雙預(yù)掘進(jìn)固體充填技術(shù)在鎮(zhèn)城底礦的應(yīng)用

溫成亮

（山西焦煤西山煤電鎮(zhèn)城底礦，山西 古交 030203）

0 引言

新型固體充填開采技術(shù)的成功應(yīng)用為解放我國“三下”煤做出了巨大貢獻(xiàn)[1]?！叭隆泵菏侵副焕г诮ㄖ?、鐵路、水體下的煤炭資源。這項技術(shù)甚至改變了一些資源枯竭的礦井的存在狀態(tài)，使之成為值得開采的礦井?，F(xiàn)在，一些煤礦已經(jīng)開始依賴這種技術(shù)來確保長期運(yùn)營能力。該技術(shù)在回采速度、巖層移動、地表沉陷控制等方面具有突出的技術(shù)優(yōu)勢。

充填體壓縮比（BBC R）[2]的最終值直接反映充填效果，是充填采礦新技術(shù)成功實施的關(guān)鍵因素。特殊的掘進(jìn)工藝、固體物料回填工藝、關(guān)鍵設(shè)備以及特別適宜的地質(zhì)條件對BBC R有重要影響。一般來說，可以采用“頂空采煤，向下充填固體”的方法來保證較高的BBC R值。然而，在“下采上頂固體充填”條件下，固體物料極易滑進(jìn)充填液壓支架所在的作業(yè)空間。很難實現(xiàn)一個頂部縫隙盡可能小[3]。BBC R需要在合理的頂部間隙下得到保證。如果頂板間隙的值不在預(yù)定范圍內(nèi)，BBC R就不能保證。

根據(jù)充填采區(qū)的地質(zhì)條件，如果后退充填開采不能克服向下采煤和向上固體充填的缺點[4]，則必須采用超前充填開采來保證充填效果。我們測試了在鎮(zhèn)城底礦保留2個預(yù)掘進(jìn)和2個采空區(qū)是否可以實現(xiàn)這一點，是在“三下”采煤和井下固體充填過程中進(jìn)行的。將提出的充填采礦掘進(jìn)法與常規(guī)條帶采礦掘進(jìn)法的結(jié)果進(jìn)行了比較，并進(jìn)行了詳細(xì)的論述。

1 雙預(yù)掘進(jìn)超前固體充填開采布置

1.1 基本原理

雙預(yù)掘進(jìn)超前充填掘進(jìn)法是一種全機(jī)械化固體充填掘進(jìn)技術(shù)。該技術(shù)首先利用2個預(yù)驅(qū)動入口和一個橫切口形成通道，然后在通道附近建造一個設(shè)置室；當(dāng)采煤盤面前進(jìn)時，雙側(cè)采空區(qū)保留運(yùn)輸原煤和原料（即煤和物料）。分別完成采煤和充填過程。這種方法的典型設(shè)計如圖1所示。

圖1 雙預(yù)掘進(jìn)超前充填掘進(jìn)法的基本原理

1.2 地質(zhì)條件

1）鎮(zhèn)城底礦井于1983年元月開工建設(shè)，1986年11月與同等能力的選煤廠同時投產(chǎn)。礦區(qū)總面積17.76 km2。礦井布置采用1對斜井單水平開拓，主運(yùn)輸水平標(biāo)高為+760 m。主采2.3、8號煤層，煤質(zhì)以肥煤、焦煤為主。自燃傾向為Ⅱ類自燃煤層，煤塵均具有爆炸性。2016年10月21日升級為高瓦斯礦井。通風(fēng)方式為混合式，水文地質(zhì)條件復(fù)雜，屬帶壓開采礦井。2017年6月，礦井公告能力為190萬t/a。

2）充填采區(qū)條件：目前，只有南部地區(qū)有一些可供開采的煤炭資源。礦區(qū)邊界煤柱以西，F(xiàn) D2斷裂以南，F(xiàn) D39斷裂以北。煤層埋深580 m。上覆第四紀(jì)松散層厚度415 m，基巖厚度165 m（數(shù)據(jù)來自H9鉆孔）。該煤層為鎮(zhèn)城底礦3號煤，平均厚度2.5 m，平均傾角12°。該煤層的廣義地質(zhì)剖面如圖2所示。

