探討膏體充填開采技術(shù)在煤礦采空區(qū)的應(yīng)用

＊陳 路

（晉能控股煤業(yè)集團(tuán)馬脊梁煤礦 山西 037001）

膏體充填開采技術(shù)有利于優(yōu)化煤礦生產(chǎn)環(huán)境，避免塌陷、滑坡等安全事故，促進(jìn)煤礦開采效率的提高。煤矸石、粉煤灰等均是膏體充填開采工藝中的重要材料，諸如此類固體廢棄物的應(yīng)用價(jià)值得以充分發(fā)揮，避免資源浪費(fèi)問題，與節(jié)能環(huán)保、經(jīng)濟(jì)高效的生產(chǎn)理念相契合。

1.膏體充填開采技術(shù)的作用

(1)控制采煤導(dǎo)致的礦山壓力

采空區(qū)充填措施的落實(shí)有利于優(yōu)化圍巖的受力條件，四周煤巖體和充填物聯(lián)合承受采動(dòng)壓力，相比僅由四周煤巖體承受的方式而言可更加有效地分散采動(dòng)影響壓力，提升現(xiàn)場(chǎng)施工的安全性。

(2)減少采動(dòng)影響造成的頂?shù)装迨軗p

全部充填施工方式下，導(dǎo)水裂隙帶不明顯，采取充填開采的方法可減小開采活動(dòng)造成的擾動(dòng)，以免煤層上覆巖層受損而出現(xiàn)明顯的導(dǎo)水裂隙。煤層底板也將由于采空區(qū)全部充填而保持相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，受損程度得到有效的控制。

(3)控制地表移動(dòng)，減小破壞

開采厚度的變化帶來的地表移動(dòng)變形程度不盡相同，根據(jù)規(guī)律，開采厚度增加時(shí)，地表下沉加大，反之僅存在較小的地表下沉現(xiàn)象。因此，可以考慮減小開采煤層厚度的方法，避免開采對(duì)地表造成大范圍的不良影響。

2.充填開采地表沉陷影響因素的分析

(1)充填體的充填率

式中：v—采出煤層的體積；v1—充填材料的體積。

增加充填率對(duì)于減小地表開采沉陷有重要的意義，屬于操作便捷且應(yīng)用效果良好的方法。理論上，充填率越接近1，地表沉陷的控制效果越好。

(2)充填體壓縮率

式中：l—充填體壓縮前高度；l1—充填體最大壓縮下沉量。

受自重和上覆巖層的作用，充填體發(fā)生壓縮變形和沉降，若幅度偏大，控制開采沉陷的效果變差，嚴(yán)重時(shí)完全失效。考慮充填率一致的前提，改變充填方法后，各自的沉陷控制效果不盡相同。例如，用河沙、矸石充填時(shí)，充填系數(shù)的表現(xiàn)為：前者小于0.1，后者約為0.25～0.5。河沙、矸石充填應(yīng)用效果存在差異的關(guān)鍵原因在于材料性質(zhì)不同，成型充填體的壓縮率存在差異，表現(xiàn)出不同程度的壓縮變形和沉降。

(3)不同充填材料的壓縮率對(duì)比分析

根據(jù)圖1，在幾種充填材料中，壓縮率最低、最高的分別為砂子、粉煤灰；圖中給出多種粒徑矸石粉的應(yīng)用效果，對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)三種粒徑的壓縮率接近，且明顯高于砂子、低于粉煤灰。

圖1 不同充填料的壓縮率載荷對(duì)比

根據(jù)圖2，壓縮率最低、最高的材料分別為純矸石粉、純粉煤灰。在9MPa的軸向壓力作用下，純矸石粉的壓縮率不再呈現(xiàn)急劇增加的變化，變化頗為平緩，此時(shí)的壓縮變形達(dá)到極限狀態(tài)，接近最大值。

