超高水材料充填技術(shù)在陶一礦開(kāi)采中的應(yīng)用

李增波劉樹(shù)輪楊生強(qiáng)

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，北京市東城區(qū)，100713；3.冀中能源邯礦集團(tuán)，河北省邯鄲市，056000；4.冀中能源邯礦集團(tuán)陶一煤礦，河北省邯鄲市，056000）

超高水材料充填技術(shù)在陶一礦開(kāi)采中的應(yīng)用

李增波1，2劉樹(shù)輪3楊生強(qiáng)4

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京市海淀區(qū)，100083；2.國(guó)家安全生產(chǎn)監(jiān)督管理總局，北京市東城區(qū)，100713；3.冀中能源邯礦集團(tuán)，河北省邯鄲市，056000；4.冀中能源邯礦集團(tuán)陶一煤礦，河北省邯鄲市，056000）

針對(duì)陶一煤礦建下壓煤?jiǎn)栴}，論述了開(kāi)采技術(shù)方案，對(duì)充填試驗(yàn)面進(jìn)行了沉陷預(yù)計(jì)分析。為保證建下壓煤工作面的安全生產(chǎn)，采取超高水材料充填新技術(shù)對(duì)工作面采空區(qū)進(jìn)行充填，并對(duì)充填開(kāi)采地表沉降變形規(guī)律進(jìn)行了監(jiān)測(cè)與研究，以保證鐵路在采煤過(guò)程中的正常運(yùn)行。

建下壓煤 開(kāi)采技術(shù)方案 超高水充填材料 充填工藝 沉陷監(jiān)測(cè)

1　建下壓煤開(kāi)采的必要性

陶一煤礦歷經(jīng)30余年開(kāi)采，2007年底原采礦許可證范圍內(nèi)剩余可采儲(chǔ)量不足100萬(wàn)t，為合理開(kāi)采煤炭資源及解決陶一煤礦資源枯竭問(wèn)題，經(jīng)申報(bào)批準(zhǔn)邯礦集團(tuán)將毗臨陶一煤礦九采區(qū)的陶二煤礦七采區(qū)劃歸陶一煤礦開(kāi)采。現(xiàn)陶一煤礦剩余可采儲(chǔ)量主要集中在七采區(qū)和九采區(qū)。九采區(qū)所剩資源不多，七采區(qū)屬于九采區(qū)的接替采區(qū)，目前已經(jīng)投入生產(chǎn)，屬主力采區(qū)。經(jīng)核實(shí)，七采區(qū)地質(zhì)儲(chǔ)量為814.79萬(wàn)t，分為4個(gè)塊段，分別為鐵路保護(hù)煤柱334.77萬(wàn)t、師窯村保護(hù)煤柱212.34萬(wàn)t、康莊村保護(hù)煤柱133.25萬(wàn)t和停駟頭型煤場(chǎng)保護(hù)煤柱134.43萬(wàn)t，采區(qū)可采儲(chǔ)量372.97萬(wàn)t，實(shí)際可采儲(chǔ)量219萬(wàn)t。因此，區(qū)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)儲(chǔ)量剩余不多，解放建（構(gòu)）物與鐵路下壓煤成為目前陶一煤礦維持礦井生產(chǎn)能力，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，充分利用已有礦建投資的當(dāng)務(wù)之急。

2　開(kāi)采技術(shù)方案

2.1開(kāi)采方案設(shè)計(jì)原則

根據(jù)目前國(guó)內(nèi)外建筑物下采煤研究現(xiàn)狀以及陶一煤礦已經(jīng)進(jìn)行的超高水材料充填開(kāi)采實(shí)踐，結(jié)合七采區(qū)井上下具體條件，在進(jìn)行七采區(qū)開(kāi)采方案設(shè)計(jì)時(shí)，總體遵循以下原則:

（1）村莊下壓煤實(shí)現(xiàn)不搬遷開(kāi)采，主要建筑物不超過(guò)原煤炭工業(yè)部頒布的 《規(guī)程》中規(guī)定的I級(jí)破壞標(biāo)準(zhǔn)。

（2）邯長(zhǎng)鐵路為單線國(guó)家I級(jí)鐵路，故其下壓煤開(kāi)采引起的變形應(yīng)在其相關(guān)管理規(guī)定范圍內(nèi)。

