膏體充填工藝在北翼充填采區(qū)1201充填面的應(yīng)用與總結(jié)

摘要：闡述了西馬煤礦充填開采技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用情況，北翼充填采區(qū)的建設(shè)背景及必要性。對北翼充填采區(qū)1201充填首采面的生產(chǎn)工藝、充填系統(tǒng)及工藝及充填效果觀測作了詳細(xì)的介紹，對膏體充填開采技術(shù)在全省，乃至全國兄弟企業(yè)的推廣及應(yīng)用起到重要作用。

關(guān)鍵詞：三下開采;充填面;膏體;應(yīng)用;總結(jié)

中圖分類號：TD823.7 ???文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A?????文章編號：1671-2064（2019）16-0000-00

0引言

隨著煤炭開采技術(shù)水平的提高，煤礦“三下”開采技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展。隨著充填材料的研發(fā)與推廣應(yīng)用，利用采空區(qū)充填的方法對“三下”壓煤進行開采已經(jīng)成為一種必然趨勢。充填開采不僅能有效控制冒落帶高度、巖層移動、地表下沉，而且資源回收率最高可達(dá)90%以上。目前常用的充填開采技術(shù)主要有似膏體充填、膏體充填、超高水材料充填和固體廢物充填等，特別是膏體充填開采技術(shù)已經(jīng)在我國的一些礦井生產(chǎn)中進行了成功的應(yīng)用。

1礦井概況

西馬煤礦為立井單水平（-350水平）分區(qū)式上下山開拓，中央邊界抽出式通風(fēng)。設(shè)計能力為75萬t/年，經(jīng)技術(shù)改造后，核定生產(chǎn)能力為150萬t/年。井田南北走向7.5km，東西傾斜4km，井田面積30km²。礦井地表標(biāo)高+20m，現(xiàn)礦井開采深度為-170m至-700m。全井田煤層為不對稱向斜，傾角由向斜軸向兩翼逐漸變大，西陡東緩，東翼煤層傾角0～5°，西翼煤層傾角0～50°?，F(xiàn)采場在礦井東翼，煤層傾角在5～15°之間，屬緩傾斜煤層。全井田煤種主要為無煙煤。礦井采用以綜采為主，高檔普采為輔，走向長壁（傾斜長壁）后退式全部垮落法及全部充填法的回采工藝。

2 充填開采的意義

2.1 解決三下壓煤

由于礦井的煤炭有一大部分都在村莊下和高速公路下，為保證礦井的可持續(xù)發(fā)展，解決三下壓煤是西馬煤礦可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。行之有效的方法就是采取采空區(qū)充填，保證地表建筑物和公路不受影響。

2.2 消除礦井排矸和熱電廠排放物對環(huán)境的影響

西馬煤礦歷年排矸量達(dá)42.2萬m³，排放矸石對地面生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，主要表現(xiàn)在：壓占土地、污染環(huán)境、危害人類安全。

公司下屬的兩座熱電廠靠近礦區(qū)，熱電廠在生產(chǎn)過程中，排放大量的粉煤灰，粉煤灰也同樣占用土地、污染環(huán)境，但粉煤灰的利用率較低，需要采取措施處理掉。將礦井的矸石和熱電廠的粉煤灰處理掉，周圍生活的人們所處的環(huán)境將得到改善。

3 充填開采技術(shù)的探索試驗

西馬煤礦首先在南一采區(qū)1326工作面成功地進行了膏體充填開采，共計采出原煤2.3萬噸。通過1326工作面的開采，積累了大量的生產(chǎn)經(jīng)驗和數(shù)據(jù)資料，為本礦全面實施“三下”開采奠定了基礎(chǔ)。依據(jù)1326工作面開采的數(shù)據(jù)資料，對位于工業(yè)廣場煤柱內(nèi)的1327工作面進行了開采論證?；谡撟C結(jié)果，西馬煤礦對1327工作面實施了膏體充填開采。1327工作面已經(jīng)于2014年2月份采完，在地表受影響范圍內(nèi)最大下沉值為185mm，最大傾斜變形值為+1.4mm/m和-1.5mm/m，正曲率值、負(fù)曲率最大值分別為+0.06×10^-3/m和-0.07×10^-3/m，最大水平變形值分別為+1.3mm/m和-1.7mm/m。將各測點移動變形值與《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中所規(guī)定的建筑物損壞等級I級范圍（水平變形ε≤2.0mm/m，曲率K≤0.2×10^-3/m，傾斜i≤3.0mm/m）相比較，其移動變形值均在I級范圍內(nèi)，廣場內(nèi)洗煤廠沉陷值在+10mm至-40mm，洗煤設(shè)備正常使用。