圖2 純矸石粉與粉煤灰的壓縮率

3.膏體充填開采技術(shù)在煤礦采空區(qū)的應(yīng)用分析

膏體充填開采技術(shù)的應(yīng)用流程，如圖3所示。

圖3 膏體充填系統(tǒng)工藝流程

(1)項(xiàng)目概況

某煤礦主采3#煤層，采區(qū)東翼部分區(qū)段上覆基巖厚度為5.7～33.3m，偏薄，雖設(shè)置保護(hù)層但最大厚度僅為5.4m，此開采條件下僅留設(shè)防水煤巖柱并不能完全保障生產(chǎn)安全。為此，提出膏體充填采煤法，在現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)回采，根據(jù)此施工方法的應(yīng)用效果評(píng)價(jià)其可行性。

(2)充填方案

工作面沿傾斜方向上方為材料巷，作為材料運(yùn)輸、人員行走和現(xiàn)場(chǎng)通風(fēng)的通道；工作面沿傾向下方布置運(yùn)輸巷。井筒下井后沿運(yùn)輸巷布置充填管路，配套專用液壓支架，用于維持管路的穩(wěn)定性，兩側(cè)用單體液壓支柱做加強(qiáng)防護(hù)處理。管路布設(shè)到位后，用清水充分潤(rùn)濕，由專員巡視充填管路，及時(shí)處理堵塞、漏液等問題，確保充填全過程中管路均保持暢通的狀態(tài)。割煤后，從下部開始依次向上撤回支柱，在充填巷道兩端砌筑擋漿墻，根據(jù)超過0.3m的深度要求在墻四周掏槽，具體深度以煤壁軟硬程度為參考做靈活的調(diào)整，例如，煤壁松軟時(shí)適當(dāng)增加掏槽深度。擋墻外支設(shè)一排液壓支柱，支柱與擋墻間留出0.2m的空間，向其中填入木板。擋墻位于下出口的區(qū)域必須具有嚴(yán)密性，確保無(wú)任何的漏水、跑漿現(xiàn)象。

(3)充填材料的準(zhǔn)備

煤礦膏體充填材料的選擇遵循廢舊資源利用價(jià)值最大化的原則，包含煤矸石、粉煤灰、城市固體垃圾等廢棄物。嚴(yán)格控制充填材料的粒徑，粒徑較小時(shí)，過篩后即可投入使用，粒徑偏大時(shí)解小，例如煤矸石等大塊材料需采取此措施。以機(jī)械磨細(xì)的方法處理粉煤灰，充分發(fā)揮出粉煤灰的化學(xué)活性，減少膠結(jié)材料的用量。

(4)料漿的配制

根據(jù)設(shè)計(jì)配合比、濃度要求等取用原材料，做充分的拌和，得到均勻性較好的充填漿體。煤礦膏體充填施工中僅采用少量的膠結(jié)料，因此制作的是“極貧”混凝土。充填漿體必須具有良好的流動(dòng)性和固結(jié)性能，保證充填結(jié)構(gòu)體的穩(wěn)定性，進(jìn)而有效控制地表沉陷量。具體的配料制漿作業(yè)要點(diǎn)如下：

①各類原材料均要進(jìn)行稱重計(jì)量，為保證稱量結(jié)果的準(zhǔn)確性，在靜態(tài)條件下稱量。②適配高精度的稱重傳感器，用于精準(zhǔn)控制材料的用量。③聯(lián)合應(yīng)用PLC可編程控制器和工控微機(jī)，根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)控制配料系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)配料。準(zhǔn)確測(cè)定河砂、粉煤灰的質(zhì)量，根據(jù)測(cè)定數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)變化特征，根據(jù)實(shí)際變化動(dòng)態(tài)調(diào)整配合比。④漿液的拌和采用周期式混凝土攪拌機(jī)，啟用前檢驗(yàn)裝置的性能。