圖2 工作面設(shè)備布泡面圖和俯視圖

3）表面條件：鎮(zhèn)城底礦區(qū)的相應(yīng)地表由村莊、道路和河流組成。表面建筑的結(jié)構(gòu)形式為半木結(jié)構(gòu)或磚混結(jié)構(gòu)，表面抗變形能力一般水平。根據(jù)《建筑物下、水體下、軌道下、主要巷道下、煤柱下采煤規(guī)程》，煤礦必須將開采影響區(qū)控制在I級限制范圍內(nèi):地表最大沉陷在250 mm內(nèi)，水平最大變形在1.0 mm/m以內(nèi)。

1.3 系統(tǒng)優(yōu)化布局

目前，鎮(zhèn)城底礦被選為采用先進(jìn)的雙預(yù)掘進(jìn)固體充填掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行開采掘進(jìn)。據(jù)此，設(shè)計了雙預(yù)掘進(jìn)充填采礦法。與條帶采礦掘進(jìn)法相比，雙預(yù)掘進(jìn)充填采礦法的采礦速度加快，但是沉降率缺明顯降低。

2 充填開采關(guān)鍵設(shè)備

根據(jù)雙預(yù)掘進(jìn)固體充填超前開采的設(shè)計方案，主要在原條帶開采生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加一個采空區(qū)充填系統(tǒng)。充填采礦設(shè)備布局如圖2所示。

新設(shè)計的系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備包括回填液壓支架、回填刮板輸送機(jī)和自進(jìn)式回填裝載機(jī)。充填液壓支架由1個前頂棚、1個后頂棚、6個支柱、1個防四桿聯(lián)動裝置、1臺壓實機(jī)和1個底座組成。由于充填和回采過程都需要在支架遮擋下進(jìn)行空間作業(yè)，這就意味著需要1條獨立的采煤作業(yè)通道、1條充填作業(yè)通道和一個更廣闊的視覺空間來保證充填效率。在前幾代回填液壓支架應(yīng)用的基礎(chǔ)上，最新優(yōu)化的支架僅能滿足ZC9600/16/32型的要求。

自行推進(jìn)式充填裝載機(jī)與充填刮板輸送機(jī)配合進(jìn)行固體充填物的運(yùn)輸和卸料。

自進(jìn)式充填裝載機(jī)負(fù)責(zé)將充填物料從低水平的矸石帶式輸送機(jī)運(yùn)到高水平的刮板輸送機(jī)的機(jī)頭?；靥罟伟遢斔蜋C(jī)負(fù)責(zé)控制回填物料從尾部到機(jī)頭的時間和卸料。這2臺機(jī)器的協(xié)作原理如圖3所示。

圖3 自進(jìn)式充填裝載機(jī)與固體充填液壓支架的協(xié)作原理

3 掘進(jìn)方式設(shè)計

3.1 掘進(jìn)方式設(shè)計原則

采空區(qū)充填體是固體充填采礦技術(shù)中巖層移動的關(guān)鍵因素，它能顯著控制主頂板關(guān)鍵巖層的下沉。對于沿空留巷旁充填體，影響其頂板控制的因素有多種：①須有足夠的支撐阻力，保證支撐體與頂板緊密接觸，因此，回填體必須有合理的寬度；②充填體在直接頂板緩慢下沉過程中受到壓縮時應(yīng)具備承壓能力；③在沿空留巷過程中，支護(hù)系統(tǒng)應(yīng)能抵抗不小于2 MPa的壓實壓力。基于上述原因，建立了圍巖結(jié)構(gòu)力學(xué)模型來指導(dǎo)支護(hù)系統(tǒng)參數(shù)的設(shè)計。結(jié)果表明，支護(hù)體寬度應(yīng)不小于3 m，頂板沉陷不大于0.25 m。