4 北翼充填采區(qū)的建立

基于南一區(qū)1326、1327采面充填開采的成功經(jīng)驗，西馬煤礦對井田東北部“三下”壓煤集中區(qū)劃定為北翼充填采區(qū)，面積為3.346km²，采區(qū)內(nèi)12煤層共有煤炭儲量為597.06萬t，其中邊界防水煤柱的儲量為284萬t，高速公路保護煤柱的儲量為95.96萬t，白家荒地村保護煤柱的儲量為81萬t，西馬峰村保護煤柱的儲量為63.4萬t，變電所及中學(xué)保護煤柱儲量的儲量為17萬t，儲量共計541.36萬t，占采區(qū)總儲量的90.7%。2014年在該區(qū)域內(nèi)進行水文地質(zhì)補勘，施工了5個水工鉆孔，2014年施工了1個水工兼水位、基巖移動動態(tài)長期觀測孔，區(qū)內(nèi)共施工鉆孔38個，鉆孔密度為11.4/km，2012年對該區(qū)煤層頂板鉆探取芯進行了巖石物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)測試。

對保護煤柱實施膏體充填開采，實質(zhì)上是降低了煤層采高，降低冒落帶高度及沉陷的范圍，為了使充填開采安全、經(jīng)濟合理，保證防水安全，地面建筑物能安全使用，決定只采12煤上煤，首采面布置在西馬峰村保護煤柱內(nèi)。

5 1201充填面的充填工藝

5.1 充填系統(tǒng)概述

北翼充填采區(qū)設(shè)置水泥倉、矸石倉和充填泵站。

水泥經(jīng)由輔助運輸系統(tǒng)運至水泥倉上口，翻車進入水泥倉。放倉經(jīng)膠帶輸送機與北翼充填采區(qū)矸石倉下的膠帶輸送機上的矸石混合，經(jīng)北翼充填采區(qū)材料上山膠帶輸送機運至北翼充填采區(qū)充填泵站。

粉碎的矸石和粉煤灰由地面矸石山經(jīng)1#充填立孔進入井下1#矸石倉，放倉經(jīng)北翼充填皮帶運輸巷膠帶輸送機運輸?shù)奖币沓涮畈蓞^(qū)矸石倉，放倉后與水泥混合，經(jīng)北翼充填采區(qū)材料上山膠帶輸送機運至北翼充填采區(qū)充填泵站。

在充填泵站設(shè)置容量40m³的蓄水池供充填用水。在1201上、下順中部，分別設(shè)置排水池用于排出工作面充填洗管水。

在工作面內(nèi)充填管路每隔15～25m為一個充填段，每相鄰充填段間隔不大于1.5m，中間用柈子將頂板封嚴(yán)，相鄰未充填區(qū)域在下次充填時采用改變充填段位置的方式將其充填。

在工作面內(nèi)每隔15m設(shè)置一個布料閥，各充填管之間采用萬向節(jié)連接。工作面充填管路固定在工作面運輸機上，隨工作面運輸機推移移動。

1201充填面采用膏體充填的方法管理采空區(qū)頂板，即將破碎的矸石、水泥、粉煤灰加水按比例混合形成膏體，經(jīng)充填泵加壓，通過布置在巷道內(nèi)的充填管路將膏體運送至工作面充填。

管路輸送膏體路線：充填采區(qū)充填泵站→北翼充填采區(qū)入風(fēng)材料上山→中部運輸巷→Nc-1201中順→上、下采面。

5.2 膏體配比及充填工藝流程

5.2.1 膏體配比

膏體為水泥、粉煤灰、破碎的煤矸石和水，按重量比1：4：10：4混合而成。

5.2.2 充填工藝流程

回收待充填區(qū)域單體液壓支柱→設(shè)置擋漿簾→充填管路連接→充填管注入0.5m³水→充填管注入0.5m³砂漿（水泥和粉煤灰混合物）→充填管注入膏體→注水清洗充填管路。

5.3 工作面充填前準(zhǔn)備

先回收單體液壓支柱，然后設(shè)置擋漿簾，再使用充填軟管將待充填采面固定在運輸機上的充填管和中順的充填管對接。

5.4 工作面充填方法

充填前，先向充填管內(nèi)注入0.5m³水，將管路潤滑。水注入后，向充填泵內(nèi)注入0.5m³砂漿（水泥和粉煤灰混合物）。由機頭向機尾方向充填，通過布料閥的開啟或關(guān)閉改變充填位置。本段充填即將結(jié)束前，先開啟下一充填段布料閥，待本充填段充滿后關(guān)閉布料閥，下一充填段進入正常充填階段，以此類推，直至充填結(jié)束。

