8318 工作面無煤柱充填采煤工藝設(shè)計及試驗

李瑞興

（晉能控股煤業(yè)集團忻州窯礦，山西 大同 037036）

忻州窯礦8318 工作面走向長度為1290 m，傾斜工作面長度為203 m，工作面煤層厚度1.5～2.3 m，平均1.76 m，煤層傾角6°～10°，平均7°。頂?shù)装鍡l件見表1。

表1 8318 工作面頂?shù)装鍡l件

1 充填材料的試驗設(shè)計

1.1 充填材料的選擇

結(jié)合目前煤礦無煤柱充填采煤工藝中常采用的充填材料的類型，并綜合考慮8318 工作面的地質(zhì)條件，擬采用高水速凝材料為充填材料，該材料具有強度高、膠結(jié)性能好、支撐力大以及適應(yīng)一定變形的優(yōu)勢[1]。

高水速凝充填材料在實際應(yīng)用中對應(yīng)的輸送和混合工藝相對復(fù)雜，尤其是對漿料凝結(jié)速度的控制尤為重要，直接影響充填材料的運輸成本和最終的充填效果[2]。根據(jù)工作面實際地質(zhì)條件和輸送條件確定合理的充填材料的配比十分重要。

1.2 充填材料的配比

本工程所需的高水速凝充填材料采用以硫鋁酸鹽水泥熟料為基礎(chǔ)原料，并在其中加入一定比例的石灰、懸浮劑、復(fù)合緩凝劑、石膏等配料后制備而成[3]。在前人研究的基礎(chǔ)上，可以得出不同高水速凝充填材料水灰比下，最終所得高水速凝充填材料的特性及其適用范圍見表2。

表2 不同配比高水速凝充填材料屬性及應(yīng)用范圍

根據(jù)表2 不同配比下高水速凝充填材料的屬性，并結(jié)合8318 工作面地質(zhì)條件，本工程采用高水速凝材料水灰比小于2:1 的充填材料[4]。綜合考慮充填材料的制備成本，初步確定采用高水速凝材料水灰比為1.5:1 的充填材料，并在實驗室中驗證上述充填材料是否適用于工作面的應(yīng)用。實驗結(jié)論表明：

（1）當(dāng)高水速凝材料水灰比為2:1 時，對應(yīng)的充填材料的殘余強度為4.6 MPa；當(dāng)高水速凝材料水灰比為1.5:1 時，對應(yīng)的充填材料的殘余強度為3.7 MPa，可滿足充填強度要求。

（2）對應(yīng)的高水速凝材料水灰比為1.5:1 時，對應(yīng)所得充填材料的初凝時間為10 min，在12 h 內(nèi)均可采用泵體進行輸送，從而解決長距離的輸送要求。

2 無煤柱充填采煤工藝的設(shè)計

2.1 充填采煤工藝

充填采煤工藝是將提前配比的充填體采用注漿泵和輸送管路運輸至工作面采空區(qū)，使得充填體與原巷共同形成一個可對工作面圍巖進行有效控制的“人工煤柱”[5]。工作面充填后的效果如圖1。

圖1 工作面充填效果示意圖

為與當(dāng)前工作面綜合機械化采煤工藝的效率相匹配，實現(xiàn)工作面的機械化充填也勢在必行[6]。因此，本工程將采用機械化原巷充填方式取代傳統(tǒng)人工充填方式，達到提高充填效率和效果的目的。

（1）充填設(shè)備的選型。高水速凝充填設(shè)備選型的主要依據(jù)為其充填速度與工作面的推進速度相匹配。目前，工作面每天最大推進速度為6 m，工作面斷面的平均面積為10 m2。可以得出，工作面在一天正常推進過程中，理論所需充填材料的體積為600 m3；在“三八”工作制度下，每班所需充填材料的體積為200 m3。但是，在實際生產(chǎn)中，每班工作時間還包括清理設(shè)備和維護檢修的時間，按照每班實際工作時間4 h 計算，則要求充填設(shè)備每小時輸送充填材料的體積為50 m3。同時，綜合考慮充填設(shè)備80%的充填效率，則對應(yīng)所需充填設(shè)備的額定輸送能力不得小于62.5 m3/h。

