晉平煤業(yè)村莊下巷式充填開采技術(shù)應(yīng)用研究

馮 勝

（山西天地煤機(jī)裝備有限公司，山西 太原 030006）

1 工程概況

山西襄礦晉平煤業(yè)有限公司10513 綜采工作面對(duì)應(yīng)地表為廟凹村，開采煤層為3#煤層，平均厚度為5.6 m。15103 綜采工作面于2013 年4 月開始回采，因地面村莊住戶未搬遷，2014 年9 月工作面停止回采。為緩解礦井接替緊張局面，礦井引進(jìn)了充填開采技術(shù)，決定對(duì)該工作面剩余資源進(jìn)行回采，同時(shí)將15103 工作面重命名為1051充填工作面。1051 充填工作面北側(cè)為105 采區(qū)回風(fēng)巷，東側(cè)為集中運(yùn)輸大巷及回風(fēng)大巷，南側(cè)為實(shí)體煤，西側(cè)為采區(qū)邊界。

2 巷式條帶開采工藝設(shè)計(jì)

2.1 施工方法

為了盡可能回收煤炭資源，保證安全生產(chǎn)，總體開采技術(shù)方案采用巷式條帶開采工藝。工作面按5 m 條帶寬度考慮，利用原來(lái)10513 運(yùn)輸順槽作為1051 充填開采工作面進(jìn)風(fēng)巷（1051 充填運(yùn)輸順槽），原10513 回風(fēng)順槽作為1051 充填回風(fēng)順槽，從1051 充填回風(fēng)順槽向1051 充填運(yùn)輸巷掘進(jìn)支巷，支巷與1051 充填回風(fēng)順槽夾角70°，支巷長(zhǎng)度194 m。工作面初步采用“采一留二”逐條開采的條帶開采工藝，即工作面每三條回采巷為一組，將工作面開采分為一階段開采、二階段開采、三階段開采，其中一階段開采兩側(cè)為煤柱，二階段開采一側(cè)為煤柱一側(cè)為充填體，三階段充填兩側(cè)為充填體。其開采工藝劃分為以下三個(gè)階段：

第一階段：由開切眼側(cè)向運(yùn)輸大巷側(cè)逐次進(jìn)行支巷掘進(jìn)開采，然后采用高強(qiáng)度充填體進(jìn)行充填。第二階段：一階段支巷內(nèi)充填體達(dá)到預(yù)定強(qiáng)度后，采用“采一留二”的方式進(jìn)行二階段支巷的掘進(jìn)開采，然后采用高強(qiáng)度充填體進(jìn)行充填。第三階段：回采剩余最后一條煤柱，每條回采條帶回采完畢后采用低強(qiáng)度充填體進(jìn)行充填。以一階段開采為例，支巷布置如圖1。掘進(jìn)采用EBZ220M 掘錨機(jī)一次成巷的施工方法，掘進(jìn)工作面煤炭的破、落、裝、運(yùn)及巷道的支護(hù)等均由掘錨機(jī)和后配套梭車（規(guī)格型號(hào)：SC15/182F）、錨桿機(jī)轉(zhuǎn)載機(jī)組（規(guī)格型號(hào)：MZHB2-630/24）、帶式輸送機(jī)等來(lái)完成，巷道沿煤層頂板進(jìn)行掘進(jìn)。

圖1 巷式條帶開采工藝示意圖

2.2 支巷支護(hù)設(shè)計(jì)

結(jié)合晉平煤業(yè)回采巷道支護(hù)方案，設(shè)計(jì)1501充填工作面支巷斷面寬、高=5 m、5.6 m（煤層厚度），兩側(cè)為實(shí)體煤的支巷支護(hù)：1）頂板采用Ф20 mm×L2000 mm 規(guī)格的錨桿，間排距2.0 m×2.0 m；選用Ф17.8 mm×L5200 mm 的鋼絞線錨索，間排距為3.0 m×2.0 m。2）左幫（右?guī)停╁^桿規(guī)格同頂板，間排距2.0 m。3）頂板、左幫使用Ф5 mm 鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)片規(guī)格2200 mm×1100 mm；右?guī)途W(wǎng)片塑鋼復(fù)合網(wǎng)，規(guī)格為JD GS+PVC 4000MS 1200 mm。4）網(wǎng)片綁扎搭接，壓茬100 mm，網(wǎng)片要鋪平，鋪展緊貼巖（煤）面。第二階段支巷支護(hù)方式與第一階段支護(hù)方式相同，由于一側(cè)有充填體，所以不需要支護(hù)，即充填體側(cè)幫不支護(hù)。第三階段支巷頂板支護(hù)方式與第一階段支護(hù)方式相同，由于兩側(cè)有充填體，所以兩幫不需要支護(hù)。

2.3 巷內(nèi)充填方法

根據(jù)上述回采工藝，一階段、二階段需采用高強(qiáng)度充填工藝方式，為此選用高強(qiáng)度膏體充填工藝方法，三階段充填采用低強(qiáng)度充填，根據(jù)頂板控制要求不同可以選用低強(qiáng)度膏體充填。依據(jù)國(guó)內(nèi)充填技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀和晉平煤業(yè)生產(chǎn)技術(shù)條件，將現(xiàn)有制漿系統(tǒng)優(yōu)化升級(jí)為似膏體充填系統(tǒng)。在地面建立充填站，將矸石、水泥、粉煤灰、水等材料進(jìn)行混合制備成膏體漿液，采用自流的方式通過(guò)管道輸送到井下充填工作面。增加矸石破碎系統(tǒng)，使矸石破碎顆粒滿足管路輸送要求。

