高河能源E1303工作面膏體充填開采技術(shù)研究與實(shí)踐

趙 壘

(潞安環(huán)保能源開發(fā)股份有限公司 生產(chǎn)辦，山西 長治 046204)

1 工程概況

高河能源膏體充填開采項(xiàng)目包括控制中心、破碎車間、充填泵站、矸石倉、充填管路、充填工作面等工程，于2019年建成投產(chǎn)。E1302工作面為首個(gè)充填工作面，位于3號(hào)煤層?xùn)|一盤區(qū)，東邊距礦井邊界185 m，東邊為未采區(qū)，西邊為E1303工作面采空區(qū)，南邊為E1302放頂煤工作面采空區(qū)，北邊為+450 m水平東翼大巷，上部為耕地，處于村莊保護(hù)煤柱內(nèi)。工作面走向長度490 m、傾向長度230 m、采深410 m、采高3.2 m。截至目前，已完成152個(gè)采充循環(huán)，累計(jì)推進(jìn)376.9 m，完成回采產(chǎn)量47萬t，累計(jì)充填膏體27.5萬m3，消耗矸石36萬t。

2 膏體充填開采采充工藝流程

2.1 割 煤

工作面每個(gè)采充循環(huán)割煤環(huán)節(jié)，割第一個(gè)循環(huán)過程中只割煤上網(wǎng)不移架，待第一個(gè)循環(huán)煤割完后再進(jìn)行移架頂溜，此后每個(gè)循環(huán)按照此工藝推進(jìn)。第一個(gè)循環(huán)移架后采空區(qū)頂板采用纖維網(wǎng)支護(hù)，第二個(gè)循環(huán)移架后升起尾梁進(jìn)行采空區(qū)頂板管理，第三個(gè)、第四個(gè)循環(huán)使用加裝的尾梁延伸裝置配合纖維網(wǎng)進(jìn)行頂板支護(hù)，目前采空區(qū)最大支護(hù)距離為4.0 m，可滿足4個(gè)循環(huán)3.2 m充填距離需求。割煤循環(huán)滿足一個(gè)充填步距后，開始進(jìn)行采空區(qū)隔離等工藝。

2.2 隔 離

隔離準(zhǔn)備：根據(jù)工作面長度，將所需的高強(qiáng)纖維網(wǎng)、復(fù)合塑料編織布、風(fēng)筒粘合膠、草氈、16號(hào)鉛絲、剎桿、梯形板等材料，通過端頭尾提前運(yùn)送至待充填區(qū)，并準(zhǔn)備鐵鍬、刷子、壁紙刀以及梯子等工具。

支架上部隔離：人員進(jìn)入待充填區(qū)，在支架尾梁與上隔離板之間的凹槽掛鉤上掛設(shè)高強(qiáng)纖維網(wǎng)，并在纖維網(wǎng)上掛彩條布密封。然后詳細(xì)檢查支架尾梁與上隔離板之間的密封情況，存在縫隙的部位，使用草氈封堵縫隙。

支架下部隔離：將隔離板掛設(shè)的高強(qiáng)纖維網(wǎng)、彩條布沿底板鋪平，用草氈將下隔離板和高強(qiáng)纖維網(wǎng)、彩條布之間填充實(shí)嚴(yán)。再檢查底板密封情況，存在縫隙的部位，使用草氈將縫隙封堵。

端頭尾架的隔離：端頭尾架起到隔離端頭尾的作用，調(diào)整端頭尾支架位置，端頭尾架隔離板前部板靠緊工作面兩端頭支架(1號(hào)架/2號(hào)架和155號(hào)架/156號(hào)架)隔離板，隔離板后部貼緊巷道充填體，打出側(cè)向千斤頂支撐好端頭尾架，掛設(shè)高強(qiáng)纖維網(wǎng)、彩條布，再使用草氈將端頭尾架頂?shù)赘綦x充實(shí)。檢查密封情況，存在縫隙的部位，使用草氈封堵縫隙。

