沉量

圖7 公路南點(diǎn)的下沉量

圖8 公路北點(diǎn)的下沉量

圖9 小路點(diǎn)的下沉量

根據(jù)測量結(jié)果，2351工作面的充填效果是非常好的，地表下沉較小，主要結(jié)論如下：

1)由圖6～圖9可知，2351工作面的開采還沒有影響到鐵路和公路南側(cè)的測點(diǎn)，測點(diǎn)的變化值不穩(wěn)定，在誤差允許的范圍內(nèi)。

2)在距工作面對應(yīng)的地表較近的位置，測點(diǎn)下沉量最大值為20.09mm左右，然而公路北距離工作面較遠(yuǎn)的測點(diǎn)下沉較大，最大值為58.2mm。

3)從圖6～圖9中數(shù)據(jù)可以看出，測點(diǎn)的測量有季節(jié)性因素的影響，夏季測點(diǎn)的高程要比冬季測點(diǎn)的高程高30～40mm。

4)2351矸石膏體充填工作面地表下沉系數(shù)為0.08～0.10。

5 結(jié)論

該項(xiàng)目研究成功，不僅為解決岱莊煤礦及濟(jì)北礦區(qū)不遷村開采難題，最大限度地采出煤炭資源，延長礦井服務(wù)年限，更重要的是為解放我國煤礦大量村莊等建筑物占壓的煤層發(fā)展、形成一套 “高采出率、環(huán)境協(xié)調(diào)、高效安全”的新型不遷村膏體充填開采技術(shù)，這是一項(xiàng)具有十分重要的經(jīng)濟(jì)、社會和環(huán)保意義的工作。

[1] 李飛.岱莊煤礦2351綜采工作面膏體充填工藝[J].煤炭科技,2011(1),82-84.

[2] 錢鳴高,許加林,繆協(xié)興. 煤礦綠色開采技術(shù)[J].中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報,2003,32(4):344-347.

[3] 周華強(qiáng)，侯朝炯，孫?？?，等. 固體廢物膏體充填不遷村采煤[J]. 中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2004，33(2):154-158.

[4] 郭文兵,鄧喀中,鄒友峰.我國條帶開采的研究現(xiàn)狀與主要問題[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2004(8)：10-14.

[5] 溫國惠,周華強(qiáng),孫希奎,等. 岱莊煤礦建筑物下遺留條帶煤柱砰石膏體充填開采[C].//第3屆全國煤炭工業(yè)生產(chǎn)一線青年技術(shù)創(chuàng)新文集.北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.