3.2 支護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計

1）原支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計：原預(yù)挖入口的屋頂支撐系統(tǒng)采用了?18 mm×1 800 mm螺紋鋼螺栓，編號26-38鍍鋅線50 mm×50 mm菱形網(wǎng)，?14 mm鋼筋制成的鋼梯。每排有4個螺栓陣列，間距800 mm×1 000 mm。路邊采用?18 mm×1 800 mm螺紋鋼螺栓和支架為40 mm×40 mm塑料網(wǎng)，螺栓陣列間距1 000 mm×1 000 mm。道路支護(hù)設(shè)計如圖4所示。

圖4 總體設(shè)計為回填工作面支護(hù)采用先進(jìn)的雙預(yù)掘進(jìn)巷道回采技術(shù)

2）沿空留巷支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計：沿空巷道支護(hù)采用螺栓網(wǎng)緊鋼絲與梯子聯(lián)合支護(hù)相結(jié)合的支護(hù)方法。在預(yù)挖巷道支護(hù)體系的基礎(chǔ)上，采用?17.8 mm×5 800 mm錨索和箱鐵沿其走向。

3）巷道旁回填支護(hù)體設(shè)計：巷道旁回填體采用螺栓、鋼帶、鋼梯、金屬網(wǎng)組成加固支護(hù)體系。充填體寬度為3 000 mm，高度與巷道一致。固定在?20 mm×3 200 mm雙頭地腳螺栓、鋼梯、鋼帶。鋼帶與鋼梯通過交叉布置的方式組合在一起。此外，頂板由菱形金屬網(wǎng)支撐。2條預(yù)掘巷道、2條空留巷的固體密集充填超前開采技術(shù)設(shè)計如圖5所示。

圖5 雙巷預(yù)挖、雙巷邊留的固體密集充填先進(jìn)掘進(jìn)開采技術(shù)圖

3.3 雙側(cè)采空區(qū)充填開采一體化工藝

在完成路邊回填體支護(hù)設(shè)計工作后，下一步的工作是沿空留巷工藝和固體充填采礦工藝。采場采用充填開采一體化設(shè)計，沿空留2個巷道。充填開采過程如下:①采用0.6 m卷筒截煤機(jī)進(jìn)行雙向采煤；②工人將支架移至采煤機(jī)后，打開充填設(shè)備進(jìn)行運(yùn)輸，并按規(guī)定時間卸出固體物料；③固體材料被壓實機(jī)壓實，形成致密的回填體。沿空留巷工藝流程如下:一是準(zhǔn)備支護(hù)材料；然后，一個臨時的支撐所述結(jié)構(gòu)由單個液壓支柱和由煤矸石壁組裝而成的梯形坡面組成，用于路邊充填體;最后采用w型鋼帶、鋼梯、金屬網(wǎng)、雙螺紋螺栓等，形成路邊組合支護(hù)系統(tǒng)。然后對面板工作面和2條巷道進(jìn)行雙側(cè)留巷一體化充填開采。當(dāng)這一過程在面板面上進(jìn)行時，需要密切的協(xié)調(diào)管理，以確保預(yù)期的效果。

4 結(jié)論

1）提出采用雙預(yù)掘進(jìn)固體充填先進(jìn)開采技術(shù)開采“三下”煤炭資源，為保證煤炭資源上方建筑物的安全，對固體充填開采系統(tǒng)進(jìn)行了設(shè)計和優(yōu)化，滿足地表沉陷控制要求。

2）對回填開采液壓支架、回填刮板輸送機(jī)、回填輸送機(jī)等關(guān)鍵回填設(shè)備進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計。

3）該系統(tǒng)的實施表明，該系統(tǒng)的回收率可由條帶開采的40%提高到固體充填開采的85%。地表變形監(jiān)測顯示，對應(yīng)的最大地面沉降量為125 mm，而硐室回采和條帶回采的地表預(yù)期沉陷量分別為940 mm和288 mm，如圖6所示。

圖6 三種掘進(jìn)開采方式的沉降預(yù)測和雙掘進(jìn)沉降測量