(5)充填管路的配套

根據(jù)技術(shù)可行、穩(wěn)定可靠、經(jīng)濟(jì)高效的要求合理設(shè)置充填管路，要點(diǎn)如下：

①干路充填管。以耐磨、耐腐蝕、抗沖擊性能均突出的KMTBcr28雙金屬耐磨鋼管為宜，煤礦的充填能力需超過金屬礦山，按照此要求，將充填能力設(shè)為150m3／h。煤礦骨料采用的是河砂和粉煤灰，根據(jù)此類材料的特性可知，料漿水力坡降較小，據(jù)此將充填系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流速設(shè)為1.8m/s。②充填管路配件的選擇：以耐壓為基本要求選擇充填管路的附件，將公稱壓力為10MPa的鋼制法蘭作為旁通管法蘭、干線管路法蘭，通過優(yōu)質(zhì)配套件的應(yīng)用，維持充填系統(tǒng)的穩(wěn)定性。此外，柔性連接器、閘閥等均是不可或缺的附件，附件的選擇主要以承壓能力為考慮對(duì)象，用于工作面管路、干線管路的附件的承壓能力分別達(dá)到2MPa以上、10MPa以上。③工作面管路的布置：充填管長(zhǎng)2m，干線管總長(zhǎng)600m，8根鋼管間設(shè)一處法蘭三通，此舉目的在于確保發(fā)生堵管現(xiàn)象后可及時(shí)處理；準(zhǔn)備DN180柔性管，用作工作面的填充管，長(zhǎng)度控制在100m。按特定的間隔從填充管中分支出DN150特塑造鋼復(fù)合管（布料管），按10m的間隔依次設(shè)置，單根管長(zhǎng)均取1.5m。

(6)工作面的充填處理

綜合考慮開采技術(shù)條件和煤層賦存特性，將工作面的長(zhǎng)度設(shè)為100m。煤層傾角2°～11°，煤層厚度2.2m，割煤高度2.2m，截深0.8m，每日進(jìn)尺33m。按照采煤、充填的流程完成一個(gè)循環(huán)的施工，以此類推。工作面二次充填采取的是大料量充填的作業(yè)方法，要求充填袋被料漿充滿，并有一定數(shù)量的料漿溢流至未充填的部位，在此狀態(tài)下可保證充填區(qū)域的接頂效果。按照如下流程依次施工，推進(jìn)工作面正常充填作業(yè)進(jìn)程：

①準(zhǔn)備工作。前一充填循環(huán)結(jié)束后，檢查管道，合理狀態(tài)是管道嚴(yán)密且內(nèi)部充滿水，在此條件下進(jìn)行新充填循環(huán)的施工。若無(wú)法達(dá)到前述條件，需泵送清水以便水充滿管內(nèi)。②“漿推水”。在充填管道中裝入清洗球，啟用充填泵，此時(shí)清洗球發(fā)揮出分隔的作用，前方、后方分別為清水、漿體，在泵壓作用下，清水轉(zhuǎn)移至巷道的排水溝，經(jīng)一段時(shí)間后清洗球出管，充填料漿轉(zhuǎn)至待充填的區(qū)域內(nèi)，發(fā)揮出充填作用。③輪流充填。完全排除充填管路的清水后，以特定的時(shí)間間隔將充填料漿轉(zhuǎn)至待充填的區(qū)域，持續(xù)向此空間內(nèi)充填漿液，直至充填至飽滿的狀態(tài)。④“水推漿”。實(shí)際料漿充填量達(dá)到設(shè)計(jì)值后，用清管器裝入清洗球，充填泵停止運(yùn)行，借助備用泵進(jìn)行水推漿，此過程中待充填空間內(nèi)將持續(xù)接收到源自于充填管中的料漿，清洗水統(tǒng)一流動(dòng)至排水溝，管路經(jīng)過沖洗后恢復(fù)至干凈的狀態(tài)，使轉(zhuǎn)換閥保持截止。⑤收尾工作。按照前述提及的流程進(jìn)行充填后，全面清理攪拌機(jī)、充填泵，避免殘留的料漿在裝置內(nèi)發(fā)生固結(jié)。井下充填工作面前，統(tǒng)一將待清洗球轉(zhuǎn)至充填站，妥善保管，以便后續(xù)存在需求時(shí)能夠及時(shí)投入使用。

