似膏體充填水體下采煤技術(shù)實踐

黃玉誠,董 羽，段仲捷,邵磊昌，宋 楷

(中國礦業(yè)大學(北京),北京 100083)

公格營子礦地表標高+488.12～491.48之間，井田東部有老哈河流過，表土層厚4～6m，下為第四系沖洪積砂層，是厚度20～23m的強含水層，為孔隙含水層，是該礦的主要含水層。主采6#煤，埋深120～150m，均厚15m，傾角5～14°，頂板為砂礫巖，夾砂巖，無較好的隔水層。由于煤礦水文地質(zhì)條件限制，原設計按常規(guī)垮落法頂板管理方法，留設了大量的煤柱[1-2]，這對提高資源的利用率和延長礦井年限是極為不利的。為了安全開采水體壓煤，同時又提高資源回收率，公格營子煤礦采用“似膏體充填技術(shù)”對水體下壓煤進行開采。

1 似膏體充填材料的組成

似膏體充填材料就是采用普通水泥或砂土固結(jié)材料做膠結(jié)劑，碎煤矸石、礦山尾砂或河砂等作骨料，骨料中配以15%～40%的細粒級物料(如粉煤灰、溢流尾砂等)，制成重量濃度為74%～80%，外觀近似膏體一樣的漿體[3]。

公格營子礦似膏體充填開采中，采用普通水泥作為膠凝材料，骨料的選擇是因地制宜，在滿足充填要求的前提下盡量選取低價或廢棄物料，以降低充填成本。骨料主要包括：①粗骨料，粒度為≤20mm的破碎煤矸石；②細骨料，主要是選用電廠粉煤灰。

經(jīng)多次實驗和優(yōu)化，最終確定的充填材料優(yōu)化配比及抗壓強度如表1所示。

表1 充填材料優(yōu)化配比強度性能

2 充填系統(tǒng)與工藝

2.1 充填能力

充填采煤設計生產(chǎn)能力為年產(chǎn)30萬t，平均日產(chǎn)900t。煤的容重1.4t/m3，則日充填量需640m3。充填工作時間8h，充填設計能力90m3/h。

2.2 充填系統(tǒng)構(gòu)成

充填制備站設在工業(yè)廣場南側(cè)東部，充填系統(tǒng)主要設備和設施：①雙臥軸攪拌機一臺，攪拌能力120m3/h；②充填泵一臺，充填流量90m3/h，額定壓力15MPa；③膠凝材料倉一座，有效容積100t；④煤矸石倉一座，有效容積600t；⑤粉煤灰倉一座，有效容積200t；⑥配套鋼結(jié)構(gòu)一套。充填系統(tǒng)構(gòu)成如圖1所示。

2.2.3 充填工藝

充填工藝過程：將碎煤矸石、粉煤灰、膠凝材料和水按設計配比用量加入臥式攪拌機，經(jīng)攪拌制成似膏體料漿后，向充填泵受料斗下料，經(jīng)泵送通過充填管路把似膏體料漿輸送到井下充填工作面。充填工藝流程如圖2所示。

3 工作面充填采煤

主采煤層6#煤的均厚達到15m，采用分層充填開采的采煤方法，每分層采高2m，采空區(qū)全部充填。井下充填開采首先是在一采區(qū)進行，采用長壁式工作面充填開采工藝。工作面走向350m，工作面長80m，傾角12°，采高2.0m，支護采用Dz-22型單液壓體支柱和Π型鋼梁，后退式回采，循環(huán)進度0.8m，日進度2.4m。工作面充填步距為1.6～2.4m，充填次序為從下往上后退式分段充填。