（2）充填管路系統(tǒng)設(shè)計。在充填泵的作用下，將充填材料分兩條輸送管路進行輸送[7]。為保證輸送的平穩(wěn)性，所布置的輸送管路具備一定的抗壓能力，本工程采用高壓軟管進行輸送。同時，管路在安裝時，為了減少輸送過程中的阻力，應(yīng)盡可能地避免彎頭、閥門等元件的使用，避免在輸送管路上形成死角。結(jié)合8318 工作面的現(xiàn)場條件，設(shè)計對應(yīng)的輸送充填管路如圖2。

圖2 充填材料輸送管路系統(tǒng)

2.2 充填采煤工藝的實施工藝

充填采煤工藝需要融合機械化采煤工藝中，對應(yīng)工藝流程為：采煤機截割煤層—移液壓支架—將充填模箱和支模安裝在預(yù)設(shè)位置—配比充填材料—啟動充填—完成充填任務(wù)—移出超前支護液壓支架—采煤機截割煤層。本工程中，除了配套核心的充填泵外，還需要自動拆包卸料機、充填模箱以及超前液壓自移液支護支架作為輔助設(shè)備。根據(jù)8318工作面的現(xiàn)場條件，關(guān)鍵核心設(shè)備的選型結(jié)果見表3。

表3 充填采煤工藝核心設(shè)備選型

3 充填采煤工藝的工業(yè)性試驗

3.1 工作面圍巖支承應(yīng)力對比

對8318 工作面未充填高水速凝材料和充填高水混凝充填材料兩種情況下巷道圍巖的超前支承壓力進行測量。測定結(jié)果如下：

工作面未充填高水速凝材料時，在實際開采中對應(yīng)的超前支承應(yīng)力峰值為44.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.46。工作面充填高水速凝材料后，在實際開采中對應(yīng)的超前支承應(yīng)力峰值為39MPa，應(yīng)力集中系數(shù)為1.15。8318 工作面采用充填采煤工藝后，工作面圍巖的最大支承應(yīng)力減小5.2 MPa，對應(yīng)的應(yīng)力集中系數(shù)降低0.31。

3.2 工作面圍巖控制效果

對未充填和充填高水速凝材料后，隨著工作面推進對應(yīng)頂?shù)装宓囊平窟M行對比，對比結(jié)果見表4。

表4 工作面頂?shù)装逦灰屏繉Ρ?mm

如表4 所示，8318 工作面采用充填采煤工藝后，工作面圍巖的頂?shù)装逡平繙p小近160 mm，起到了明顯的支護效果。

3.3 生產(chǎn)效果

機械化充填采煤工藝可極大地解放現(xiàn)場勞動力，減少工作人員的勞動強度。其中，在上料機的作用下，作業(yè)人員的數(shù)量由原15 人減少為3 人；采用超前液壓支護支架取代單體挑棚進行支護，作業(yè)人員的數(shù)量由原10 人減少為3 人；在充填模的作用下，充填作業(yè)人員由4 人減少為1 人。參與充填工藝的人數(shù)由29 人減少為7 人。

實踐表明，8318 工作面采用充填采煤工藝后，采煤機日產(chǎn)最大為9刀，每個月工作面推進約160 m，煤炭產(chǎn)量為15 萬t。

4 結(jié)語

（1）采用高水速凝材料，結(jié)合工作面的地質(zhì)條件，確定水灰比為1.5:1，可滿足充填強度要求。

（2） 結(jié) 合8318 工 作 面 生 產(chǎn) 能 力， 配 套ZBYSB-90/15 充填泵完成充填材料的輸送，同時為其配套自動拆包卸料機、充填模箱以及超前液壓自移液支護支架等設(shè)備提高充填效率。

（3）充填采煤工藝在8318 工作面應(yīng)用后，工作面的圍巖變形得到有效控制，頂?shù)装逡平繙p少近160 mm，同時，工作面圍巖的最大支承應(yīng)力減小5.2 MPa，應(yīng)力集中系數(shù)降低0.31。

（4）機械化充填采煤工藝可極大地解放工作面的勞動力，總的參與充填工藝的人數(shù)由29 人減少為7 人，對應(yīng)的每個工作面推進尺度可達160 m，產(chǎn)量高達15 萬t。