深井風動充填開采技術(shù)與巖移觀測實踐

文/郭明 段元帥

深井風動充填開采技術(shù)與巖移觀測實踐

文/郭明 段元帥

隨著礦井開采深度的增加,山東能源新礦集團萬祥礦業(yè)有限公司4197工作面受底板奧灰水威脅日甚，最大涌水量達847m3/min。為遏制和預防底板涌水，減少地面塌陷及對村莊建筑物和立井煤柱的影響，萬祥礦業(yè)公司決定對4197工作面實施深井風動充填采煤法進行開采。同時，為了及時了解和掌握4197面開采期間底板奧灰水壓、附近巷道、地表建筑物等周圍環(huán)境的變化情況，萬祥礦業(yè)公司分別在地面和井下布設巖移動態(tài)觀測網(wǎng)，以提高充填開采效果，最終實現(xiàn)了安全高效綠色開采。

一、工作面概況

4197工作面為萬祥礦業(yè)公司-740水平后四下山采區(qū)首個工作面，位于-740水平井底車場附近，利于矸石運輸和充填。工作面平均走向長 930m，傾斜寬平均91m，開采19煤層，為一穩(wěn)定的中厚煤層，煤厚0.74～4.65m（純煤厚度），平均2.50m左右，含夾矸0～3層，厚0～0.58m，為復雜結(jié)構(gòu)煤層，走向275°～310°，傾向5°～40°，傾角23°～32°。

水文地質(zhì)：4197工作面底板充水含水層為五灰、六灰和奧灰，其距煤 19#底板分別為 18.7m、 35m和61m；五灰厚5.5m，六灰厚8m。五灰、六灰突水性較差，通過構(gòu)造裂隙接受奧灰水的補給，水量0.1m3/h，初始水壓2.1MPa，易疏水降壓；奧灰厚800余m，以質(zhì)純石灰?guī)r為主，露頭位于東泉莊至里辛莊以南，出露面積15Km2，接受大氣降水和第四系潛水補給，補給條件好，且因斷裂構(gòu)造的存在，對工作面安全開采造成極大的威脅。

二、矸石充填開采技術(shù)的實施方案

1.采煤方法

4197工作面采用走向長臂采煤法開采，以矸石充填采空區(qū)控制頂板。采用MG180/415-W型采煤機落煤、裝煤，SGZ630/264型刮板輸送機運煤，采用ZC4000/16/32型液壓充填支架支護頂板，以矸石充填采空區(qū)組織生產(chǎn)。工作面平均采高2.3m，每刀循環(huán)進度0.6m，采用“三八”制循環(huán)作業(yè)；工作面每推采兩刀進行一次拉架充填，充填歨距1.2m，傾向長平均91m，按此順序周而復始進行。

2.風動矸石充填技術(shù)

風動矸石充填技術(shù)由三部分組成。第一部分由兩臺40t溜子、一臺顎式破碎機（75KW電機）、兩臺錘式破碎機（30KW電機）、儲矸倉和兩臺SD-80型運輸皮帶組成，其作用是將矸石粉碎、存儲并運至工作面上頭的自制充填機。第二部分由ZG-65型羅茨風機和6寸鋼管組成，其作用是為工作面上頭的自制充填機供風。第三部分由自制充填機 （改造的噴漿機）和6寸PVC輸料管組成，其作用是向采空區(qū)輸送粉碎的矸石，以實現(xiàn)充填。

3.風動矸石充填技術(shù)具體操作步驟

⑴工作面割煤兩刀后，整個工作面自下向上推移溜子至煤壁，當煤層頂板破碎時，應先打錨桿支護頂板，然后進行移架和組裝充填管路。移液壓充填支架時，應根據(jù)充填需要，每次移動四個，充填四個，依次循環(huán)往復。

