村莊下骨架式充填開采可行性分析

劉輝LIU Hui

（山東景閏工程研究設計有限公司，日照 276800）

0 引言

根據2015 年的統(tǒng)計數據，山東省內煤炭累計剩余儲量僅為41.4 億噸，其中村下壓煤儲量20.24 億噸，占剩余儲量的48.89%；山東省現有185 對生產礦井中，剩余服務年限5 年及以下的21 對，剩余服務年限10 年及以下的61 對。而且，各地開發(fā)區(qū)、道路、城鄉(xiāng)建設等又形成或正在形成大量新的壓覆，有的形成了永久禁采區(qū)。村莊壓煤已成為制約山東省煤炭行業(yè)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸之一，2022年山東省出臺了《山東省壓煤村莊搬遷管理辦法》，預計釋放優(yōu)質煤炭資源1 億噸以上，有效保障了能源供應，但村下壓煤儲量依然巨大，因此進行村莊下采煤研究具有十分重要的意義。

村莊下壓煤的開采方案主要有：①部分開采方案；②村莊搬遷采煤方案；③覆巖離層帶注漿充填方案；④充填采煤方案。部分開采煤炭損失大，協調開采方法開采，附加成本較大、技術要求高；村莊搬遷費用巨大，礦民關系協調難度高，開采成本高；覆巖離層帶注漿充填對注漿控制技術要求高，工藝比較復雜，大面積開采條件下的實施經驗較少。而充填開采能有效的控制上覆巖層運動和地表沉陷，保護地面建筑物效果好。

上世紀80 年代，山東省某煤礦采用條帶式開采方式開采村莊下煤炭資源，經過多年的開采，已采出煤炭資源141.57 萬噸，遺留在村莊下的煤炭資源92.42 萬噸，造成極大的資源浪費，其中二采區(qū)村莊壓煤最為嚴重。目前礦山開采進入末期，資源枯竭，礦山經濟效益下滑，為提高礦山經濟效益，解決煤炭資源短缺的問題，回收條帶開采時遺留下的支撐體很有必要。本文以擬回收二采區(qū)村莊下壓煤資源為例，通過對技術、充填材料來源和經濟進行分析，探討村莊下骨架式充填可行性。

1 充填開采的分類

充填開采的分類方法有很多，按充填動力的不同可分為水力充填、機械充填、風力充填和矸石自溜充填等；按充填位置的不同又可分為采空區(qū)充填、全部充填和冒落區(qū)充填等；按照充填材料和輸送方式不同可分為干式充填、水力充填和膠結充填等；據其充填范圍和充填量占出煤量的比例可以分為：全充填開采和部分充填開采。而我國目前充填法采煤技術主要有矸石干式充填技術、冒落干式空隙注漿充填技術、（似）膏體充填技術和（超）高水充填技術。

2 采區(qū)概況

某礦擬開采的二采區(qū)位于村莊下方，煤層平均厚度2.4m，平均埋深150m，煤層傾角5°～10°。煤層直接頂為十下灰?guī)r，基本頂為中砂巖；直接底為泥巖，基本底砂質泥巖。二采區(qū)內采煤工作面為原條帶開采工作面，工作面平均推進長度320m，工作面平均長度150m，采寬10m、留寬10m。二采區(qū)采用條帶式開采方式（采寬10m，留寬10m），在村莊下進行了多年的開采，已采出條帶247 個，采出煤炭資源80.7 萬噸，尚有219 個條帶作為上覆巖層的支撐體遺留井下，形成呆滯煤炭儲量71.7 萬噸（表1）。

表1 二采區(qū)村莊下壓煤統(tǒng)計表

3 村莊下采煤方案的確定

3.1 采煤方案

條帶開采可以在保護地面建筑物的前提下采出一部分煤炭資源，具有較好的經濟效益，但其最大缺點是回采率低，造成資源浪費。郭廣禮等根據載荷置換理論，提出“小條帶開采-注漿充填固結采空區(qū)-剩余條帶開采”三步法進行開采沉陷控制以保護地面建筑物的新思路[1]；崔石磊對骨架式充填及普通膏體充填效果進行試驗研究，骨架式充填抗變形能力要好于同齡期的普通充填體，上覆巖層的變形范圍較小，采空區(qū)上方巖層離層間隙微小，甚至不出現離層[2]；劉新河對骨架式充填效果進行試驗研究，骨架式充填控制地表沉陷效果好于普通膏體充填，能保證地表村莊建筑物的破壞級別在Ⅰ級以內，可以達到村莊下壓煤開采后不破壞地表建筑物的目的[3]。根據該礦目前開采形成的條帶工作面實際情況，采用郭廣禮教授的載荷置換理論，結合劉新河、崔石磊等人的試驗研究，確定該采區(qū)采用骨架式充填采煤方案。

3.2 骨架式充填工藝

骨架式充填工藝是在普通膏體充填工藝基礎上，增加了一道制作、安裝骨架的流程。整個充填工藝的流程可以劃分為骨架制作安裝、骨料加工、膏體制作、膏體輸送、膏體充填等五個環(huán)節(jié)。充填步距3.6m，骨架沿煤層傾向間隔布置，布置間距為3.6m。

①骨架制作、安裝。骨架作為基礎支撐，應具有強度高，抗變形能力強，方便運輸，快速安裝的特點。制作充填骨架的步驟分為三步：首先確定骨架的尺寸，在井上先確定尺寸，骨架長×寬×高尺寸分別為3.6m×3.6m×2.4m，骨架采用拆遷建筑物中的廢舊螺紋鋼加工而成；其次按尺寸進行切割和焊接，頂部采用斜拉支撐，制作出骨架的邊角交叉連接結構（圖1 和圖2）[2]；最后在井下把各配件按順序進行安裝，其中一般連接結構與鋼筋段采用鋼絲綁扎，如圖3 環(huán)狀結構，斜撐邊角連接結構與鋼筋段的連接處采用鋼線卡子固定，如圖3 球狀結構，制成充填骨架（圖3）。

