建筑物下四階段條帶膏體充填開(kāi)采技術(shù)與應(yīng)用

宋英明，劉東升，劉 浪，王 美，蘇 臣，楊 震，徐慶路

(1.榆林泰發(fā)祥礦業(yè)公司 麻黃梁煤礦，陜西 榆林 719100；2.西安科技大學(xué) 能源學(xué)院，陜西 西安 710054；3.教育部西部礦井開(kāi)采及災(zāi)害防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710054)

煤炭是我國(guó)的主體能源，據(jù)報(bào)道，我國(guó)80%以上的礦井存在三下壓煤?jiǎn)栴}[1]，三下壓煤量達(dá)到140多億t，壓煤量巨大，其中，建筑物下壓煤量占三下壓煤總量的60%左右[2-4]。然而建筑物下煤炭資源開(kāi)采量較少，利用率較低[5]。很多礦井都面臨建筑物下壓煤?jiǎn)栴}，造成諸多礦井有儲(chǔ)量而不能大規(guī)模開(kāi)采的局面，嚴(yán)重影響煤礦企業(yè)的生產(chǎn)與經(jīng)濟(jì)效益。因此如何有規(guī)劃、高效、安全的解放建筑下壓煤?jiǎn)栴}，是目前煤炭企業(yè)急需解決的問(wèn)題。

我國(guó)目前建筑物下采煤代表性的方法為條帶開(kāi)采和充填開(kāi)采[6]。條帶開(kāi)采法即將被采煤層按一定間距或者不同間距劃分成若干條帶，間隔開(kāi)采條帶，未采條帶作為保護(hù)煤柱，支撐頂板，減小地表移動(dòng)變形，實(shí)現(xiàn)保護(hù)地表建筑物的目的[7]。彭莊礦、忻州窯礦采用條帶開(kāi)采方法對(duì)村莊下煤炭資源進(jìn)行回采[8，9]，但該方法采出率較低，約為40%～60%[10]，在復(fù)雜地質(zhì)條件下采出率可能更低，而且條帶煤柱的長(zhǎng)期穩(wěn)定性難以保證。充填法是用充填體本身的強(qiáng)度支撐上覆巖層，目前越來(lái)越多的礦井采用充填法解決建筑物下的壓煤?jiǎn)栴}。同時(shí)，國(guó)家對(duì)在建筑物下、鐵路下、水體下通過(guò)充填開(kāi)采方式采出的礦產(chǎn)資源實(shí)行資源稅減征等優(yōu)惠政策，以及在我國(guó)綠色發(fā)展的理念倡導(dǎo)下，促使了充填采礦法的應(yīng)用與推廣。對(duì)于煤礦充填材料，目前常用的有煤矸石、粉煤灰、風(fēng)積沙和黃土等。例如，上河煤礦、榆陽(yáng)煤礦采用風(fēng)積沙、粉煤灰材料進(jìn)行充填采煤[10-12]，岱莊煤礦使用煤矸石膏體充填技術(shù)回收條帶殘留煤柱[13]。

目前越來(lái)越多的煤礦以及研究者探索將固體廢棄物的處置與煤礦充填結(jié)合起來(lái)，我國(guó)在煤炭生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的煤矸石約占煤炭產(chǎn)量的15%，據(jù)報(bào)道2020年將會(huì)有7.95億t煤矸石產(chǎn)生，而綜合利用率不到30%[14，15]。因此選用煤矸石作充填骨料，不僅可以解決煤矸石處理費(fèi)用，而且減少矸石排放造成的占地以及環(huán)境污染等問(wèn)題。另外添加粉煤灰作為輔助膠凝劑，代替部分水泥，可降低充填成本。

本文以麻黃梁煤礦建筑物下壓煤為生產(chǎn)技術(shù)條件，提出了四階段膏體充填開(kāi)采技術(shù)，以及以煤矸石固體廢棄物處置為基本出發(fā)點(diǎn)，系統(tǒng)介紹了麻黃梁煤礦建筑物下四階段膏體充填采煤工藝，對(duì)開(kāi)采后充填效果進(jìn)行評(píng)價(jià)，并對(duì)技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益進(jìn)行了分析。應(yīng)用四階段膏體充填技術(shù)對(duì)建筑下壓煤的解放以及地表的有效控制，為建筑物下采煤以及礦山綠色發(fā)展做出有益探索。

