岱庄煤矿矸石膏体充填模式研究与应用

张新国，江兴元，江 宁，史俊伟，李杨杨

(1.山东科技大学资源与环境工程学院, 山东 青岛 266510；2.山东科技大学矿山灾害预防控制教育部重点实验室, 山东 青岛 266510)

岱庄煤矿井田范围内80%的煤炭资源被地面建筑压覆，从矿井投产开始，岱庄煤矿一直应用条带法进行建筑物下压煤开采。条带采出率不高，仅能解放约50%的可采储量。为解放条带开采得保护煤柱，同时保护地表建筑，2009年该矿利用矸石膏体充填回采条带煤柱留下的条带保护煤柱[1-2]。

岱庄煤矿目前已有条带煤柱49个，统计见表1。针对岱庄煤矿村庄压煤严重，大量条带煤柱丢失的实际情况，开发固体废物膏体充填开采技术，既可靠保证地面村庄建筑物不受破坏，又最大量地采出煤炭资源, 具有高产、高效、高采出率、环保的优点[3-4]。

表1 岱庄煤矿3上煤层条带煤柱汇总表

备注：①煤视密度取值1.37 t/m3；②每个条带煤柱两侧各留5m宽护巷窄煤柱未算在本表储量内。

1 岱庄煤矿及充填面概况

1.1 井田概述

井田地处济宁市城北城乡结合部，地面村庄等建(构)筑物密集，村庄下压煤量高达80%。井田东西走向长约9.0km，南北倾斜宽7.2km，面积约65.0km2。主要可采煤层为3上、16和17煤层，3下煤层局部可采。其中3上煤层村庄下压煤量5000多万t，占全部村庄压煤量的63%。目前矿井采用长短壁结合的综合开采体系，非压煤区用长壁综采一次采全高采煤方法，村庄压煤区采用宽条带法综采一次采全高采煤方法[5]。

1.2 试验区域煤层及覆岩条件

膏体充填不迁村采煤技术的应用首先从回收条带煤柱开始，试验区域选择在2300采区上帮建下开采区，首试工作面计划布置在2302长壁工作面采空区与2303条带工作面采空区之间的煤柱，即CT2301充填工作面。

CT2301充填工作面煤柱宽110m，长960m，其东北侧为2301、2302两个长壁垮落法开采工作面采空区，西北侧为2303等14个条带垮落法开采工作面采空区。

2300膏体充填试验采区地面地表地势平坦，地面平均标高+38.85m。开采3上煤层底板标高为-354.56～-464.30m，煤层埋深平均440.15m，煤层平均厚度2.74m，煤层倾角一般在3°～11°，平均6°。顶底板分布及岩石力学性质见表2、表3。

表2 岱庄煤矿2300采区3上煤层顶底板情况

表3 CT2301煤层及顶底板主要岩石力学特性

2 条带煤柱矸石膏体充填开采方案设计

2.1 充填工作面布置

为了尽可能回收煤炭资源，条带煤柱充填开采工作面巷道设计沿空留窄煤柱掘进，在膏体充填首试工作面，初步选择护巷煤柱宽度3～5m，将巷道布置在卸压带内，以便于维护。充填工作面见图1。

图1 充填工作面布置

条带采空区测试充填试验中，曾在1304采空区一侧留10m煤柱掘进巷道和垂直采空区作探巷，探巷直接揭开采空区，试验巷道均采用锚网索支护，维护状况良好。考虑充填工作面矿山压力显现不明显，留5m煤柱布置条带煤柱充填工作面巷道，采用锚网索支护是可行的。6300、7300等新采区，则布置长壁全部充填工作面，工作面之间采用沿空留巷，不留区段保护煤柱，最大量提高煤炭资源采出率。

2.2 充填方法的选择

根据前期条带采空区测试充填试验结果，岱庄煤矿条带煤柱回收，采空区充填只能在本工作面进行，又考虑条带煤柱工作面一般较短，3上煤层为中等厚度，为了提高充填工作面产量，增加充填工作面效益，特地为岱庄煤矿条带煤柱回收设计提出“大步距隔离全部充填法”。条带煤柱工作面每推进4～5m，沿工作面作隔离，然后对所隔离封闭的采空区进行全部充填。大步距隔离全部充填法见图2。

图2 大步距隔离全部充填法

2.3 膏体充填系统能力

充填系统能力的需要主要决定于充填工作面的长度、采高、充填步距、采充比和完成充填作业的时间要求等，计算公式如下：

式中：Qf为充填能力，m3/h；L为煤壁长度，m；M为采高，m；d为充填步距，m；kf为采充比；S1为运输道断面面积，m2；S2为材料道断面面积，m；Tf为有效充填时间，h；kp为充填泵效率系数。

对于膏体充填首试CT2301条带煤柱工作面，工作面煤壁长度90m，考虑两条回采巷道宽度均为4m，采煤机截深0.8m，如果工作面日进尺4.0m，则煤炭产量1280t/d，若年工作日300d，年产量38万t/a，要求充填系统能力150m3/h；如果工作面日进尺3.2m，则煤炭产量1030t/d，年产量30.8万t/a，要求充填系统能力120m3/h。岱庄煤矿3上煤层工作面产量与推进度关系见图3，图4为工作面产量与充填能力关系图。