充填隔離墻構(gòu)筑：工作面進行充填前，首先必須在工作面控頂區(qū)與待充填區(qū)之間構(gòu)筑一道模板隔離墻，形成一個“封閉”的待充填空間。具體方法是：塑料編制布緊貼臨時支護靠工作面煤壁側(cè)的木柱布置，其底留出300mm左右的富裕量，底側(cè)挖小溝卷向空區(qū)側(cè)，用矸石或小木條使塑料編制布與工作面底板緊帖，防止充填時沿隔離墻底邊泄漏；塑料編制布隔離墻外側(cè)靠貼緊打的單體液壓支柱配合背板固定，頂部設計留出300mm左右的富裕量，使其向內(nèi)折，再利用漿液充滿上頂之力使塑料編制布與頂板貼緊，防止?jié){液從頂板泄漏。工作面充填布置如圖3所示。

圖2 充填工藝流程圖

1-充填體;2-臨時木支柱;3-背板;4-塑料編制布;5-單體柱;6-充填管

工作面充填技術(shù)：充填前，先用清水引流，見管路終端出水后輸入充填料漿。充填料漿的輸送路線為：充填制備站→地面管路→鉆孔→聯(lián)絡巷→石門→回風大巷→區(qū)段回風巷→工作面充填空間。井上、井下配置電話，根據(jù)充填進度與地面聯(lián)系。充填循環(huán)完成，待滯留在管內(nèi)的漿體流完后及時關(guān)閉管路終端出口，并用清水沖洗管路。

4 技術(shù)經(jīng)濟分析

4.1 技術(shù)效果

經(jīng)過近30萬m3的充填實踐表明，充填體的早期強度、最終強度和整體性良好，充填率達到90%以上，實現(xiàn)了預期效果。井下涌水量明顯降低，由原來的350m3/h，減少到現(xiàn)在的150m3/h，大大改善了井下安全生產(chǎn)條件，節(jié)約了井下排水費用。地表巖移觀測結(jié)果表明，地表沉降得到較好的控制，和全部垮落法開采相比，充填法開采的地表下沉比較輕微。采用充填法開采地表下沉系數(shù)約為8%。

4.2 經(jīng)濟效益

經(jīng)計算，噸煤成本凈增充填費用42元/t。由于充填采煤法的實施，給企業(yè)帶來了如下經(jīng)濟效益。

1) 礦原設計的各種防水煤巖柱壓煤量600萬t，由于采空區(qū)實施了充填措施，初步預計可解放煤量300萬t，可創(chuàng)產(chǎn)值6億多元，利稅2億多元，經(jīng)濟效益顯著。

2) 采用采空區(qū)充填，有效地控制了井下的涌水量，節(jié)約排水費用600多萬元/a。

3) 該礦周圍都是水澆農(nóng)田，使用充填開采后，避免了煤礦塌陷和煤矸石占地費用，節(jié)約資金1億多元。對農(nóng)業(yè)的發(fā)展和生態(tài)環(huán)境保護也起到了積極作用。

5 結(jié)語

1) 充填開采可以在保證安全生產(chǎn)條件下，有效開采井田內(nèi)的水體下壓煤資源，從根本上解決了煤礦水體下開采的難題。

2) 似膏體充填應用于水體下采煤的技術(shù)和經(jīng)濟效果顯著，為公格營子礦大幅度提高煤炭資源采出率、延長礦井服務年限、保護水體及地表村莊等建筑物開創(chuàng)了一條安全有效的采煤途徑。

3) 改善礦區(qū)環(huán)境，實現(xiàn)礦山綠色開采。充填開采能使地表沉陷得到有效控制，保護地表自然環(huán)境；充填開采將煤矸石、粉煤灰等廢棄物用于井下回填，減少了煤矸石長期堆存，占用大量土地，污染大氣和地下水質(zhì)的環(huán)境問題。

[1] 國家煤炭工業(yè)局[G].建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程.北京:煤炭工業(yè)出版社,2000.

[2] 國家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理局,國家煤礦安全監(jiān)督局[G].煤礦防治水規(guī)定.北京:煤炭工業(yè)出版社,2009.

[3] 黃玉誠,孫恒虎,時召兵,等.似膏體建筑物下采煤可行性探討[J].煤炭科學技術(shù),2003,31(10):51-53.