1 礦井概況

麻黃梁井田位于榆林城東北方向約23km處，煤礦井田面積7.7772km2，生產(chǎn)能力為2.4Mt/a。井田范圍內(nèi)共有可采煤層兩層，分別為3、3-1煤層，現(xiàn)開(kāi)采煤層為3號(hào)煤層。麻黃梁煤礦地面建筑物主要為麻黃梁鎮(zhèn)、工業(yè)廣場(chǎng)和萬(wàn)家崖村，難以搬遷。建筑物下壓煤區(qū)內(nèi)3煤與3-1煤合并為一層煤層，煤層標(biāo)高+1090～+1105m，煤層厚度10.12～10.7m，平均10.4m(含矸)。煤層埋深168.86 ～ 200.82m，平均約185m。煤層傾角0°～5°，平均傾角0.59°。目前，可采儲(chǔ)量約為30Mt，其中建筑物下壓煤量約占可采儲(chǔ)量的1/3。

2 條帶膏體充填采煤工藝

2.1 四階段條帶膏體充填

四階段條帶膏體充填，是從切眼開(kāi)始留設(shè)11m煤柱，之后將工作面分為若干組條帶，每個(gè)條帶寬為8m，四個(gè)條帶為一組，采8m留24m，分四階段開(kāi)采。采用綜掘機(jī)垂直于回采巷道掘進(jìn)條帶，條帶掘通后進(jìn)行二次收底開(kāi)采，完成一個(gè)8m寬的條帶的開(kāi)采。每個(gè)條帶，上半部分為掘進(jìn)開(kāi)采，下半部分為二次收底開(kāi)采。一個(gè)條帶采完以后，間隔24m煤柱，掘進(jìn)機(jī)移動(dòng)到下一組條帶繼續(xù)開(kāi)采。采完一個(gè)條帶，在形成的條帶兩端頭用移動(dòng)式隔離裝置將開(kāi)采后的采空區(qū)封堵起來(lái)，再用膏體充填料漿充滿(mǎn)該采空區(qū)。進(jìn)行充填后，同樣再對(duì)下一個(gè)條帶進(jìn)行充填，當(dāng)完成第一階段開(kāi)采后，再返回到起點(diǎn)處對(duì)剩余煤柱實(shí)施第二階段開(kāi)采并充填，以此對(duì)第三、第四階段進(jìn)行回采和充填，直至采出所有煤炭資源。四階段膏體充填方法如圖1所示。

圖1 四階段膏體充填方法

2.2 充填材料的制備及性能

充填材料應(yīng)具有良好的流動(dòng)性、力學(xué)性能，廉價(jià)且分布廣泛，麻黃梁煤礦充填材料主要為煤礦生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的煤矸石、電廠(chǎng)粉煤灰、硅酸鹽水泥、添加劑和礦井水，煤矸石粒徑分布如圖2所示。根據(jù)強(qiáng)度以及流動(dòng)性實(shí)驗(yàn)確定質(zhì)量濃度為81%，各固體組分配比為：煤矸石80%，粉煤灰8%，膠凝材料12%。將經(jīng)過(guò)粗破和細(xì)破后的煤矸石與以上材料進(jìn)行混合，制備成性能優(yōu)良的膏體充填材料。