圖1 一般邊角連結構圖

圖2 斜撐邊角連結構圖

圖3 充填骨架設計圖

②膏體泵送充填系統(tǒng)。利用建筑垃圾（煤矸石）經破碎加工成充填骨料，配以粉煤灰、膠凝材料、水等按照研究配比經過攪拌制成輕密度膏體，經過管路泵送系統(tǒng)輸送至工作面隔離采空區(qū)進行充填。膏體泵送充填工藝流程如圖4所示。

圖4 膏體泵送充填系統(tǒng)工藝流程

4 村莊下骨架式充填開采可行性

4.1 技術可行性

①開采條件。二采區(qū)上方多為普通民房，保護等級相對較低；區(qū)內地質結構簡單，影響采區(qū)的斷層主要為F1 斷層，已證明斷層導水性差；以上因素有利于充填開采的實施。不利因素主要是因前期條帶開采，遺留的條帶開采孤島工作面或具有沖擊傾向性，煤層埋藏深度150m，相對較淺，對控制地表沉陷要求高。

②控制效果。根據劉新河等人的骨架式膏體充填開采試驗研究結果，骨架式膏體充填開采時地表下沉量相對于普通膏體充填時地表下沉量減少了1/3 左右[3]。控制地表沉陷的效果明顯好于普通膏體充填，同時還能降低工作面圍巖應力集中，減弱工作面的礦壓顯現，對控制沖擊地壓具有一定的促進作用。

③技術經驗。近年來，為解決山東省煤炭資源日益減少、建筑物下壓煤日趨嚴重的實際，山東省引導煤炭企業(yè)采用以矸石、膏體為主的充填開采技術，岱莊煤礦、孫村煤礦、古城煤礦、太平煤礦等多家煤礦均取得了成功的充填開采實踐經驗，特別是太平煤礦作為國內第一個引入膏體充填系統(tǒng)的煤礦，將回采率提高到90%以上，從而實現了不遷村采煤。

4.2 充填材料來源可行性

充填材料的選擇要遵循就地取材的原則，充填材料充足，降低采購運輸等成本，減少對采煤生產能力和生產進度的影響。充填材料主要為煤矸石、粉煤灰和充填骨架。其中該礦累計存放煤矸石48 萬噸左右，新排煤矸石5 萬噸/年左右，煤矸石基本滿足自給自足，后期地面煤矸石儲量不足時，也可以用建筑垃圾代替煤矸石；粉煤灰可以從周邊電廠、冶煉和化工等企業(yè)采購；充填骨架使用螺紋鋼可以選用拆遷建筑物中的廢舊螺紋鋼加工后使用。

4.3 經濟可行性

選取村莊搬遷、普通膏體充填等2 個采煤方案與骨架式充填采煤方案進行經濟效益比較。村莊下壓煤71.7 萬噸，按照97%的回采率，可采出煤炭資源69.55 萬噸，按照700 元/噸的銷售價格計算，銷售收入達48684.30 萬元；采煤成本按280 元/噸計算，采煤成本為19473.72 萬元。

①搬遷方案經濟效益。搬遷方案主要涉及征地補償和建筑搬遷費用，當地征地補償標準為4.9 萬元/畝、建筑搬遷標準3000 元/m2。征地費用4.9 萬元/畝×663 畝=3248.70萬元，建筑搬遷費用0.3 萬元/m2×482000m2=144600 萬元，總搬遷費用147848.7 萬元，總搬遷費用遠大于銷售收入，經濟不可取。

②普通膏體充填經濟效益。

根據古城煤礦對充填開采的經濟核算，一般膏體充填的成本約114.6 元/噸[4]，增加充填成本7970.32 萬元，可產生經濟效益11503.40 萬元。

③骨架式充填經濟效益。

骨架式充填開采相對于普通膏體充填，主要增加了一道制作、安裝骨架的工序，因此充填成本相對于普通膏體充填要高，充填骨架成本約4.5 元/噸，整體采用骨架式充填后，開采成本增加約119.1 元/噸，骨架充填成本8283.29 萬元，可產生經濟效益11190.43 萬元。

根據各采煤方案經濟效益對比（表2），村莊搬遷費用巨大，經濟不可取，普通膏體充填產生的經濟效益最高，骨架式充填產生的經濟效益略低于普通膏體充填。相對于能回收煤炭資源69.55 萬噸產生的經濟效益來看，雖然骨架式充填開采成本比普通的膏體充填開采成本增加了4.5 元/噸，但骨架式充填能進一步控制地表沉陷量，能實現村莊民居的保護效果，因此增加的成本是可以接受的，經濟上是合理的。

表2 不同采煤方案經濟效益對比表

綜上，從在技術、充填材料來源以及經濟等方面來分析，在村莊下實施骨架式充填開采方案是可行的。

5 結語

①該礦煤層埋藏較淺，地表村莊民居較多，前期采用條帶法開采多年，致使井下呆滯的煤炭資源較多，因此開展骨架式充填開采很有必要，可以回收煤炭資源，提高煤炭回采率。

②根據同類礦山的充填開采實踐經驗，針對該礦條帶開采遺留的煤炭資源，實行骨架式充填開采方案，在技術上、充填材料來源可靠性上是可行的，雖然增加了一些充填成本，但總體的經濟效益是合理的。

③骨架式充填開采相對于普通膏體充填開采，有更好的控制減沉效果，能夠滿足村莊下采煤的要求，達到不破壞地面建筑物的目的。