膏體充填綜合機(jī)械化仰采技術(shù)研究與應(yīng)用

羅光敏 許士奎 陳元耐 賈國(guó)平 李永強(qiáng)

【摘 要】華泰礦業(yè)有限公司在3203綜合機(jī)械化仰采工作面利用似膏體充填技術(shù)，最大限度地利用矸石資源，將三下壓煤中的煤炭資源安全高效的置換出來(lái)，減少了采空區(qū)對(duì)地表的影響，有效保護(hù)地面建筑，實(shí)現(xiàn)了綠色開(kāi)采，為礦井延續(xù)開(kāi)采服務(wù)年限提供了技術(shù)保障，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。

【關(guān) 鍵 詞】三下采煤1 膏體充填2 綜采3 仰采4 沿空留巷5

【中圖分類(lèi)號(hào)】 C29【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）07-0221-02

華泰公司32采區(qū)是該公司主要生產(chǎn)采區(qū)，位于井田東北部，地面為萊蕪市秦家洼村，屬“三下”壓煤區(qū)。隨著萊蕪市建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，華泰公司煤田被大量壓覆，生產(chǎn)接續(xù)緊張，煤炭資源枯竭，生產(chǎn)運(yùn)輸戰(zhàn)線長(zhǎng)，綜合成本高。為緩解回采接續(xù)緊張，同時(shí)實(shí)現(xiàn)井下矸石就地消化不升井的節(jié)能減排的目的，根據(jù)32采區(qū)煤層賦存和頂?shù)装鍫顩r，經(jīng)多方面論證研究決定，在3203東面回采過(guò)程中，將工作面采空區(qū)充填膏體，上巷留巷推采，以解決了“三下”壓煤難題，真正實(shí)現(xiàn)采區(qū)內(nèi)無(wú)煤柱開(kāi)采，達(dá)到綠色、環(huán)保開(kāi)采。

1 3203綜采充填工作面概況

1.1地質(zhì)特征

該面是三采區(qū)二層煤東翼第三階段，位于-400水平，工作面走向120°，傾向210°，傾角總體上呈南緩北陡之勢(shì)，平均20°左右。地面標(biāo)高210. 64m，井下標(biāo)高-166.37～-308.4m，煤層厚度為1.1-1.3m，走向長(zhǎng)度120m，傾斜長(zhǎng)度382m，面積47813m？，可采儲(chǔ)量8.1萬(wàn)噸。區(qū)域煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，南部最厚1.3m，北部厚度1.1m，煤厚較穩(wěn)定，平均煤厚1.2m。容重1. 37t/m3，硬度1.5，屬賦存穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的薄煤層。

該工作面直接頂為深灰色粉砂巖，厚度0～1.5m，f=3，大部分沉積缺失。基本頂為灰白色中細(xì)砂巖，泥質(zhì)膠結(jié)，水平層理發(fā)育，厚度15m左右， f=5。直接底為灰色細(xì)砂巖，水平層理，厚度為1.5m左右，f=4。老底為灰白色細(xì)砂巖，厚度18m左右，f=5。

1.2巷道布置

依據(jù)采區(qū)設(shè)計(jì)， 采用傾向長(zhǎng)壁區(qū)內(nèi)后退式采煤法，全部充填法管理頂板。巷道沿煤層頂板按中線起底掘進(jìn)，采用錨網(wǎng)帶支護(hù)，寬×高=3.2×2.0m2。上巷留巷推采，作為下一工作面的巷道之用。

1.3采煤工藝

工作面采用MG160/360-BWD型采煤機(jī)落煤、裝煤，SGZ-630/264-W型刮板輸送機(jī)運(yùn)煤，ZY3200/7.5/16型支架支護(hù)頂板，采高1.2m，循環(huán)進(jìn)度為0.6m。采用“三八”制作業(yè)方式，三班出煤，三班充填，班末充填并檢修。每班推采2個(gè)循環(huán)，晝夜6個(gè)循環(huán)，每循環(huán)進(jìn)度0.6m。出煤時(shí)間占5小時(shí)，充填兼檢修時(shí)間占3小時(shí)。

