厚煤層橋拱式矸石配超高水材料置換“三下”壓煤全采技術(shù)研究

姬生華 李長厚 李永德

（微山縣付村鎮(zhèn)高煤公司 生產(chǎn)科，山東 微山 277605）

高煤公司坐落在微山湖畔，1997年10月建成投產(chǎn)，現(xiàn)核定生產(chǎn)能力320萬噸/年。幾年來，高煤公司牢固樹立珍惜資源、節(jié)約資源的理念，大力實施綠色開采，自主創(chuàng)新形成了厚煤層橋拱式矸石配超高水材料置換“三下”壓煤全采技術(shù)（以下簡稱“橋拱式”全采技術(shù)），實現(xiàn)了“三下”壓煤厚煤層的全采，取得了良好的經(jīng)濟和社會效益。公司先后榮獲“煤炭工業(yè)節(jié)能減排先進單位”等幾十項省部級榮譽稱號。

1 “橋拱式”全采技術(shù)始于認知上的突破

高煤公司井田范圍內(nèi)村莊及地面建筑物壓煤資源儲量多達4200萬噸。隨著工業(yè)和城鎮(zhèn)化的發(fā)展，建筑物下壓煤仍有增大趨勢，嚴重制約著礦區(qū)生產(chǎn)和服務(wù)年限，而且壓煤區(qū)域處于微山湖流域，村莊密集，搬遷困難。實施充填開采，解放“三下”壓煤，己成為礦井可持續(xù)發(fā)展的必然選擇?；谏鲜銮闆r，我們從建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型企業(yè)的高度出發(fā)，瞄準提高資源回收、增加經(jīng)濟效益、實現(xiàn)科學(xué)發(fā)展的目標，確立了解放“三下”壓煤、實施綠色開采、實現(xiàn)矸石不上井的思路。

為尋求一條解放“三下”壓煤的最佳方案，本著“最大限度地解放煤炭資源、減小地面建筑物破壞程度，實現(xiàn)效益最大化”的原則，從2006年開始，我們組織人員對充填開采進行了廣泛調(diào)研。先后去了岱莊、王集、太平、田莊、邱集、城郊煤礦等省內(nèi)外多家兄弟單位。先后考察了離層注漿、膏體充填、綜采工作面架后矸石充填、高水和超高水充填等工藝，這幾種充填方式基本都是在薄及中厚煤層中應(yīng)用，效果好、各有特點，特別是超高水充填材料，該材料具有含水量高（95-97%）、凝固速度快、充實率高（充填體傾斜、曲率、水平變形量?。?、早期強度高的特點，固結(jié)體具有良好的承載性能和抗壓縮性，頂板及地面下沉量可控制在較小范圍，對于高煤公司充填材料的選擇可供借鑒。由于高煤公司所要置換的煤層厚度為4～6m的厚煤層，我們了解學(xué)習(xí)的礦井均為薄及中厚煤層，通過調(diào)研，我們雖然沒有尋求到厚煤層開采較為理想的充填工藝，但也從中得到了許多有益啟示，結(jié)合拱橋建筑原理，在礦井原有無煤柱開采及矸石不上井條帶充填的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新提出了厚煤層橋拱式矸石配超高水材料置換“三下”壓煤全采技術(shù)，通過開采性實驗情況來看，完全適合于目前公司充填開采。該技術(shù)主要是利用綜掘機或連續(xù)采煤機快速掘進的特點，在厚煤層“三下”壓煤中，按奇數(shù)順序掘出巷道，以掘進方式采煤，然后用矸石充填同時注入超高水材料，兩條相鄰的奇數(shù)巷道充填后，就形成了類似于大橋橋墩的充填墻，之后再把兩個墻體之間的煤體采出，形成的空間相當于大橋“橋拱”，用于滿足井下矸石的充填。

圖1 注漿流程示意圖

2 “橋拱式”全采技術(shù)精于實踐上的創(chuàng)新

“橋拱式”充填全采系統(tǒng)由注漿充填、矸石充填和煤炭運輸三大流程組成（如圖2）。圍繞“三大流程”，我們在充填材料選擇、系統(tǒng)配備、工藝流程、控制三帶四個方面，大膽嘗試、勇于創(chuàng)新，取得了滿意的成效。

圖2 充填全采技術(shù)工藝示意圖

1）優(yōu)選充填材料。超高水材料是由中國礦業(yè)大學(xué)發(fā)明的一種新型充填材料，它主要由A、B兩種物料組成。A料主要以鋁土礦等礦物質(zhì)燒制并與超緩凝分散劑（AA料）混合，B料由石膏等礦物質(zhì)與復(fù)合速凝劑（BB料）組成。A、B料分別加水制成A漿液和B漿液，將兩種漿液混合后在一定時間內(nèi)膠結(jié)、凝聚，達到設(shè)計強度，實現(xiàn)采空區(qū)充填。混合后的漿體中水的體積可達95%～97%，初凝時間通過改變材料和水的配比在8-90min靈活調(diào)整。超高水材料具有以下特性：一是，固結(jié)體早強特征明顯，且固結(jié)體最終強度可根據(jù)水體積比的不同而有所變化；二是，固結(jié)體受壓后，體積應(yīng)變較小，具有不可壓縮性；三是，初凝時間具有可控性；雖然該材料屬于早強、快硬型膠結(jié)材料，但是材料的初凝時間可根據(jù)工藝要求進行具體控制；四是，具有在封閉狀態(tài)下或在完全潮濕狀態(tài)下的熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性、受壓下穩(wěn)定性，并具有微膨脹特性，可保持長期穩(wěn)定。充填粗骨料選用礦井產(chǎn)生的井下矸石和地面洗煤廠產(chǎn)生的廢料洗矸，進行配合充填，不僅起到了降低材料成本，而且還能夠?qū)π纬傻某咚畨w起到加固作用。