综合考虑充填关键设备系列能力和岱庄煤矿膏体充填工作面循环作业方式，设计条带煤柱充填工作面单产能力大于30万t/a，充填系统能力150m3/h。

图3 岱庄煤矿3上煤层工作面产量与推进度关系

图4 工作面产量与充填能力关系

3 充填工艺流程

岱庄煤矿膏体充填使用的材料是破碎煤矸石、粉煤灰(两种)、专用胶结料和水等五种物料，充填的过程是一个先将矸石破碎加工，然后把矸石、粉煤灰、专用胶结料和水等物料按比例混合搅拌制成膏体浆液，再通过充填泵把膏体浆液输送到井下充填工作面，充填由液压充填支架和辅助隔离措施形成的封闭采空区空间的过程，经过多方案优化以后，设计推荐的充填工艺流程见图5，可以划分为矸石破碎、配比搅拌、管道泵送、充填体构筑等四个基本环节。

为了尽量减少充填管路清洗水对回采工作面和巷道的不良影响，工作面两巷均布置排水管，排水管可以与工作面充填管快速连接，以便于充填管道清洗水绝大部分能够通过两巷排水管外排到西翼皮带下山排水沟。工作面正常充填程序如下：

1)检查准备。通过井上下检查、联系，确认系统正常，设备完好，搅拌机与料浆斗清水湿润，管道内充满清水以后，设定好当班充填量以后，方可进入下一步工作。

2)灰浆推水。先泵送由粉煤灰和胶结料制成粉煤灰膏体料浆，把管路内的清水排出，此过程充填管路前段为清水，后段为粉煤灰膏体料浆。

3)矸石浆推灰浆。待设计量的粉煤灰膏体料浆的快泵送完时，要将正常配比的矸石粉煤灰膏体料浆(粗浆)放入缓冲料浆斗，继续泵送，此时充填管路前段为清水，中间为粉煤灰膏体料浆，后段为矸石粉煤灰膏体料浆。

4)正常充填。工作面正常充填由低处向高处充填。充填正式开始时，轨道巷侧工作面第一个转换阀接通旁路，布料管从该阀旁路接口连接到充填孔进行充填，同时准备第二个转换阀接通旁路，第一个充填孔充填完成以后，充填浆液即转而从第二根布料管充填采空区。如此重复，直到完成整个工作面待充空间充填的任务。

5)灰浆推矸石浆。当泵送充填料浆达到设计充填量以后，地面充填站制备少量粉煤灰膏体，适当降低泵送速度，待缓冲浆斗内的正常配比料浆快泵送完毕时，把粉煤灰料浆放入缓冲浆斗，用粉煤灰浆把料浆斗和充填泵入口内的矸石浆全部推入充填管道中，使冲洗水不会与矸石膏体混合。

6)水推灰浆。当料浆斗内设计量的粉煤灰浆泵送完之前，向料浆斗放入清水，在粉煤灰浆后面泵送清水洗管。工作面发现粉煤灰浆以后，等到设计时间及时切换到工作面排水管，将后续的清洗水通过排水管排到西翼皮带下山排水沟，下山排水沟见清水以后关闭控制阀门，完成管道清洗工作，这时管道中保持满管清水，可供下一个充填班灰浆推水使用。

图5 岱庄煤矿矸石膏体充填系统工艺流程

4 充填效果评价

随着充填的进行，在地表设立岩移观测站，对地表沉陷效果进行现场实测，为充填效果提供现实有效地数据支持。

在地表移动观测时采用数字水准仪与GPS相结合的方式进行定期测量。测站设立2351工作面的正上方。地表岩移观测站分别沿矿体走向和倾向主断面布设了两条观测线。预测地表移动盆地边界角值为：走向综合边界角为52°；上山综合边界角为52°；下山综合边界角为51°。观测结果如图6～图9所示。

图6 铁路点的下沉量

图7 公路南点的下沉量

图8 公路北点的下沉量

图9 小路点的下沉量

根据测量结果，2351工作面的充填效果是非常好的，地表下沉较小，主要结论如下：

1)由图6～图9可知，2351工作面的开采还没有影响到铁路和公路南侧的测点，测点的变化值不稳定，在误差允许的范围内。

2)在距工作面对应的地表较近的位置，测点下沉量最大值为20.09mm左右，然而公路北距离工作面较远的测点下沉较大，最大值为58.2mm。

3)从图6～图9中数据可以看出，测点的测量有季节性因素的影响，夏季测点的高程要比冬季测点的高程高30～40mm。

4)2351矸石膏体充填工作面地表下沉系数为0.08～0.10。

5 结论

该项目研究成功，不仅为解决岱庄煤矿及济北矿区不迁村开采难题，最大限度地采出煤炭资源，延长矿井服务年限，更重要的是为解放我国煤矿大量村庄等建筑物占压的煤层发展、形成一套 “高采出率、环境协调、高效安全”的新型不迁村膏体充填开采技术，这是一项具有十分重要的经济、社会和环保意义的工作。

[1] 李飞.岱庄煤矿2351综采工作面膏体充填工艺[J].煤炭科技,2011(1),82-84.

[2] 钱鸣高,许加林,缪协兴. 煤矿绿色开采技术[J].中国矿业大学学报,2003,32(4):344-347.

[3] 周华强，侯朝炯，孙希奎，等. 固体废物膏体充填不迁村采煤[J]. 中国矿业大学学报，2004，33(2):154-158.

[4] 郭文兵,邓喀中,邹友峰.我国条带开采的研究现状与主要问题[J].煤炭科学技术,2004(8)：10-14.

[5] 温国惠,周华强,孙希奎,等. 岱庄煤矿建筑物下遗留条带煤柱砰石膏体充填开采[C].//第3届全国煤炭工业生产一线青年技术创新文集.北京：煤炭工业出版社，2008.