2 仰采工作面膏體充填系統(tǒng)工藝

2.1 充填系統(tǒng)：

采用膏體自流充填，充填骨料主要采用水泥、沙、矸石粉末。在煤矸石山附近建立充填制備站，施工兩個(gè)充填鉆孔，一個(gè)工作，一個(gè)備用鉆孔，標(biāo)高+203m，至-100m水平，垂直高差303m.充填制備站的主要功能是將水泥、粉煤灰、矸石粉末加水制成濃度為72～75%的膠結(jié)充填料漿，用管道輸送至工作面。

破碎后的合格粒度煤矸石經(jīng)篩選、電子皮帶秤計(jì)量后，與按照比例計(jì)量后的水泥、粉煤灰，通過(guò)單螺旋輸送機(jī)輸送至同一個(gè)攪拌桶內(nèi)，攪拌形成水泥粉煤灰漿，然后轉(zhuǎn)運(yùn)到主攪拌桶內(nèi)，經(jīng)強(qiáng)力攪拌系統(tǒng)充分?jǐn)嚢韬蠼?jīng)自流管道經(jīng)管路輸送到工作面。為保證供水能力，需設(shè)置高位水池或安設(shè)加壓水泵。（見(jiàn)圖1）

2.2充填料漿輸送路線：

（1） 地面充填制備站→充填鉆孔→32采區(qū)上車(chē)場(chǎng) →32采區(qū)運(yùn)輸上山（下行）→3202東探巷→3203工作面下巷→工作面。

（2）地面充填制備站→充填鉆孔→32采區(qū)上車(chē)場(chǎng) →32采區(qū)運(yùn)輸上山（下行）→3202東探巷→3203工作面上巷→工作面。

2.3膏漿體制配

為提高似膏體填充料漿輸送質(zhì)量濃度，改善管道輸送性能，降低管道磨損，在充填料中加入粉煤灰和復(fù)合減水劑，為提高漿體的凝固力，加入32.5標(biāo)號(hào)的普通硅酸鹽水泥作為膠凝劑。華泰公司通過(guò)濕灰配比試驗(yàn)結(jié)果選擇充填材料配比參數(shù)為：水泥：粉煤灰：煤矸石=1：4：15，質(zhì)量濃度74%，漿體體重1.73/ t·m-3。

2.4充填程序

2.4.1清管 由井下充填負(fù)責(zé)人安排專(zhuān)人對(duì)充填管路檢查一遍，充填管子的吊掛是否平直；充填管路是否固定牢固；管子接頭是否緊固有效，確認(rèn)安全后匯報(bào)負(fù)責(zé)人，井下充填負(fù)責(zé)人，將充填管子前方出水閥門(mén)打開(kāi)，負(fù)責(zé)人采用專(zhuān)用電話聯(lián)系地面充填負(fù)責(zé)人開(kāi)始加水清管工作，由專(zhuān)人看管出料口，出料口見(jiàn)水正常流出后，立即通知地面清管完畢。

2.4.2充填管路清理完畢后，開(kāi)始啟動(dòng)充填系統(tǒng)，進(jìn)行充填。工作面敷設(shè)的充填管路以及管口固定牢固，充填管口朝老塘。充填前除充填工作人員外，其他人員撤至工作面煤壁以上10m處，撤人時(shí)由工長(zhǎng)安排專(zhuān)人進(jìn)行，且進(jìn)行拉繩、掛警示牌站崗，充填期間嚴(yán)禁人員進(jìn)入。為了保證充填過(guò)程的順利進(jìn)行，在井上下要配置直通電話，充填進(jìn)度保持聯(lián)系。

2.4.3停料、洗管。停料時(shí)，用專(zhuān)用電話通知地面停止下料，并通知井上下水，再次沖洗管路。確認(rèn)管路內(nèi)無(wú)料后通知地面停水。

3 監(jiān)測(cè)保障措施

3.1監(jiān)測(cè)控制

料漿濃度的變化對(duì)充填料漿的特性的影響極為敏感，為順利實(shí)現(xiàn)全尾砂高濃度膠結(jié)充填，必須建立可靠地充填監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)料漿濃度、流量及各種物料配比的監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。

