超高水材料充填技术在陶一矿开采中的应用

李增波刘树轮杨生强

（1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.国家安全生产监督管理总局，北京市东城区，100713；3.冀中能源邯矿集团，河北省邯郸市，056000；4.冀中能源邯矿集团陶一煤矿，河北省邯郸市，056000）

超高水材料充填技术在陶一矿开采中的应用

李增波1，2刘树轮3杨生强4

（1.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京市海淀区，100083；2.国家安全生产监督管理总局，北京市东城区，100713；3.冀中能源邯矿集团，河北省邯郸市，056000；4.冀中能源邯矿集团陶一煤矿，河北省邯郸市，056000）

针对陶一煤矿建下压煤问题，论述了开采技术方案，对充填试验面进行了沉陷预计分析。为保证建下压煤工作面的安全生产，采取超高水材料充填新技术对工作面采空区进行充填，并对充填开采地表沉降变形规律进行了监测与研究，以保证铁路在采煤过程中的正常运行。

建下压煤 开采技术方案 超高水充填材料 充填工艺 沉陷监测

1　建下压煤开采的必要性

陶一煤矿历经30余年开采，2007年底原采矿许可证范围内剩余可采储量不足100万t，为合理开采煤炭资源及解决陶一煤矿资源枯竭问题，经申报批准邯矿集团将毗临陶一煤矿九采区的陶二煤矿七采区划归陶一煤矿开采。现陶一煤矿剩余可采储量主要集中在七采区和九采区。九采区所剩资源不多，七采区属于九采区的接替采区，目前已经投入生产，属主力采区。经核实，七采区地质储量为814.79万t，分为4个块段，分别为铁路保护煤柱334.77万t、师窑村保护煤柱212.34万t、康庄村保护煤柱133.25万t和停驷头型煤场保护煤柱134.43万t，采区可采储量372.97万t，实际可采储量219万t。因此，区内经济的基础储量剩余不多，解放建（构）物与铁路下压煤成为目前陶一煤矿维持矿井生产能力，延长矿井服务年限，充分利用已有矿建投资的当务之急。

2　开采技术方案

2.1开采方案设计原则

根据目前国内外建筑物下采煤研究现状以及陶一煤矿已经进行的超高水材料充填开采实践，结合七采区井上下具体条件，在进行七采区开采方案设计时，总体遵循以下原则:

（1）村庄下压煤实现不搬迁开采，主要建筑物不超过原煤炭工业部颁布的 《规程》中规定的I级破坏标准。

（2）邯长铁路为单线国家I级铁路，故其下压煤开采引起的变形应在其相关管理规定范围内。

（3）在第一、第二条原则基础上，尽量多采煤炭。

（4）尽可能采用成熟或验证后的开采技术。（5）能取得一定的经济效益。

2.2开采技术方案

根据开采方案总体原则，综合考虑村庄及铁路下压煤开采的相关标准与技术要求，结合邯矿集团陶一煤矿的具体地质采矿条件提出长壁工作面超高水材料充填开采技术方案。

3　超高水充填材料基本性能与包式充填过程

由中国矿业大学开发研制的采空区充填材料中，水体积达95%～97%，充填胶结体中固体料用量较少，适用于井下大体积空间如采空区的充填需要。由于固体料用量较少，充填工艺系统较简单。

3.1材料简介

超高水充填材料主要由A、B两种物料组成，A料主要以铝土矿石膏等独立炼制并复合超缓凝分散剂构成，B料由石膏、石灰与复合速凝剂构成。二者以1∶1比例配合使用，强度可据需要进行调整，满足井下充填要求，材料水体积可达到97%。超高水材料固结体具有体积应变较小，凝结时间易调，输送距离不受限制等优点，是井下采空区充填的理想材料。

3.2包式超高水充填工艺过程

充填工艺过程要求:

（1）工作面自开切眼开始，通过特制充填支架布置充填袋（包）；

（2）工作面每向前推进两刀，进行充填，在充填袋（包）内充入超高水充填材料浆体至饱满；

（3）待材料凝固后，支架向前推移，完成第一次充填开采循环，接着如此循环；

（4）当整个采空区充填结束后，在两巷构筑封堵墙密闭采空区，对剩余空间及预留通道进行集中充填，使整个采空区充填饱满，固结体全部处于三向受力状态，提高采空区支撑体系的长期稳定。采空区袋（包）式充填示意图见图1所示。

图1　采空区袋（包）式充填示意图

4　沉陷监测

为满足矿井生产的需要，掌握采取超高水材料充填新技术采煤对邯长铁路的影响规律，以便采取合理的维护措施保障邯长铁路在采煤过程中的正常运行，冀中能源邯郸矿业集团委托河北工程大学测绘工程系开展冀中能源邯郸矿业集团陶一煤矿邯长铁路充填开采地表沉降变形规律的监测与研究。要求在陶一煤矿12706、12704和12702充填开采工作面上方沿邯长铁路方向设置路基和轨道地表移动观测站，监测铁路路基和轨道的移动与变形规律，为适时采取起道、拔道和串轨等维护措施提供依据，以保证铁路在采煤过程中的正常运行，同时获取超高水材料充填条件下邯郸矿区的地表移动变形规律。