（3）在第一、第二條原則基礎(chǔ)上，盡量多采煤炭。

（4）盡可能采用成熟或驗(yàn)證后的開(kāi)采技術(shù)。（5）能取得一定的經(jīng)濟(jì)效益。

2.2開(kāi)采技術(shù)方案

根據(jù)開(kāi)采方案總體原則，綜合考慮村莊及鐵路下壓煤開(kāi)采的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)要求，結(jié)合邯礦集團(tuán)陶一煤礦的具體地質(zhì)采礦條件提出長(zhǎng)壁工作面超高水材料充填開(kāi)采技術(shù)方案。

3　超高水充填材料基本性能與包式充填過(guò)程

由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)開(kāi)發(fā)研制的采空區(qū)充填材料中，水體積達(dá)95%～97%，充填膠結(jié)體中固體料用量較少，適用于井下大體積空間如采空區(qū)的充填需要。由于固體料用量較少，充填工藝系統(tǒng)較簡(jiǎn)單。

3.1材料簡(jiǎn)介

超高水充填材料主要由A、B兩種物料組成，A料主要以鋁土礦石膏等獨(dú)立煉制并復(fù)合超緩凝分散劑構(gòu)成，B料由石膏、石灰與復(fù)合速凝劑構(gòu)成。二者以1∶1比例配合使用，強(qiáng)度可據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整，滿足井下充填要求，材料水體積可達(dá)到97%。超高水材料固結(jié)體具有體積應(yīng)變較小，凝結(jié)時(shí)間易調(diào)，輸送距離不受限制等優(yōu)點(diǎn)，是井下采空區(qū)充填的理想材料。

3.2包式超高水充填工藝過(guò)程

充填工藝過(guò)程要求:

（1）工作面自開(kāi)切眼開(kāi)始，通過(guò)特制充填支架布置充填袋（包）；

（2）工作面每向前推進(jìn)兩刀，進(jìn)行充填，在充填袋（包）內(nèi)充入超高水充填材料漿體至飽滿；

（3）待材料凝固后，支架向前推移，完成第一次充填開(kāi)采循環(huán)，接著如此循環(huán)；

（4）當(dāng)整個(gè)采空區(qū)充填結(jié)束后，在兩巷構(gòu)筑封堵墻密閉采空區(qū)，對(duì)剩余空間及預(yù)留通道進(jìn)行集中充填，使整個(gè)采空區(qū)充填飽滿，固結(jié)體全部處于三向受力狀態(tài)，提高采空區(qū)支撐體系的長(zhǎng)期穩(wěn)定。采空區(qū)袋（包）式充填示意圖見(jiàn)圖1所示。

圖1　采空區(qū)袋（包）式充填示意圖

4　沉陷監(jiān)測(cè)

為滿足礦井生產(chǎn)的需要，掌握采取超高水材料充填新技術(shù)采煤對(duì)邯長(zhǎng)鐵路的影響規(guī)律，以便采取合理的維護(hù)措施保障邯長(zhǎng)鐵路在采煤過(guò)程中的正常運(yùn)行，冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)委托河北工程大學(xué)測(cè)繪工程系開(kāi)展冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)陶一煤礦邯長(zhǎng)鐵路充填開(kāi)采地表沉降變形規(guī)律的監(jiān)測(cè)與研究。要求在陶一煤礦12706、12704和12702充填開(kāi)采工作面上方沿邯長(zhǎng)鐵路方向設(shè)置路基和軌道地表移動(dòng)觀測(cè)站，監(jiān)測(cè)鐵路路基和軌道的移動(dòng)與變形規(guī)律，為適時(shí)采取起道、拔道和串軌等維護(hù)措施提供依據(jù)，以保證鐵路在采煤過(guò)程中的正常運(yùn)行，同時(shí)獲取超高水材料充填條件下邯鄲礦區(qū)的地表移動(dòng)變形規(guī)律。

4.1項(xiàng)目?jī)?nèi)容

（1）根據(jù)陶一煤礦地質(zhì)采礦條件及有關(guān)規(guī)程的規(guī)定，在3個(gè)充填工作面上方沿邯長(zhǎng)鐵路方向設(shè)置路基和軌道地表移動(dòng)觀測(cè)站，具體工作包括地表移動(dòng)觀測(cè)站技術(shù)設(shè)計(jì)、觀測(cè)站所有觀測(cè)線的布設(shè)、各觀測(cè)線基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置的確定及基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)標(biāo)石的制作與埋設(shè)。