(7)充填工作面支架的布置

充填工作面共有69架液壓支架，從機(jī)頭處開始依次布置，采取每10臺(tái)中部基本架搭配一臺(tái)特殊架的方式，將采區(qū)劃分為6個(gè)獨(dú)立的區(qū)域，以“化整為零”的思路分別針對(duì)各部分做充填處理。中部液壓支架的設(shè)計(jì)與布置考慮到礦壓顯現(xiàn)、煤層賦存地質(zhì)條件等，著重優(yōu)化設(shè)計(jì)支護(hù)強(qiáng)度、結(jié)構(gòu)高度等參數(shù)，保證配置到位的中部支架具有足夠的穩(wěn)定性。

4.膏體充填技術(shù)控制地表沉陷的應(yīng)用效果

(1)地表沉陷控制要求

出于安全考慮，要求保護(hù)建筑物在Ⅰ級(jí)損害范圍內(nèi)，具體的指標(biāo)控制要求為：水平變形＜2mm/m，傾斜變形＜3mm/m，曲率變形＜0.2×10-3/m。

(2)地表沉陷的控制效果

為檢驗(yàn)膏體充填施工技術(shù)的應(yīng)用效果，采用FLAC2D平面應(yīng)變模型數(shù)值，計(jì)算主斷面開采沉陷數(shù)值，依據(jù)本項(xiàng)目煤試驗(yàn)采區(qū)的膏體充填開采情況進(jìn)行分析，如圖4所示，當(dāng)充填體抗壓強(qiáng)度為Rc=0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa時(shí)，充分采動(dòng)時(shí)最大下沉量分別為310mm、230mm、210mm，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)充填體強(qiáng)度大于1MPa后，最大下沉量變化幅度區(qū)域平緩。也說明，在礦井給定條件下，并不需要過高的增大充填體強(qiáng)度，礦井充填體強(qiáng)度設(shè)計(jì)為1MPa。開采過程中及時(shí)進(jìn)行地面沉陷監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)際觀測(cè)資料不斷調(diào)整充填材料配比及工作面充填方法，確保充填效果。

圖4 地表沉陷等值線預(yù)測(cè)圖

進(jìn)一步分析可知，在控制地表沉陷時(shí)無(wú)需過度加大充填體的強(qiáng)度，原因在于充填體強(qiáng)度達(dá)到某值后無(wú)論如何增加，對(duì)應(yīng)的沉陷控制效果并未顯著的變化，反而會(huì)導(dǎo)致成本攀升。結(jié)合前述分析，認(rèn)為1MPa的礦井充填體強(qiáng)度較為合適，可兼顧地表沉陷控制有效性和經(jīng)濟(jì)高效兩項(xiàng)要求。開采期間加強(qiáng)地面沉陷監(jiān)測(cè)，根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果判斷充填體的應(yīng)用效果，從中識(shí)別不足，動(dòng)態(tài)優(yōu)化充填材料的配合比，升級(jí)充填方法，以期取得愈發(fā)良好的充填作業(yè)效果。總體上，在采取膏體充填開采技術(shù)后，有效改善開采擾動(dòng)劇烈、安全隱患多的問題，地表建筑物不會(huì)由于開采而受到過多的影響，破壞范圍控制在Ⅰ級(jí)以內(nèi)，整個(gè)開采過程中無(wú)任何的Ⅱ級(jí)破壞，表明膏體充填開采技術(shù)具有可行性。

5.結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在煤礦開采過程中應(yīng)用膏體充填開采技術(shù)，可充分發(fā)揮出膏體充填材料的穩(wěn)固性優(yōu)勢(shì)，保證開采的安全性，營(yíng)造良好的開采環(huán)境，提高煤礦開采效率。膏體充填技術(shù)應(yīng)用到煤矸石、工業(yè)爐渣等廢棄物，在滿足煤礦安全開采需求的同時(shí)為固體廢棄物的處理提供了可行的思路，是一種工程應(yīng)用效果良好、綠色環(huán)保的技術(shù)，富有推廣價(jià)值。