圖3 矸石充填注漿流程剖面圖

2）優(yōu)配系統(tǒng)裝備。在超高水液體制備方面，把超高水制備系統(tǒng)設(shè)置于井下充填現(xiàn)場，并創(chuàng)新實施了雙巷交替式生產(chǎn)，切實解決漿體運輸不連續(xù)的問題，提高泵送功率，一次性輸送距離達2000m以上，通過接力可實現(xiàn)遠距離輸送，充填能力由最初的每小時110m3提升到每小時160m3。在矸石配合充填方面，本著高效節(jié)約的原則，我們與廠家聯(lián)合創(chuàng)新研制了雙向給煤機、膠帶機和快速拋矸機，實現(xiàn)采煤與充填矸石在同一皮帶雙向運輸，降低充填系統(tǒng)巷道工程量，節(jié)約設(shè)備投資和人力占用，使采煤、充填工藝流程實現(xiàn)機械化、皮帶化、連續(xù)化。同時，在地面洗煤排矸場建設(shè)了Φ325mm大孔徑下料口，使洗選出的洗矸直接落入井下充填站附近的料場，減少洗矸運輸環(huán)節(jié)，快捷提供充填粗骨料。

3）優(yōu)化工藝流程。通過科學(xué)確立材料配比、物料攪拌、漿料泵送、連續(xù)充填、立體考核“五項參數(shù)”，進行技術(shù)分析，規(guī)范調(diào)整各項參數(shù)，持續(xù)完善“橋拱式”充填全采技術(shù)；在掘進回采巷道中，采用綜掘機分層施工，成功解決了巷道施工高度高、跨度大的難題，確保了回采巷道的安全施工；對掘進流程與注漿流程優(yōu)化設(shè)計，使兩套系統(tǒng)獨立運行，采煤和充填同時施工、互不干擾，操作更加靈活；將充填巷道沿下山布置，盡量增加巷道長度，提高漿體充填密實率和開采效率；探索創(chuàng)新管路漿液快速混合分離法、管路堵塞快速疏通法、材料精準配比法，破解了材料配比不準、配比不均及配合后容易堵塞等技術(shù)難題，實現(xiàn)了連續(xù)輸送；實行定崗定員、一崗雙責(zé)、交替補位、平行作業(yè)，推進了高產(chǎn)高效。

圖4 矸石注漿充填工藝流程圖

4）加強“三帶”控制。加強冒落帶、裂隙帶、彎曲帶的觀測和控制是保證地面建筑物不受破壞的關(guān)鍵。在加強“三帶”控制上，首先我們建立健全了地面巖移觀測網(wǎng)和井下礦壓觀測系統(tǒng)，充分利用沉降監(jiān)測手段，跟蹤監(jiān)測工作面頂板下沉和地表變形情況。其次，合理設(shè)計“橋墩”、“橋拱”的空間尺寸，兩者保持1：1的寬度，使橋墩具有足夠的支撐強度。同時，合理配置采煤與充填順序，按照采出一條巷道、充填一條巷道的方式，邊回采、邊充填，消除采空區(qū)大面積懸頂?shù)默F(xiàn)象，控制頂板下沉，減小地表移動與變形，達到理想的減沉效果。經(jīng)過近五年的巖移觀測，充填區(qū)上方的洗煤廠棧橋、儲料倉等重要建筑物得到了有效保護。

3 “橋拱式”全采技術(shù)成于效能上的釋放

通過推廣應(yīng)用“橋拱式”全采技術(shù)，較好地解決了“三下壓煤”問題，收到了良好的經(jīng)濟和社會效益，主要體現(xiàn)為“一低、兩高、三少”：

一低。就是充填成本低，此工藝與我公司正常綜采工作面開采成本相比，噸煤成本只需增加130元，相對于其它充填開采工藝成本較低。

兩高。一是資源回采率高，通過“橋拱式”開采，可以實現(xiàn)開采范圍內(nèi)煤體的全部采出；二是效率高，隨著工人熟練程度的提高和工藝的持續(xù)改進，產(chǎn)能逐年提升，一臺綜掘機從最初的年產(chǎn)8萬噸，提高到目前年產(chǎn)18萬噸。

三少。一是，使用充填物少，“橋拱式”充填開采工藝只是利用橋墩支撐的方式完成頂板控制，實現(xiàn)地表不下沉，只需一半的充填體積就能滿足煤體的全部采出；二是，投資少，配備一套充填系統(tǒng)僅相當于裝備一個綜采工作面投資的十分之一；三是，用人少，掘進工作面使用雙向給煤機、雙向膠帶機，充填巷道應(yīng)用快速拋矸機，極大節(jié)約了人工成本，一個年產(chǎn)15～20萬噸的采煤和充填工作面僅需60人，便能完成任務(wù)。

幾年的探索與實踐，我們找到了一條厚煤層“三下”壓煤全采的有效方法。同時，也清醒的認識到，“橋拱式”全采技術(shù)還存在著一些需要改進的地方，在高產(chǎn)高效、機械化程度等方面還有較大的提升空間。我們將借鑒兄弟單位充填開采的成功經(jīng)驗，進一步加大探索研究和成果轉(zhuǎn)化力度，促進企業(yè)安全高效和可持續(xù)發(fā)展。