（2）根據(jù)設(shè)計(jì)要求和實(shí)際情況，按規(guī)定的周期與精度要求及時(shí)進(jìn)行觀測(cè)線基準(zhǔn)點(diǎn)連接測(cè)量、全面測(cè)量與日常測(cè)量、數(shù)據(jù)處理與變形分析；及時(shí)準(zhǔn)確的為保證鐵路正常運(yùn)行而采取的維護(hù)措施提供數(shù)據(jù)。

（3）在地表沉降變形分析的基礎(chǔ)上研究采取超高水材料充填技術(shù)下地表的移動(dòng)和變形規(guī)律。為礦井安全開(kāi)展 “三下”采煤工作、土地復(fù)墾及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境恢復(fù)與重建提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)保證。

4.2各工作面沉降監(jiān)測(cè)概況

（1）12706工作面。2012年2月15日-2012年3月15日，根據(jù)12706工作面地質(zhì)采礦條件進(jìn)行沉陷觀測(cè)的方案設(shè)計(jì)和圖上選點(diǎn)；4月29日，根據(jù)設(shè)計(jì)方案實(shí)地選點(diǎn)，路基和軌道監(jiān)測(cè)點(diǎn)按設(shè)計(jì)方案布設(shè)，考慮到工農(nóng)關(guān)系和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的保存，傾斜觀測(cè)線沿傾向主斷面附近的小路布設(shè)；5月12日進(jìn)行連接測(cè)量和首期全面觀測(cè)，5月12日、6月8日和7月14日分別進(jìn)行了沉陷前的3次全面觀測(cè)和與鐵路高程系統(tǒng)的聯(lián)測(cè)；2012年7月-2013年8月進(jìn)行日常觀測(cè)，沉陷活躍期監(jiān)測(cè)頻率為1次/周，衰退期為1次/2周；2013年8月-2013年10月按技術(shù)設(shè)計(jì)要求完成項(xiàng)目的全部工作，包括監(jiān)測(cè)信息采集的全面測(cè)量、日常測(cè)量、監(jiān)測(cè)信息的數(shù)據(jù)處理和分析。

圖2　技術(shù)路線圖

（2）12702工作面。2013年3月15日-4月15日，根據(jù)12702工作面地質(zhì)采礦條件進(jìn)行沉陷觀測(cè)的方案設(shè)計(jì)和圖上選點(diǎn)；4月20日，根據(jù)設(shè)計(jì)方案實(shí)地選點(diǎn)，路基和軌道監(jiān)測(cè)點(diǎn)按設(shè)計(jì)方案布設(shè)，考慮到工農(nóng)關(guān)系和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的保存，傾斜觀測(cè)線沿傾向主斷面附近的小路布設(shè)；5月4日進(jìn)行連接測(cè)量和首期全面觀測(cè)，5月4日和5月18日分別進(jìn)行了沉陷前的兩次全面觀測(cè)和與鐵路高程系統(tǒng)的聯(lián)測(cè)；5月-11月進(jìn)行日常觀測(cè)，沉陷活躍期監(jiān)測(cè)頻率為2次/月，衰退期為1次/月；11月-12月，按技術(shù)設(shè)計(jì)要求完成項(xiàng)目的全部工作。

（3）12704工作面。2013年10月10日-10月15日，根據(jù)12704工作面地質(zhì)采礦條件進(jìn)行沉陷觀測(cè)的方案設(shè)計(jì)和圖上選點(diǎn)；10月20日，根據(jù)設(shè)計(jì)方案實(shí)地選點(diǎn)，路基和軌道監(jiān)測(cè)點(diǎn)按設(shè)計(jì)方案布設(shè)，考慮到工農(nóng)關(guān)系和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的保存，傾斜觀測(cè)線沿傾向主斷面附近的小路布設(shè)；11月10日進(jìn)行連接測(cè)量和首期全面觀測(cè)；2013年12月-2014年11月進(jìn)行日常觀測(cè)，沉陷活躍期監(jiān)測(cè)頻率為2次/月，衰退期為1次/月，遇有特殊情況觀測(cè)周期適當(dāng)加密；2014年11月—2015年4月，沉降穩(wěn)定期監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)周期1次/月。