⑵當首次四個液壓支架移到位（充填步距達到1.2m），且工作面上充填管路也組裝完畢時，發(fā)出充填信號，準備充填。

⑶開動ZG-65型羅茨風機向風動充填機供風和啟動自制充填機。

⑷開動皮帶運輸機向充填機供粉碎的矸石料，并繼續(xù)粉碎矸石以保證有充足的充填料。

⑸向采空區(qū)充填，并根據(jù)充填狀況，對充填的矸石實施推壓，達到充填密實的效果。

⑹當充填完成第一組四個支架后，應縮減充填管路，同理實施第二組充填，直至完成該次循環(huán)。

三、巖移動態(tài)觀測

采空區(qū)上覆巖層自懸露發(fā)展到破壞，基本上有彎拉破壞和剪切破壞兩種運動形式，且剪切破壞相比彎拉破壞強烈，破壞形式運動范圍大、速度快。只有其下部允許運動的空間高度大于沉降巖層的可沉降值時，巖層運動才會發(fā)展至冒落。因此，充填采空區(qū)是制止采空區(qū)冒落的有效措施，且充填越密實效果越理想。

為及時了解和掌握4197面開采期間底板奧灰水壓、附近巷道、地表建筑物等周圍環(huán)境的變化情況，萬祥礦業(yè)公司分別在地面及井下布設了三處巖移動態(tài)觀測網(wǎng)，按照設計要求分別對各觀測網(wǎng)按時進行測量和記錄，及時對觀測數(shù)據(jù)進行總結(jié)、比較、分析，找出差異點，并針對具體問題，采取積極的方法、措施，以提高充填開采效果。觀測網(wǎng)布置如下圖所示。

巖移動態(tài)觀測網(wǎng)布置圖

1.地面巖移觀測網(wǎng)的設置

地面巖移觀測網(wǎng)一處設在4197工作面正上部，一處設在工作面東側(cè)的工業(yè)廣場。4197工作面正上部地表觀測網(wǎng)共設A、B、C、D、E五條觀測線，其中A、B、C三條線沿走向布置，D、E兩條線沿傾向平行布置；工業(yè)廣場巖移觀測網(wǎng)共設A1、B1、C1三條觀測線，布設成射線狀，其中C1線布設在大巷保護煤柱上方，A1線位于立井工廠南邊位置，B1線與 A1線平行相距150m，且橫穿立井井筒。另外，還在井塔上布設四個加密監(jiān)測點，測量坐標和高程，三個月測量一次。

2.井下巷道變形觀測

井下巷道觀測網(wǎng)設在-740m西大巷，全長1200m。走向包括了整個4197面的開采范圍，平面位置最遠處距4197運輸巷120m、最近處60m，其底板標高與4197上巷標高相差5～10m，與運輸巷標高相差30～70m，極易受到4197面開采的影響。自東向西每30m左右布設一組觀測點，共設置40個觀測點。

3.測量標準及計算方法

⑴采用導線、水準、距離測量法對各觀測網(wǎng)內(nèi)的監(jiān)控點進行水平和豎直位移觀測，及時統(tǒng)計、比較各觀測點的空間位移變化量。要求每次觀測均為同型號的儀器、相同的觀測方法及施工人員。

⑵導線測量精度按7秒或按一級導線測量要求；測角中誤差5秒，測回數(shù)4（DJ2），方位角閉合差±10秒（n為測站數(shù)）；根據(jù)生產(chǎn)進度，每2～3周觀測一次；每次觀測同時記錄工作面開采位置及其他相關數(shù)據(jù)。

⑷采用概率積分法計算機程序進行地表移動與變形計算，計算在微機上進行，運用run運行主體計算程序及前后處理系統(tǒng)通過項目總結(jié)鑒定。地表移動變形參數(shù)根據(jù)礦井實測及參考臨近礦井資料選取，并保留一定安全系數(shù)，確定長臂開采地表移動和變形預計巖移參數(shù)。

按照經(jīng)驗公式計算，預計地表最大移動和變形值：地表最大下沉值252mm；地表最大傾斜1.2mm/m；地表最大水平變形值-1.8～1.1mm/m范圍；由此得出：充填開采對地面構(gòu)筑物的影響不大，但部分構(gòu)筑物可能受到II級破壞。

四、結(jié)語

采用風動矸石充填采煤法，井下產(chǎn)出矸石就地消耗，節(jié)省了排干費，減少了投入礦車費用，且開采期間工作面僅呈現(xiàn)小量底板裂隙滲水，降低了水害威脅，提高了資源采出率，這對于實現(xiàn)礦井安全生產(chǎn)和解放呆滯煤炭資源具有重大的現(xiàn)實意義。

（作者單位：山東能源新礦集團萬祥礦業(yè)有限公司）

（責任編輯：周瓊）