3.2管路敷設(shè)要求

高濃度膠結(jié)充填料漿，通過(guò)鉆孔和井下敷設(shè)的管道輸送到料場(chǎng)，進(jìn)行充填。為保證管路的暢通性，管路要盡量平直；在需要拐彎或遇有上下起伏時(shí)，要盡量保證管路的平緩性，不要出現(xiàn)急彎；并且在拐彎或上下起伏處安設(shè)事故閥。

工作面的充填管路，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，充填管路鋪設(shè)在工作面上巷、下巷靠近第一個(gè)支架處，以及工作面鋪設(shè)一趟4寸鋼編膠管，隨工作面推采前移，每隔30m安設(shè)一個(gè)充填管口，保證工作面充填效果，根據(jù)支架間底座間距，使用鋼編膠管能夠滿足要求；管路與各閥門(mén)之間用螺栓聯(lián)接牢固、可靠。充填前，必須對(duì)管路及閥門(mén)進(jìn)行巡查，并做好記錄，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)聯(lián)系處理，對(duì)于磨損嚴(yán)重的充填管子及彎頭進(jìn)行更換，必須保持通訊及專(zhuān)用電話暢通。

工作面在縮至最小控頂距后開(kāi)始充填，膏體充填至支架底座位置（采空區(qū)側(cè)）后停止，嚴(yán)禁膏體淹、埋支架。充填后，膏體與頂板接茬處距支架頂梁后端不大于3.3m，推采兩循環(huán)后不大于4.5m。充填時(shí)，采用一次將擋矸墻段充填滿的方法。充填出口各管節(jié)要聯(lián)接牢固可靠。工作面充填管路各連接處，必須使用尼龍繩或油絲繩進(jìn)行固定，確認(rèn)安全無(wú)誤后，方可進(jìn)行充填。當(dāng)似膏體凝固8小時(shí)后，方可進(jìn)行第二個(gè)循環(huán)充填。

3.3擋漿墻的砌設(shè)

該工作面上巷隨推采留巷，需人工砌設(shè)擋漿墻，起到在充填過(guò)程中防止跑漿的作用，同時(shí)作為留巷后巷道的支撐墻體。在靠近采空區(qū)鋼帶端頭下砌設(shè)擋漿墻，擋漿墻采用尼龍布加干膏漿矸石袋進(jìn)行由下向上砌設(shè)，上巷下幫底板挖出一條“U”型水溝，便于疏水，上巷的超前支護(hù)滯后工作面切頂線30-50m回撤。擋漿墻的砌設(shè)要隨回撤支柱，依次向上砌設(shè)，將底板清理到硬底，將尼龍布鋪設(shè)在底板，與矸石袋的壓茬長(zhǎng)0.2m，開(kāi)始砌放干膏漿矸石袋，層間要互相錯(cuò)茬，在砌放至距頂板0.05m時(shí)，將尼龍布由矸石袋上方包過(guò)，尼龍布上方用黃泥搗實(shí)接實(shí)頂板，擋漿墻厚度不小于1.5m。在靠近擋漿墻的外側(cè)，支設(shè)一排摩擦支柱配柱帽，作為留巷段加強(qiáng)支護(hù)措施，將剩余的尼龍布與頂板封網(wǎng)相連。工作面每推采兩個(gè)循環(huán)1.2m，砌設(shè)一次擋漿墻，進(jìn)行充填一次。（見(jiàn)圖2）

4 礦壓顯現(xiàn)及地表下沉觀測(cè)

4.1 礦壓觀測(cè)

為了解充填開(kāi)采方式下的采場(chǎng)上覆巖層的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，對(duì)3203東綜采工作面上下巷頂?shù)装逡平?、兩巷底板底鼓量及工作面“三量”進(jìn)行觀測(cè)。

