薄煤層架后安全高效充填開(kāi)采技術(shù)研究

文/王志法　姚玉蒙

薄煤層架后安全高效充填開(kāi)采技術(shù)研究

文/王志法姚玉蒙

針對(duì)新汶礦業(yè)集團(tuán)各礦十三層煤薄煤層開(kāi)采單產(chǎn)低、生產(chǎn)成本高、經(jīng)濟(jì)效益差，以及由于“三下”壓煤，使得滯留煤柱煤量過(guò)大，煤炭損失嚴(yán)重等問(wèn)題，同時(shí)，由于大量矸石的排放增加了礦井水平大巷及副井的提升壓力，且造成地面污染等原因，山東良莊礦業(yè)公司對(duì)薄煤層架后安全高效充填開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行研究，更新設(shè)計(jì)理念，改變落后工藝，利用綜采支架后泵送矸石膏體充填的方法，達(dá)到高產(chǎn)高效的目的，解放了“三下”壓煤難題，延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限，產(chǎn)生極大的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

一、地質(zhì)與生產(chǎn)條件概況

1.井上下概況

31304充填試驗(yàn)面南東起三采十三層軌道上山、北東至F15斷層，上鄰三采總回風(fēng)巷，下鄰31305回采工作面（正在回采），試驗(yàn)面埋深459.4～522.1m，對(duì)應(yīng)地面在近格莊下方及南北兩側(cè)。地表有民房建筑、農(nóng)田。工作面長(zhǎng)135m，推進(jìn)長(zhǎng)度786m左右，沿煤層走向布置，仰斜推進(jìn)。

2.工作面煤層及圍巖地質(zhì)情況

工作面主采13層煤，煤層厚1.14～1.67m，平均1.46m，純煤厚平均1.06m。直接頂為厚6.24m左右的石灰?guī)r，底板為厚9.0m左右的粉砂巖。據(jù)臨近工作面的開(kāi)采情況可知，直接頂和老頂具有較好的穩(wěn)定性，老頂可起到采空區(qū)開(kāi)放式充填條件下的關(guān)鍵層作用。

3．試驗(yàn)面生產(chǎn)技術(shù)狀況

工作面采用傾斜長(zhǎng)壁采煤法，綜采一次采全高回采工藝。膏體材料充填法處理采空區(qū)，本面采用雙滾筒采煤機(jī)雙向割煤，往返一次進(jìn)兩刀。雙滾筒采煤機(jī)自開(kāi)缺口，端頭斜切進(jìn)刀方式。斜切進(jìn)刀要有足夠的長(zhǎng)度，以前一滾筒為準(zhǔn)，不少于25m。工作面運(yùn)煤巷、軌道巷和切眼均沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道均采用錨帶網(wǎng)+錨索支護(hù)。

二、膏體材料采空區(qū)充填方法簡(jiǎn)介

良莊煤礦采用膏體充填，以煤礦的煤矸石作為骨料，水泥作為膠凝材料，粉煤灰作為漿體流動(dòng)性能改良劑，且水泥：粉煤灰：煤矸石= 1∶2∶20(質(zhì)量比)，充填料漿濃度為75%。實(shí)驗(yàn)表明，該充填材料質(zhì)量濃度達(dá)80%以上，料漿不沉淀、不沁水、不離析，流動(dòng)性能好，早期強(qiáng)度高、同結(jié)體不可壓縮、承載性能好、凝結(jié)時(shí)間短，凝結(jié)后強(qiáng)度高，非常適應(yīng)于井下大體積空間(如采空區(qū)、廢棄巷道等)的充填需要。

根據(jù)31304工作面地質(zhì)條件，13層煤頂?shù)装遄兓?guī)律，經(jīng)過(guò)多方案優(yōu)化后，該工作面最終確定采用包式充填法。在待充填區(qū)域上下兩端頭打設(shè)隔離墻，把整個(gè)充填區(qū)密閉。充填前，首先調(diào)整支架保證支架平直并及時(shí)伸出側(cè)護(hù)幫，保證工作面支架控頂區(qū)與待充填區(qū)之間構(gòu)筑一道隔離墻。其次，在工作面軌道巷和皮帶巷采用單體支柱配合隔離木板進(jìn)行支護(hù)，在工作面上、下兩巷控頂區(qū)與待充填區(qū)之間構(gòu)筑一道隔離墻，形成一個(gè)封閉的待充填空間。為了防止漏漿、跑漿，在支架后吊掛塑料編織簾(20m× 4m)，塑料編織簾的一端與軌道巷煤幫相連，另一端與皮帶巷煤幫相連；塑料編織簾的上端固定在支架頂部與頂板之間，下端固定在支架底座部與底板之間。向架后采空區(qū)內(nèi)直接注入膏體充填材料，凝固后對(duì)上覆巖層進(jìn)行直接支撐。

三、膏體充填工藝系統(tǒng)

良莊煤礦31304工作面泵送膏體充填系統(tǒng)采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的泵送充填技術(shù)，其主要充填系統(tǒng)包括以下三部分:

1．配料制漿系統(tǒng)

配料制漿系統(tǒng)把煤矸石、粉煤灰、工業(yè)爐渣、膠結(jié)料和水配制成膏體充填料漿。

2．泵送系統(tǒng)

泵送系統(tǒng)采用充填泵把膏體充填料漿通過(guò)充填管路輸送到采煤工作面。

3．工作面充填子系統(tǒng)

工作面充填子系統(tǒng)將膏體材料充填到后方采空區(qū)。

四、充填開(kāi)采效果評(píng)價(jià)