圖2 煤矸石粒徑分布

制備好的充填料漿經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)取樣進(jìn)行測(cè)試，測(cè)得試樣坍落度為25.5cm，滿(mǎn)足充填輸送的坍落度要求(23.5～27.5cm)[16]。充填料漿凝結(jié)時(shí)間決定充填料漿凝結(jié)快慢，同時(shí)對(duì)泵送時(shí)間有重要影響，若凝結(jié)時(shí)間過(guò)快，則有可能漿體還未到達(dá)采空區(qū)就已凝固，造成管路堵塞；若凝結(jié)過(guò)慢，則會(huì)長(zhǎng)時(shí)間保持液態(tài)，影響作業(yè)安全[17]。因此采用ZKS-100型砂漿凝固時(shí)間測(cè)試儀測(cè)得新鮮充填料漿的初凝時(shí)間為365min，終凝時(shí)間為452min，滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)4h的可泵時(shí)間要求。將現(xiàn)場(chǎng)取出的充填料漿倒入7.07cm×7.07cm×7.07cm試模，養(yǎng)護(hù)1d后脫膜，放入恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱中養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)28d的單周抗壓強(qiáng)度可達(dá)5.5MPa左右。充填膏體不離析、不沉降，泌水率小于3%，性能優(yōu)良。

2.3 膏體充填系統(tǒng)工藝流程

膏體充填系統(tǒng)由破碎系統(tǒng)、計(jì)量系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)和泵送系統(tǒng)四部分組成。首先矸石通過(guò)一級(jí)顎式破碎，然后進(jìn)行二級(jí)細(xì)破碎后，過(guò)13mm篩網(wǎng)后，大于13mm的矸石再次進(jìn)行二級(jí)細(xì)破碎，粒徑小于13mm的矸石進(jìn)入計(jì)量斗，同時(shí)水泥、粉煤灰以及水和添加劑混合液體經(jīng)過(guò)稱(chēng)量后，一起進(jìn)入攪拌機(jī)攪拌。最后通過(guò)充填管道泵送至充填條帶。充填系統(tǒng)工藝流程如圖3所示。充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)充填能力為250m3/h，充填管徑為273mm。

圖3 充填系統(tǒng)工藝流程

2.4 封堵及接頂措施

充填接頂對(duì)對(duì)上覆巖層穩(wěn)定性有重要影響，為了確保充填體能有效接頂除了充填膏體本身須具有良好的流動(dòng)性，另外由于條帶較長(zhǎng)，充填膏體下料口在條帶一端，由于充填膏體在采空區(qū)中會(huì)形成一個(gè)坡面，這難免會(huì)在下料口另外一端形成不接頂空間。因此在條帶中布置前后兩個(gè)下料口，同時(shí)在條帶頂端設(shè)有排氣口，以防充填中存在氣泡，降低接頂率，影響頂板穩(wěn)定性。充填時(shí)首先從前端下料口進(jìn)料充填，待充填料漿在當(dāng)下料口處充填體表面距頂板1～2m時(shí)停止充填，換為后端下料口充填，當(dāng)后端下料口處充填體表面距頂板1～2m時(shí)停止充填，并選擇中間位置將后端下料口的管道斷開(kāi)，將端頭封堵完全，再次使用前端下料口充填，將主運(yùn)巷側(cè)完全接頂；當(dāng)主運(yùn)巷側(cè)膏體凝固并達(dá)到一定強(qiáng)度，使用后端下料口進(jìn)行充填，待回風(fēng)巷側(cè)排氣管滿(mǎn)管出漿和充滿(mǎn)觀(guān)察口，則完成接頂。接頂方法如圖4所示。

圖4 接頂方法

另外對(duì)封堵以及接頂還采取了以下措施：

1)保證隔離模板完好，密貼墻體、連接嚴(yán)密；避免充填料漿的流失，使得采空條帶中充填料漿的體積未達(dá)到設(shè)計(jì)的充填量。

2)嚴(yán)格控制充填料漿濃度；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)充填的應(yīng)用情況進(jìn)行調(diào)整，使得充填料漿在流動(dòng)性(坍落度)、強(qiáng)度及泌水性等方面滿(mǎn)足要求。

3)充填條帶頂部布置排氣口，將下料口、排氣管口放置在采空區(qū)最高處，便于接頂充分。

3 充填效果評(píng)價(jià)

充填率是影響充填效果的關(guān)鍵指標(biāo)，充填率的計(jì)算公式為[13]：

式中，η為充填率；m為煤層厚度，取10.4m；H為煤層采深，取185m；[ε]為地表建筑物允許最大水平變形值，取1.6mm/m；b為水平移動(dòng)系數(shù)，取0.29；q為下沉系數(shù)，取0.59；tanβ為主要影響角正切，取2；α為煤層傾角，取0.59°。