2.3 充 填

檢查充填管路之間、管路與閘閥的連接和開啟狀態(tài)；安裝布料管，布料閥出口與支架出漿口之間采用多節(jié)短管相連，管路采用鐵鏈固定于支架隔離板上耳板上；檢查通訊設(shè)備情況，確保通訊設(shè)備完好到位；充填工全部到達(dá)工作地點(diǎn)，準(zhǔn)備充填。

地面矸石經(jīng)過高細(xì)破碎后，按比例加入粉煤灰、膠結(jié)料、水等，制成適合管道輸送的膏體材料，開始按照壓風(fēng)吹管、泵送清水、泵送灰漿、泵送矸石漿的順序，從低到高進(jìn)行工作面充填區(qū)高壓泵送充填。充填完成前后，巡查人員用探針探測接頂情況，確定充填是否結(jié)束。結(jié)束后，再按照泵送灰漿、泵送清水、壓風(fēng)吹管順序清洗管路，本循環(huán)充填完成。

2.4 凝 固

膏體8 h后達(dá)到初凝強(qiáng)度(約2 MPa)，此時(shí)微調(diào)支架將尾梁下落具備移架條件。與此同時(shí)，探測各個(gè)布料閥處膏體凝固情況，開始撤下布料閥和注漿孔之間的布料管并清洗。

3 充填開采存在問題及解決方法

膏體充填開采試生產(chǎn)以來，在不斷改進(jìn)完善后，已由開始的5 d一個(gè)采充循環(huán)，改進(jìn)到目前的2 d一個(gè)循環(huán)，期間遇到的問題及主要改進(jìn)的技術(shù)如下：

1) 解決了支架一次移架不到位問題，使得采煤效率由原來的2個(gè)班減少到1個(gè)班。充填支架配液盤、后部操作閥布置限制了充填管移動(dòng)范圍，導(dǎo)致支架移架一次達(dá)不到截深800 mm，割一刀煤需要二次移架，影響采煤效率，不利于頂板穩(wěn)定。通過調(diào)整充填支架主進(jìn)主回配液盤和后部操作閥組布置，使移架過程中充填管有足夠活動(dòng)寬度，實(shí)現(xiàn)一刀一次移架到位。

2) 改進(jìn)了隔離充填工藝，避免了跑漿漏漿，實(shí)現(xiàn)了單次大規(guī)模充填。針對(duì)高頂區(qū)，端頭尾等待充填區(qū)薄弱點(diǎn)，提出了前后兩個(gè)循環(huán)隔離布搭接隔離工藝，機(jī)頭尾隔離充填支架+單體柱隔離加強(qiáng)隔離強(qiáng)度，同時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整膏體濃度，有效避免了充填跑漿漏漿，實(shí)現(xiàn)了大規(guī)模充填一次完成，單次最大充填量1 850 m3。

3) 解決了充填膏體用量的盲目性，提升了采空區(qū)充實(shí)率，確保了井下巷道和地表變形處于合理范圍之內(nèi)。高河能源膏體充填開采最初階段存在每個(gè)循環(huán)膏體用量測算不準(zhǔn)確，造成膏體過量或者待充填區(qū)重實(shí)率過低問題，針對(duì)該情況提出了“人工測算+體積監(jiān)測”的膏體用量計(jì)算法，有效克服了膏體過量或者充填不接頂?shù)葐栴}。

根據(jù)監(jiān)測，目前每次充填采空區(qū)充實(shí)率達(dá)到98%，膏體長期強(qiáng)度達(dá)到設(shè)定值3 MPa，巷道頂?shù)装遄畲笠平?00 mm,兩幫最大移近量70 mm，地表未出現(xiàn)明顯變形。

4) 實(shí)行“師帶徒”現(xiàn)場培訓(xùn)新工人制度，鍛煉了充填隊(duì)伍。由于充填開采為新工藝，工人對(duì)各方面作業(yè)工序不熟悉，嚴(yán)重減慢了充填開采作業(yè)效率，通過實(shí)踐及專業(yè)人員現(xiàn)場培訓(xùn)，由開始的生疏到目前的熟練操作，有效提高了充填采煤效率。

