中厚煤層回采工作面充填開采與效果分析

師云龍

(霍州煤電集團(tuán) 辛置煤礦，山西 霍州 031412)

1 工程概況

10-429工作面位于辛置煤礦東四左翼采區(qū)，主采10號煤層，煤層均厚為2.62 m，平均傾角為2°。煤層直接頂為泥巖和9號煤層的互層，厚度為2.7～3.6 m，均厚為3.4 m，基本頂為K2灰?guī)r，厚度為6.6～8.0 m，均厚為7.0 m，煤層底板為砂質(zhì)泥巖和細(xì)砂巖。工作面采用綜合機(jī)械化開采，開采高度為2.6 m，循環(huán)進(jìn)尺為0.6 m，由于工作面對應(yīng)地面位置處存在村莊及建筑物，擬采用充填開采進(jìn)行頂板管理，有效控制地表下沉，本文對充填開采工藝進(jìn)行研究。

2 充填開采技術(shù)

2.1 充填材料確定

目前在充填開采時，采用的充填材料主要有水砂充填、膏體充填、矸石充填和高水及超高水充填材料。水砂充填能夠有效控制地表移動，但是該種材料具有充填系統(tǒng)復(fù)雜及成本高的缺點(diǎn)；矸石充填技術(shù)同樣具有穩(wěn)定性好的優(yōu)點(diǎn)，但井下的矸石供應(yīng)量不能滿足充填量的使用，且設(shè)備的投資較高；膏體充填開采具有采出率高、安全性好的優(yōu)點(diǎn)，但其充填初期投資和成本均較高；超高水材料進(jìn)行充填不僅具有成本低、工藝簡單及操作方便的特征，同時能夠保障充實(shí)率，有效控制住地表沉降。因此，確定采用超高水材料進(jìn)行充填。

本次使用的超高水充填材料主要由A料和B料組成，其中A料主要由石膏、鋁土礦及緩凝劑A組成；B料主要由石灰、復(fù)合緩凝劑B及石膏等組成。在使用時將A料和B料1∶1混合后生成超高水材料，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)[1-2]，能夠得出超高水材料含水率在91%～97%范圍內(nèi)，不同養(yǎng)護(hù)時間下的抗壓強(qiáng)度如圖1所示。

圖1 超高水材料不同養(yǎng)護(hù)時間下抗壓強(qiáng)度曲線

由圖1可知，超高水材料在不同含水率下的抗壓強(qiáng)度表現(xiàn)為相同的趨勢，材料在0～150 h的抗壓強(qiáng)度處于較快增長的階段，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間多于150 h后，抗壓強(qiáng)度的增長速度逐漸變緩，當(dāng)養(yǎng)護(hù)時間多于350 h時，材料的抗壓強(qiáng)度基本不再發(fā)生變化。同時能夠看出，材料隨著含水率的降低，在相同的養(yǎng)護(hù)時間下，抗壓強(qiáng)度逐漸增大，最大抗壓強(qiáng)度達(dá)到5.1 MPa。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)可知，該種超高水材料在不同養(yǎng)護(hù)時間下的體積應(yīng)變基本一致，且體積應(yīng)變值會隨著材料含水率的降低而逐漸降低。

綜合上述分析可知，該種超高水材料具有早期硬化快和早期強(qiáng)度高的特點(diǎn)，材料抗風(fēng)化能力相對較弱，但采空區(qū)內(nèi)基本為封閉潮濕的環(huán)境，故可知該材料為一種較為理想的充填開采材料。

2.2 充填方法與工藝

結(jié)合眾多工程現(xiàn)場的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)[3-4]以及工作面的具體情況，確定本次充填作業(yè)采用全袋式充填，當(dāng)袋內(nèi)的材料凝固后會對區(qū)段煤柱以及采空區(qū)內(nèi)的上覆巖層形成一定程度的支撐。

基于袋裝超高水材料充填技術(shù)，結(jié)合工作面的布置情況及地質(zhì)條件進(jìn)行充填施工工藝設(shè)計(jì)：充填系統(tǒng)主要包括漿體制備、漿體輸送、混合清洗、工作面充填、供水供電和通訊系統(tǒng)。充填工作面內(nèi)設(shè)置5個充填進(jìn)漿口，掛設(shè)5個充填包，從回風(fēng)巷向進(jìn)風(fēng)巷方向依次編號為1～5號，每個充填包之間間隔15架支架，每個充填包設(shè)置兩個二次充填直通，直徑為76 mm，每個充填包的長度為22.5 m，每當(dāng)工作面推進(jìn)1.8 m時，進(jìn)行一次充填作業(yè)，充填材料使用含水率為92%的超高水材料，具體充填環(huán)節(jié)如表1所示。