將數(shù)據(jù)帶入公式，可求得充填率為：η≥0.945，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，充填率可達(dá)98%以上，滿(mǎn)足要求。

為驗(yàn)證條帶膏體充填開(kāi)采效果，對(duì)地表變形和移動(dòng)進(jìn)行觀(guān)測(cè)。根據(jù)麻黃梁鎮(zhèn)地表設(shè)防指標(biāo)，工作面前二輪充填開(kāi)采結(jié)束后，對(duì)應(yīng)工業(yè)場(chǎng)地的地表變形值均在傾斜i=±2.4mm/m，水平變形ε=±1.6mm/m，曲率k=±0.16×10-3/m的設(shè)防指標(biāo)內(nèi)。同時(shí)巷道圍巖變形控制良好，實(shí)踐表明麻黃梁煤礦建筑物下采煤較為成功。

4 經(jīng)濟(jì)與社會(huì)效益分析

麻黃梁煤礦充填系統(tǒng)建設(shè)中的投入主要包括充填設(shè)備購(gòu)置費(fèi)、土建工程費(fèi)、以及新增采煤設(shè)備等共計(jì)7355萬(wàn)元。根據(jù)麻黃梁煤礦2020年上半年財(cái)務(wù)數(shù)據(jù)，輔助材料費(fèi)、充填材料費(fèi)、電費(fèi)、人工費(fèi)等總支出2275.9萬(wàn)元，累計(jì)充填體積25.5萬(wàn)m3，煤的密度為1.34kg/m3，因此充填噸煤成本增加約66.6元。麻黃梁煤礦建筑下物下壓煤量約為10Mt，鑒于充填系統(tǒng)運(yùn)行期間需要維修與保養(yǎng)等，根據(jù)充填實(shí)際充填系統(tǒng)投資應(yīng)乘以預(yù)留系數(shù)1.2，因此充填系統(tǒng)投資均攤到每一噸煤約為8.826元。財(cái)稅〔2016〕54號(hào)《關(guān)于資源稅改革具體政策問(wèn)題的通知》指出，對(duì)依法在建筑物下、鐵路下、水體下通過(guò)充填開(kāi)采方式采出的礦產(chǎn)資源，資源稅減征50%。陜西資源稅稅率為9%，噸煤可節(jié)省成本18元。條帶采煤直接成本約35元/t，則充填采煤噸成本為92.426元。按照煤價(jià)為400元/t計(jì)算，預(yù)計(jì)企業(yè)約增加毛利30.75億元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

使用煤矸石膏體充填技術(shù)可減少煤矸石處理費(fèi)用，避免矸石堆存造成的環(huán)境污染。同時(shí)對(duì)地表建筑物以及生態(tài)環(huán)境起到了保護(hù)作用，延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限，增加了當(dāng)?shù)氐木蜆I(yè)機(jī)會(huì)，綜合效益明顯。

5 結(jié) 論

1)為了解放建筑物下煤炭資源，提高資源采出率，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，提出了以煤矸石為骨料的四階段膏體充填建筑物下開(kāi)采技術(shù)。

2)闡述了建筑物下四階段膏體充填采煤的主要采煤方法與充填工藝流程，分析確定了麻黃梁煤礦膏體充填開(kāi)采時(shí)充填率等工藝參數(shù)。

3)實(shí)踐結(jié)果表明，采用該技術(shù)解放建筑物下壓覆的煤炭資源后，井下巷道圍巖變形控制良好，地面建筑物的地表變形值均在設(shè)防指標(biāo)內(nèi)，因此麻黃梁煤礦成功地實(shí)現(xiàn)了建筑物下煤炭資源的安全開(kāi)采。

4)麻黃梁煤礦采用四階段膏體充填解放建筑物下壓煤技術(shù)，村莊不用搬遷，避免了工農(nóng)矛盾，而為建筑物下壓煤開(kāi)采提供了可靠的技術(shù)新途徑；同時(shí)可以使煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物得到資源化利用，經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益顯著，具有推廣應(yīng)用價(jià)值。