4.3監(jiān)測(cè)方法

陶一煤礦采用GPS技術(shù)進(jìn)行坐標(biāo)聯(lián)測(cè)，以測(cè)區(qū)周邊3個(gè)已知點(diǎn)為基準(zhǔn)，采用GPS靜態(tài)測(cè)量將坐標(biāo)傳遞至測(cè)區(qū)，使沉陷監(jiān)測(cè)成果與礦區(qū)坐標(biāo)系統(tǒng)保持一致，測(cè)量等級(jí)為E級(jí)；采用全站儀進(jìn)行平面位置和水平方向移動(dòng)的測(cè)量，以GPS確定的聯(lián)測(cè)點(diǎn)為基準(zhǔn)，采用導(dǎo)線測(cè)量方法確定各監(jiān)測(cè)點(diǎn)初始坐標(biāo)和各期全面觀測(cè)坐標(biāo)。測(cè)量等級(jí)為Ⅰ級(jí)導(dǎo)線；高程聯(lián)系測(cè)量和日常觀測(cè)采用水準(zhǔn)測(cè)量確定各點(diǎn)高程，用于計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)下沉，首次全面觀測(cè)將監(jiān)測(cè)點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)共同構(gòu)成閉合水準(zhǔn)路線，確定各點(diǎn)初始高程，日常觀測(cè)采用單程雙轉(zhuǎn)點(diǎn)，間隔2～3個(gè)月聯(lián)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)。測(cè)量等級(jí)為四等水準(zhǔn)。

4.4技術(shù)路線

根據(jù)本礦區(qū)地質(zhì)采礦條件和有關(guān)規(guī)程的要求，以及各工作面的布置位置、采空區(qū)上方地形和地物條件、便于基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的長(zhǎng)期保存及土地占用補(bǔ)償費(fèi)等因素，沿工作面主斷面分別布設(shè)一條走向觀測(cè)線和傾向觀測(cè)線。平面控制測(cè)量采用GPS定位技術(shù)、全站儀測(cè)量，高程控制測(cè)量采用四等水準(zhǔn)測(cè)量，按規(guī)定周期和觀測(cè)精度分別進(jìn)行觀測(cè)站的連接測(cè)量、全面測(cè)量和日常測(cè)量；采對(duì)監(jiān)測(cè)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理與變形分析。技術(shù)路線流程見(jiàn)圖2。

5　結(jié)論

本文監(jiān)測(cè)了2014年11月-2015年4月末路基觀測(cè)點(diǎn)的累積下沉觀測(cè)成果，近半年來(lái)路基最大累計(jì)下沉12 mm?！督ㄖ铩⑺w、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程》規(guī)定，當(dāng)開(kāi)采結(jié)束后六個(gè)月累積下沉小于30 mm時(shí)可判定地表沉降已穩(wěn)定。由此可知，陶一礦鐵路沉降已穩(wěn)定。

（責(zé)任編輯 張艷華）

Application of filling technology with super high-water materials in coal mining in Taoyi Coal Mine

Li Zengbo1，2，Liu Shulun3，Yang Shengqiang4
（1.Faculty of Resources&Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.State Administration of Work Safety，Dongcheng，Beijing 100713，China；3.Jizhong Energy Handan Mining Group Co.，Ltd.，Handan，Hebei 056000，China；4.Taoyi Coal Mine of Jizhong Energy Handan Mining Group Co.，Ltd.，Handan，Hebei 056000，China）

Aiming at the problem of coal under buildings in Taoyi Coal Mine，the mining technical proposals were discussed，and the subsidence of filling test surface was predicted and analyzed.In order to guarantee the safety mining under buildings，the new filling technology with super high-water materials was applied in the goaf of filling mining face，and the subsidence and deformation laws of ground surface were monitored and studied，which ensured the normal running of railway in process of mining.

coal under buildings，mining technical proposal，super high-water filling meterials，filling technology，subsidence monitoring

TD325.4

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李增波（1966-），男，山東青島人，博士研究生，研究方向?yàn)榘踩芾砑罢哐芯俊?/p>