待膠帶輸送機上充填料轉(zhuǎn)空后，向充填泵內(nèi)加入水。充填至上、下順擋漿排時，由充填負(fù)責(zé)人通知充填泵司機充填結(jié)束，清洗充填泵和管路。充填結(jié)束后將工作面的充填布料閥關(guān)閉，使充填管內(nèi)的水自流到上、下順的排水池內(nèi)。及時將1201上、下順排水池充填水排出，將池內(nèi)的淤清凈。

采空區(qū)膏體凝固6個小時，將擋漿排單體液壓支柱回收，回收后擋漿排單體液壓支柱柱距不大于1.5m。

6 1201充填面各項觀測成果

對1201充填面充填前后進行觀測，上部共計進行328次充填及觀測，經(jīng)計算采空區(qū)平均充填前高1.578m，采空區(qū)平均充填高度1.462m，采空區(qū)平均未充填高度0.116m，充填率為92.6%。下部共計進行335次充填及觀測，經(jīng)計算采空區(qū)平均充填前高1.544m，采空區(qū)平均充填高度1.442m，采空區(qū)平均未充填高度0.102m，充填率為93.4%。

6.1 充填體內(nèi)頂?shù)装逡平考皯?yīng)力觀測

采用頂?shù)装逡平縿討B(tài)報警儀及應(yīng)力傳感器監(jiān)測設(shè)備，對頂板移近量進行了觀測，通過對上各點觀測數(shù)據(jù)分析，頂?shù)装逡平考皣鷰r應(yīng)力采用18個點進行計算。觀測最大下沉量（22#點）為0.261m，最大應(yīng)力值（17#點）為6.5MPa。頂?shù)装逡平坎捎?2#點，圍巖應(yīng)力采用17#點進行計算。22#點位膏體充填高度為1.650m，地面監(jiān)測下沉量為0.261m欠接頂高度為0.20，充填前頂板移近量0.036m， 其膏體充填壓縮率為（0.261-0.20+0.036）÷1.650=0.015m/m= 1.5%。觀測17#測點的應(yīng)力為3.68MPa， 相當(dāng)于368t/㎡，十二煤采深為191m，按覆巖容重2.6t/㎡計算，原巖應(yīng)力為497t/㎡，采空區(qū)內(nèi)充填體承載強度為原巖應(yīng)力的74%。

6.2 1201充填面地表觀測

高程測量分別于2014年5月8日至2018年4月22日進行了7次觀測，每次觀測后對水準(zhǔn)測量記錄認(rèn)真檢查，按規(guī)程要求不超限進行平差，通過觀測最大下沉量為0.292m。

1201充填面2014年9月25日開采，2018年7月20日結(jié)束，在此期間每月對地表觀測巡視一次，未發(fā)現(xiàn)地表有裂縫現(xiàn)象。

1201充填面2014年9月25日開采后，對影響范圍內(nèi)地面建筑物每季度進行一次觀測調(diào)查。影響范圍內(nèi)共計160戶，破壞程度均在Ⅰ級以內(nèi)。

7 經(jīng)濟分析

1201充填面地質(zhì)儲量50.5萬t，可采儲量 47.9萬t ，實際動用煤量50.4萬t，實際采出煤量為48.3萬t，回收率95.8%。在經(jīng)濟方面為企業(yè)創(chuàng)造利潤7245萬元，在環(huán)境治理方面回填矸石352224m³、粉煤灰140889m³。

1201采面充填開采主要消耗材料有：水泥、粉煤灰、矸石、充填袋、圓木等。其它消耗有人工，電力及設(shè)備折舊等。t煤充填成本約80元左右。

8結(jié)語

通過以上對北翼充填采區(qū)1201充填面開采充填工藝的描述及對開采期間各項參數(shù)的觀測、測試與模擬對比結(jié)果，證明北翼充填采區(qū)采用膏體充填開采是科學(xué)、可行的，為西馬煤礦充填開采的進一步開展奠定了基礎(chǔ)。通過膏體充填技術(shù)在北翼充填采區(qū)的應(yīng)用，解決了西馬煤礦三下壓煤的回采問題，使礦井的可采儲量增加3320萬t，延長了礦井的服務(wù)年限20年，使國家的煤炭資源得以有效利用，對企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起到了保障作用，具有可觀的經(jīng)濟效益和良好的社會效益。

參考文獻(xiàn)

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收稿日期：2019-07-12

作者簡介：莊百宏（1966—），男，漢族，遼寧大連人，本科，工程師，研究方向：采礦工程。