4.1项目内容

（1）根据陶一煤矿地质采矿条件及有关规程的规定，在3个充填工作面上方沿邯长铁路方向设置路基和轨道地表移动观测站，具体工作包括地表移动观测站技术设计、观测站所有观测线的布设、各观测线基准点和监测点位置的确定及基准点与监测点标石的制作与埋设。

（2）根据设计要求和实际情况，按规定的周期与精度要求及时进行观测线基准点连接测量、全面测量与日常测量、数据处理与变形分析；及时准确的为保证铁路正常运行而采取的维护措施提供数据。

（3）在地表沉降变形分析的基础上研究采取超高水材料充填技术下地表的移动和变形规律。为矿井安全开展 “三下”采煤工作、土地复垦及矿区生态环境恢复与重建提供科学依据和技术保证。

4.2各工作面沉降监测概况

（1）12706工作面。2012年2月15日-2012年3月15日，根据12706工作面地质采矿条件进行沉陷观测的方案设计和图上选点；4月29日，根据设计方案实地选点，路基和轨道监测点按设计方案布设，考虑到工农关系和监测点的保存，倾斜观测线沿倾向主断面附近的小路布设；5月12日进行连接测量和首期全面观测，5月12日、6月8日和7月14日分别进行了沉陷前的3次全面观测和与铁路高程系统的联测；2012年7月-2013年8月进行日常观测，沉陷活跃期监测频率为1次/周，衰退期为1次/2周；2013年8月-2013年10月按技术设计要求完成项目的全部工作，包括监测信息采集的全面测量、日常测量、监测信息的数据处理和分析。

图2　技术路线图

（2）12702工作面。2013年3月15日-4月15日，根据12702工作面地质采矿条件进行沉陷观测的方案设计和图上选点；4月20日，根据设计方案实地选点，路基和轨道监测点按设计方案布设，考虑到工农关系和监测点的保存，倾斜观测线沿倾向主断面附近的小路布设；5月4日进行连接测量和首期全面观测，5月4日和5月18日分别进行了沉陷前的两次全面观测和与铁路高程系统的联测；5月-11月进行日常观测，沉陷活跃期监测频率为2次/月，衰退期为1次/月；11月-12月，按技术设计要求完成项目的全部工作。

（3）12704工作面。2013年10月10日-10月15日，根据12704工作面地质采矿条件进行沉陷观测的方案设计和图上选点；10月20日，根据设计方案实地选点，路基和轨道监测点按设计方案布设，考虑到工农关系和监测点的保存，倾斜观测线沿倾向主断面附近的小路布设；11月10日进行连接测量和首期全面观测；2013年12月-2014年11月进行日常观测，沉陷活跃期监测频率为2次/月，衰退期为1次/月，遇有特殊情况观测周期适当加密；2014年11月—2015年4月，沉降稳定期监测，监测周期1次/月。

4.3监测方法

陶一煤矿采用GPS技术进行坐标联测，以测区周边3个已知点为基准，采用GPS静态测量将坐标传递至测区，使沉陷监测成果与矿区坐标系统保持一致，测量等级为E级；采用全站仪进行平面位置和水平方向移动的测量，以GPS确定的联测点为基准，采用导线测量方法确定各监测点初始坐标和各期全面观测坐标。测量等级为Ⅰ级导线；高程联系测量和日常观测采用水准测量确定各点高程，用于计算监测点下沉，首次全面观测将监测点和基准点共同构成闭合水准路线，确定各点初始高程，日常观测采用单程双转点，间隔2～3个月联测基准点。测量等级为四等水准。

4.4技术路线

根据本矿区地质采矿条件和有关规程的要求，以及各工作面的布置位置、采空区上方地形和地物条件、便于基准点和监测点的长期保存及土地占用补偿费等因素，沿工作面主断面分别布设一条走向观测线和倾向观测线。平面控制测量采用GPS定位技术、全站仪测量，高程控制测量采用四等水准测量，按规定周期和观测精度分别进行观测站的连接测量、全面测量和日常测量；采对监测信息进行数据处理与变形分析。技术路线流程见图2。

5　结论

本文监测了2014年11月-2015年4月末路基观测点的累积下沉观测成果，近半年来路基最大累计下沉12 mm。《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》规定，当开采结束后六个月累积下沉小于30 mm时可判定地表沉降已稳定。由此可知，陶一矿铁路沉降已稳定。

（责任编辑 张艳华）

Application of filling technology with super high-water materials in coal mining in Taoyi Coal Mine

Li Zengbo1，2，Liu Shulun3，Yang Shengqiang4
（1.Faculty of Resources&Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.State Administration of Work Safety，Dongcheng，Beijing 100713，China；3.Jizhong Energy Handan Mining Group Co.，Ltd.，Handan，Hebei 056000，China；4.Taoyi Coal Mine of Jizhong Energy Handan Mining Group Co.，Ltd.，Handan，Hebei 056000，China）

Aiming at the problem of coal under buildings in Taoyi Coal Mine，the mining technical proposals were discussed，and the subsidence of filling test surface was predicted and analyzed.In order to guarantee the safety mining under buildings，the new filling technology with super high-water materials was applied in the goaf of filling mining face，and the subsidence and deformation laws of ground surface were monitored and studied，which ensured the normal running of railway in process of mining.

coal under buildings，mining technical proposal，super high-water filling meterials，filling technology，subsidence monitoring

TD325.4

A

李增波（1966-），男，山东青岛人，博士研究生，研究方向为安全管理及政策研究。