5) 安裝尾梁延伸裝置，提升循環(huán)步距，由3刀一循環(huán)提升至4刀一循環(huán)，提升了回采效率。E1302充填工作面充填開采循環(huán)步距穩(wěn)定在3刀煤(2.4 m)，經(jīng)過井下多次技術(shù)論證、實(shí)驗(yàn)，通過在支架尾梁后部安裝“支架尾梁延伸裝置”加強(qiáng)機(jī)尾待充填區(qū)域頂板維護(hù)，進(jìn)而將單循環(huán)充填步距由2.4 m提升至3.2 m，充填開采效率提效明顯。

6) 柔性網(wǎng)替代雙層金屬網(wǎng)，減少了用工數(shù)，提高了生產(chǎn)效率，降低了回采成本。借鑒高河礦放頂煤工作面收尾使用柔性網(wǎng)工藝，高河礦經(jīng)過前期實(shí)驗(yàn)后決定將雙層金屬網(wǎng)更換成高強(qiáng)度聚酯纖維網(wǎng)進(jìn)行維護(hù)待充填區(qū)域，解放了聯(lián)網(wǎng)工，提高了割煤效率，且降低了充填開采成本。

7) 協(xié)調(diào)貝克福爾公司改進(jìn)了充填材料配比和充填工藝流程，制定了堵管應(yīng)急預(yù)案，克服了堵管等重大事故。針對(duì)可能發(fā)生的堵管事故，高河能源采取了四種措施，一是制定了堵管應(yīng)急預(yù)案；二是嚴(yán)格執(zhí)行充填工藝流程，實(shí)現(xiàn)管路滿管輸送；三是加強(qiáng)地面監(jiān)測監(jiān)控和應(yīng)急處理，發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)采取措施；四是加強(qiáng)應(yīng)急處置措施，突發(fā)堵管情況可立即采取反向沖洗應(yīng)急處理措施。

4 取得效果

1) 推動(dòng)了潞安采煤方法的變革，解放了建筑物下的壓煤資源，最大限度地回收資源，延長礦井服務(wù)年限。E1302充填工作面為高河村的保護(hù)煤柱，充填開采后將保護(hù)煤柱予以回收，回收煤炭資源47萬t，取得了良好經(jīng)濟(jì)效益。

2) 解決了不搬遷村莊采煤的難題，保護(hù)了地表建筑物，控制住了地表變形。E1302充填工作面上部為耕地，處于村莊保護(hù)煤柱內(nèi)，采用充填開采工藝進(jìn)行回采后，地面沉降控制在200 mm之內(nèi)，節(jié)省了塌陷治理費(fèi)。

3) 充填開采原材料主要為煤矸石，在解決矸石外排的同時(shí)，減少了矸石壓占土地面積，同時(shí)充填開采可以保護(hù)地下水資源，促進(jìn)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境建設(shè)。E1302充填工作面充填消耗矸石達(dá)到36萬t，實(shí)現(xiàn)了矸石返井。

4) 膏體充填開采是一項(xiàng)綠色開采技術(shù)，享受費(fèi)用減免優(yōu)惠政策，按照充填開采煤炭資源稅減免政策，E1302充填工作面回采煤炭資源稅減半；另外享受充填開采產(chǎn)能置換政策，高河能源充填開采產(chǎn)能的30%可以用于產(chǎn)能置換。

5 結(jié) 語

膏體充填開采技術(shù)不但可解決村莊、河流和鐵路下開采后地面沉降問題，還可應(yīng)用到頂(底)板承壓水下開采、上提回采上限開采、松散結(jié)構(gòu)體下開采、工業(yè)廣場和風(fēng)井保護(hù)煤柱回收等多個(gè)方面。同時(shí)，為采空區(qū)內(nèi)留巷、瓦斯控制、自然發(fā)火防治、消除采空區(qū)積水隱患等提供了有利條件，為減少掘進(jìn)準(zhǔn)備工程量、改善回采工作面通風(fēng)方式和瓦斯治理提供了一條可靠的途徑，最大限度實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開采和保水開采，技術(shù)應(yīng)用前景十分廣闊。