表1 工作面充填作業(yè)環(huán)節(jié)

注：“▲”代表滿包；“全”代表閥門全開；“半”代表閥門半開

在工作面回采過程中，其具體充填工藝流程如下：

1) 在一個充填循環(huán)結(jié)束后，進(jìn)行采煤機(jī)的割煤作業(yè)，從工作面端頭進(jìn)行兩刀煤的割煤作業(yè)；

2) 在進(jìn)行第三刀煤的割煤作業(yè)時，進(jìn)刀方式采用中部進(jìn)刀，進(jìn)行中間1號充填袋22.5 m范圍的割煤作業(yè)，割煤完成后，在充填支架下的擋板下掛設(shè)充填袋，隨后進(jìn)行充填作業(yè)，此為一個充填循環(huán)的第一階段；

3) 一階段充填完成后，繼續(xù)進(jìn)行割煤作業(yè)，進(jìn)行2號、3號充填袋的充填作業(yè)，并同時對1號充填袋內(nèi)漿體的凝固程度進(jìn)行檢測，此為一個充填循環(huán)的第二階段；

4) 二階段充填完成后，進(jìn)一步進(jìn)行4號、5號充填帶區(qū)域的割煤作業(yè)，隨后進(jìn)行兩個充填袋的充填作業(yè)，此為一個充填循環(huán)的第三階段；

5) 第三階段充填完成后，即完成了工作面區(qū)域5個常規(guī)充填袋的充填作業(yè)，為保障充實(shí)率，在該區(qū)域后方進(jìn)行二次充填作業(yè)，以提高充填效果。

具體一個充填循環(huán)充填作業(yè)布置平面如圖2所示。

圖2 工作面充填循環(huán)作業(yè)流程平面

3 現(xiàn)場實(shí)測效果分析

3.1 充填體受力分析

在充填作業(yè)時，為分析充填的效果，在工作面上部、中部和下部分別布置2個觀測站，具體在2號、8號、22號、32號、50號及54號支架處布置充填體壓力觀測站，采用壓力傳感器進(jìn)行充填體受力的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，分析充填體受力情況?，F(xiàn)以2號、32號和54號支架測點(diǎn)為例，充填體受力曲線如圖3所示。

圖3 工作面不同區(qū)域充填體受力曲線

由圖3可知，充填體在靠近兩回采巷道位置處的受力小于中部充填體的受力，不同位置處充填體的受力隨觀測時間的變化曲線基本一致，均表現(xiàn)為先增大、后減小至零，隨后受力再逐漸增大，最后充填體的受力達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，其中曲線中充填體受力減小為零的主要原因?yàn)榇藭r充填體區(qū)域剛剛進(jìn)入采空區(qū)內(nèi)部，此時充填體與頂板接觸不實(shí)，導(dǎo)致頂板的壓力無法向充填體內(nèi)傳遞，所以表現(xiàn)為監(jiān)測得到充填體的受力數(shù)值為零。另外能夠看出充填體最大受力小于3.0 MPa，未超過92%含水率的極限承載能力4.5 MPa，充填體的受力較為正常。

3.2 地表沉陷分析

在工作面回采充填期間，在工作面對應(yīng)的地表區(qū)域設(shè)置地表沉降監(jiān)測點(diǎn)，在工作面區(qū)域四個方向分別布置4條測線，具體為北線、南線、東線和西線，其中北線3號點(diǎn)下沉量相對較大，西線5號點(diǎn)下沉量最小，具體以該兩點(diǎn)進(jìn)行分析，如圖4所示。

由圖4可知，工作面回采充填期間，在2018年11月25日～2019年3月30日期間，地表下沉主要出現(xiàn)在2018年11月25日～2019年2月10日的范圍內(nèi)，隨后，隨著工作面充填開采的進(jìn)行，最大下沉速率基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，下沉量基本達(dá)到穩(wěn)定，地表區(qū)域的最大下沉量為0.21 m，有效控制了地表的沉降。

圖4 工作面充填回采地表沉降曲線

4 結(jié) 語

根據(jù)10-429工作面具體位置和地質(zhì)條件，選擇超高水材料為充填材料，對工作面進(jìn)行了充填開采，通過對充填開采期間的效果監(jiān)測，地表沉降最大量為0.21 m，有效控制了地表的下沉，充填效果顯著。