4.1.1工作面支架及活柱縮量

經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，當(dāng)工作面基本頂初次來(lái)壓過(guò)后，周期來(lái)壓期間支架載荷量平均達(dá)到了2298KN/架，最大值達(dá)到了2447KN/架，動(dòng)載系數(shù)達(dá)到了1. 07，活柱下縮量平均值為1.91mm，最大為3.20mm。工作面基本頂周期來(lái)壓時(shí)礦壓顯現(xiàn)不明顯，來(lái)壓強(qiáng)度也較低，整個(gè)工作面的支架立柱壓力值及活住下縮量也均比正常推采時(shí)有所增高，但幅度不大從而證明了似膏體充填的頂板管理方式取得了很好的效果。

4.1.2留巷段十字布點(diǎn)：

一號(hào)十字布點(diǎn)觀測(cè)站，觀測(cè)期內(nèi)兩幫移近103mm，平均移近速度1. 4mm/d，頂?shù)装逡平?29mm，平均移近速度1.8mm/d，巷道形狀變形不明顯。二號(hào)十字布點(diǎn)觀測(cè)站觀測(cè)期內(nèi)兩幫移近93mm，平均移近速度1.1mm/ d，頂?shù)装逡平?8mm，平均移近速度1.7mm/d，巷道兩幫變形形較小，有輕微底鼓現(xiàn)象，需起底處理。三號(hào)十字布點(diǎn)觀測(cè)站，觀測(cè)期內(nèi)兩幫移近68mm，平均移近速度1.8mm/d，頂?shù)装逡平?9mm，平均移近速度1.2mm/d，巷道形狀變形不明顯。說(shuō)明充填體凝固后對(duì)頂板起到了非常好的支撐作用，減少了壓力影響。

4.1.3超前壓力影響范圍

3203東工作面在初次來(lái)壓時(shí)頂板運(yùn)動(dòng)形式為彎曲運(yùn)動(dòng)沉降形式，通過(guò)超前壓力影響范圍觀測(cè)20米內(nèi)有不明顯礦壓顯現(xiàn)，更加驗(yàn)證了似膏體充填效果良好，對(duì)維護(hù)頂板下沉起了很好的支撐作用。

4.2 地表下沉觀測(cè)

選擇使用離散點(diǎn)網(wǎng)狀觀測(cè)法，觀測(cè)結(jié)果既要考慮下沉數(shù)據(jù)的完整性，又要重點(diǎn)對(duì)工作面直接影響區(qū)域附近的下沉做連續(xù)的跟蹤。剛開(kāi)始初采進(jìn)行兩次影響范圍觀測(cè)，當(dāng)下沉達(dá)到50mm時(shí)進(jìn)行一次影響范圍的全面觀測(cè)。在活躍期加強(qiáng)觀測(cè)密度，每15天觀測(cè)一次，并對(duì)影響范圍的點(diǎn)進(jìn)行加密觀測(cè)。數(shù)據(jù)隨觀測(cè)隨計(jì)算，每觀測(cè)兩次做一次下沉結(jié)果預(yù)計(jì)，計(jì)算結(jié)果顯示，采用膏體充填方法，從2010年5月開(kāi)采到目前2011年12月最大下沉值約為10cm，下沉系數(shù)為8%，其他下沉指標(biāo)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》Ⅰ級(jí)規(guī)定。

5 結(jié)論

5.1膏體充填采礦法經(jīng)礦壓觀測(cè)及地表下層觀測(cè)數(shù)據(jù)顯示，能夠確?！叭隆遍_(kāi)采安全，最大限度地回收礦產(chǎn)資源，保護(hù)地下、地表環(huán)境，解決了三下開(kāi)采難題。

5.2工作面采用走向布置、傾斜推采，回避了膏體的隔離問(wèn)題，避免了跑漏漿埋淹工作面的安全隱患。

5.3充填工作面利用1.5m寬的擋漿墻留巷后維護(hù)，增加少量摩擦支柱支護(hù)頂板，實(shí)現(xiàn)了采區(qū)無(wú)煤柱開(kāi)采，大大降低了回采巷道的掘進(jìn)率。

5.4膏體充填取料來(lái)源于地面矸石山和電廠粉煤灰。廢料利用，實(shí)現(xiàn)了環(huán)保開(kāi)采，社會(huì)效益顯著。