3 支巷礦壓觀測(cè)

為掌握1051 充填開采工作面支巷圍巖的變形規(guī)律，保障支巷掘進(jìn)及后續(xù)充填期間的施工安全，觀測(cè)支巷掘巷期間頂板下沉量、兩幫的移近量，采用十字布點(diǎn)法安設(shè)測(cè)點(diǎn)[1,2]，第一個(gè)測(cè)點(diǎn)布置在距支巷開口10 m 處，每掘進(jìn)5 m 布置一個(gè)測(cè)站。以第一支巷掘巷階段監(jiān)測(cè)數(shù)值為例，整理得到圍巖變形量如圖2。

圖2 礦壓監(jiān)測(cè)結(jié)果

由圖2 可以看出，距離開口處最近的1#測(cè)站圍巖變形最為嚴(yán)重，變形量隨著距開口處距離的增大逐漸減小。開挖支護(hù)10 d 后，圍巖基本穩(wěn)定，頂板累計(jì)下沉54 mm，兩幫累計(jì)移近82 mm，支巷表面變形量微小，巷道穩(wěn)定性和安全性得到了保證，完全達(dá)到支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)。

4 巷式充填開采地表移動(dòng)與變形規(guī)律研究

為有效保護(hù)晉平煤業(yè)地面村莊、建筑物，驗(yàn)證村莊下充填開采技術(shù)的可行性，在1501 充填工作面開采之后，地面合適位置建立地表移動(dòng)觀測(cè)站，監(jiān)測(cè)地表移動(dòng)和變形規(guī)律，判定該開采工藝對(duì)地面建（構(gòu)）筑物的影響情況。根據(jù)1501 充填工作面布置形式，設(shè)計(jì)采用沿工作面長(zhǎng)度方向、寬度方向各布置一條觀測(cè)線進(jìn)行監(jiān)測(cè)，測(cè)線長(zhǎng)度均超出正常工作面采動(dòng)地面的影響范圍[3-4]，沿工作面寬度方向設(shè)計(jì)測(cè)線A，工作面垂直開切眼方向設(shè)置測(cè)線B，測(cè)線A 總長(zhǎng)度約225 m，測(cè)線B 長(zhǎng)度約180 m。觀測(cè)站與工作面相對(duì)位置如圖3。

圖3 地面移動(dòng)觀測(cè)站布置位置示意圖

1501 充填開采工作面開始回采前，進(jìn)行了第一次全面的觀測(cè)，采用電子全站儀測(cè)量各點(diǎn)的坐標(biāo)及高程，開采期間陸續(xù)進(jìn)行了2 次監(jiān)測(cè)，通過(guò)分析計(jì)算整理得到地面監(jiān)測(cè)線各處的下沉量，如圖4。

圖4 A、B 觀測(cè)線不同時(shí)間的下沉曲線

根據(jù)圖4 所示結(jié)果分析可得，首次監(jiān)測(cè)得到的地表下沉值相對(duì)于后兩次監(jiān)測(cè)較小，表明隨著工作面開始完成年限的增加，地表下沉值越來(lái)越大。后續(xù)兩次監(jiān)測(cè)與第一次監(jiān)測(cè)所測(cè)得下沉值之間差值較小，說(shuō)明隨著工作面開采完成年限的增大，地面下沉速率逐漸減小。測(cè)線A 地表下沉值最大值出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)A6，最大值為18 mm；測(cè)線B 地表下沉值最大值出現(xiàn)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)B9，最大值為25 mm。首次監(jiān)測(cè)為工作面開采完成后約45 d，地表下沉量較小，說(shuō)明巷式充填效果良好，上覆巖層未出現(xiàn)劇烈破壞下沉的現(xiàn)象；后續(xù)兩次監(jiān)測(cè)距工作面開采完成時(shí)間分別為10 個(gè)月、19 個(gè)月，地表下沉量增量很小，說(shuō)明覆巖下沉運(yùn)動(dòng)逐漸趨于穩(wěn)定。建筑物損害程度在Ⅰ級(jí)影響范圍之內(nèi)，采用巷式充填體開采工藝可有效保護(hù)地面村莊、構(gòu)筑物。

5 結(jié)語(yǔ)

結(jié)合晉平煤礦1501 工作面實(shí)際的地質(zhì)采礦條件，設(shè)計(jì)巷式充填開采工藝及施工方案，支巷采用錨網(wǎng)索聯(lián)合支護(hù)，采用矸石、膠結(jié)材料、粉煤灰制成膏體材料進(jìn)行巷內(nèi)充填。所設(shè)計(jì)支護(hù)方案參數(shù)合理有效，工作面回采19 個(gè)月后，地表最大下沉值為25 mm。通過(guò)概率積分法分析表明，巷式充填開采地表建筑物損害程度在Ⅰ級(jí)影響范圍內(nèi)，通過(guò)巷式充填采煤技術(shù)有效解決晉平煤業(yè)村莊下壓煤開采的問題，提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。