試驗(yàn)表明，膏體材料充填開(kāi)采能有效控制采空區(qū)覆巖的活動(dòng)和地表的沉陷。工作面面的礦壓觀測(cè)包括地面觀測(cè)和工作面觀測(cè)。

1．地面觀測(cè)結(jié)果

工作面充填開(kāi)采結(jié)束一年多的地面觀測(cè)表明，地表沒(méi)有發(fā)生明顯變化。說(shuō)明采空區(qū)充填后上覆巖層得到有效控制，開(kāi)采對(duì)地表的影響很小。

2．工作面觀測(cè)結(jié)果

31304膏體充填工作面為良莊煤礦的首個(gè)充填工作面，對(duì)工作面4#架、12#架、21#架、29#架、37#架、46#架、54#架、62#架共安裝了8臺(tái)監(jiān)測(cè)分機(jī)對(duì)綜采支架初撐力、工作阻力進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)。每個(gè)監(jiān)測(cè)分機(jī)上的三個(gè)壓力監(jiān)測(cè)通道分別安裝在支架左柱、右柱、前梁的高壓腔，以監(jiān)測(cè)它們的壓力變化情況，儀器的安裝在支架安裝的同時(shí)或在開(kāi)采前進(jìn)行。

從各分站監(jiān)測(cè)到的綜采支架工作阻力變化曲線可以看出，未充填段末期液壓支架受力明顯增大，其它充填階段液壓支架受力都比較平緩；液壓支架受力沒(méi)有周期性的增大現(xiàn)象；隨著采空區(qū)得到及時(shí)充填，液壓支架承受的平均載荷也有所降低。可見(jiàn)，在充填開(kāi)采條件下，工作面沒(méi)有出現(xiàn)周期來(lái)壓現(xiàn)象，工作面上覆巖層活動(dòng)因采空區(qū)得到及時(shí)充填而減緩。另外，從膏體材料的滲透和同結(jié)情況來(lái)看：膏體材料漿液可滲透并固結(jié)采空區(qū)周巖中幾乎所有導(dǎo)通縫隙；固結(jié)體密實(shí)度高，凝固狀況良好，在三向受力狀態(tài)下對(duì)采空區(qū)上覆巖層起到了有效的支撐作用。

綜上所述，膏體充填材料因其具有良好的流動(dòng)性和可灌注性使采空區(qū)及其上覆巖層中幾乎所有導(dǎo)通縫隙都被充填密實(shí)，使整個(gè)采空區(qū)形成了一個(gè)穩(wěn)固的支撐上覆巖層的承載體系。另外，據(jù)最近一次地表測(cè)量可見(jiàn)，充填開(kāi)采后地表最大下沉量不到200mm，地表建筑物沒(méi)有出現(xiàn)明顯裂紋，充填開(kāi)采取得了良好的效果。

五、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益

1.極薄煤層工作面高效開(kāi)采技術(shù)研究成功，可大幅度提高工作面單產(chǎn)，提高安全系數(shù)，技術(shù)成熟后可在全國(guó)范圍內(nèi)推廣應(yīng)用。

2.與傳統(tǒng)開(kāi)采方法比較，采用膏體充填回收條帶煤柱，新采區(qū)采用膏體充填全部充填開(kāi)采，累計(jì)可多采出煤炭1651.6萬(wàn)t，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限8.5年。實(shí)施膏體充填還可以節(jié)省開(kāi)拓巷道、回采巷道掘進(jìn)費(fèi)用，減少礦井矸石、粉煤灰、礦井水處理費(fèi)用，據(jù)初步計(jì)算，良莊煤礦條件下膏體充填節(jié)省費(fèi)用10.93～25.33元/t。

3.良莊煤礦矸石膏體充填回收條帶煤柱技術(shù)試驗(yàn)成功以后，全礦推廣應(yīng)用，新采區(qū)建筑物下開(kāi)采可以采用長(zhǎng)壁充填工作面，所產(chǎn)生的地表沉陷與變形預(yù)計(jì)只有現(xiàn)行條帶開(kāi)采的40%～50%，地表村莊建筑物可以得到良好保護(hù)，受損在I級(jí)損壞范圍內(nèi)。該技術(shù)可以推廣應(yīng)用于淄礦集團(tuán)許廠、唐口和葛亭等煤礦，使?jié)钡V區(qū)各礦村莊建筑物壓煤?jiǎn)栴}得以根本解決，同時(shí)也可推廣應(yīng)用到全國(guó)其他礦區(qū)“三下”壓煤開(kāi)采，對(duì)促進(jìn)我國(guó)煤炭行業(yè)技術(shù)進(jìn)步和綠色礦山建設(shè)有重大作用和意義。

六、結(jié)語(yǔ)

膏體材料充填開(kāi)采技術(shù)無(wú)疑是綠色開(kāi)采技術(shù)的重要組成部分，是解決煤礦“三下”壓煤開(kāi)采的理想途徑。膏體充填工藝較當(dāng)前任何一種充填方式都有明顯優(yōu)點(diǎn)，但膏體充填材料是剛研制出來(lái)的新材料，在技術(shù)方面、矸石儲(chǔ)運(yùn)環(huán)節(jié)還有很大的拓展空間，在效率、效益等方面還有很大的提升潛力。相信，隨著該技術(shù)的不斷完善，它將會(huì)在許多領(lǐng)域與方面發(fā)揮更大的作用。

（作者單位：山東良莊礦業(yè)有限公司，山東能源新汶礦業(yè)集團(tuán)）

（責(zé)任編輯：龐永厚）