经坊煤矿3#煤层充填技术工艺解析

2015-12-28冯宁林纪凯

中国煤炭工业 2015年4期

文/冯宁林纪凯

经坊煤矿3#煤层充填技术工艺解析

文/冯宁林纪凯

山西长治经坊煤业有限公司主采3#煤层49%属建（构）筑物压煤，资源量占比高达93.54Mt。为了有效提高资源回采率，避免后期接续困难，经坊煤矿根据矿井绿色开采的发展要求和建（构）筑物压煤开采的迫切性，提出了适合矿井应用的膏体充填开采方法。本文对经坊煤矿3#煤层膏体充填采煤技术工艺措施及可行性分析进行了阐述。

一、膏体充填采煤技术工艺措施

1.采煤方法

实践表明，充填采煤地表沉陷与变形主要受充填前顶板下沉量和充填体压缩量的影响，并且以充填前顶板下沉量占多数。同样采高的条件下，分层越多，充填前顶板下沉次数越多，下沉总量越大。为利于地表沉陷控制需要，经坊煤矿3#煤层采用 “高效隔离支架长壁综采一次采全高膏体充填采煤方法”，选择6m厚煤层一次采全高，而不是分层膏体充填采煤方法。同时，一次采全高的充填体强度要求，低于分层开采顶分层充填体强度要求，有利于降低充填材料费用。

2.高效隔离膏体充填液压支架

高效隔离膏体充填液压支架由基本架和端头架组成，具有以下特点和技术优势：

（1）四柱支撑四连杆式结构。

（2）待充填区支护及时有效。

（3）采煤进尺1刀后待充填区即能支护；隔离不降架、不影响支护。

（4）人工辅助隔离工作量少。隔离过程中待充填区不需要临时点柱；顶、底和煤帮密封柔性材料固定在支架隔离板上，重复使用，一般不需要手工填塞草苫等；设计专门的端头支架，取消端头人工铺板和打贴板柱，基本取消人工刷帮。

（5）隔离时间短。隔离的基本工作为挂塑料布，正常2h内可具备充填条件，可以取消隔离班。

3.采充工艺

让人忧心的是，酒托犯罪呈低龄化趋势。两年多前，曾有媒体报道了发生在北京的一起“酒托”案，据主审法官介绍，该案大部分被告人均是年纪轻轻的90后，而被害人也越发年轻，其中一名受害人年仅17岁。这一现象提醒全社会都应该重视关注未成年人成长。提高法律的精准打击度，以便更有力地遏制酒托案。除此之外，还需从人性自控、教育疏导等方面有效发力。

传统采充工艺为 “采煤—隔离—充填—凝固”，且凝固时间为8～10h，凝固期间不能割煤，大大降低了采煤机的开机率，使得充填采煤产量偏低。而采用HA型贝福剂（膏体速凝剂）和出口加速凝剂成套技术，可以大幅提高充填采煤效率。该技术包括管道混合器和膏体速凝剂适时添加与自动控制技术，膏体充填材料进入充填区以后±2h便可以达到普通膏体8～10h才能够达到的0.1～0.2MPa强度。因此，经坊煤矿3#煤层膏体充填工作面采用“采煤—充填”二班一循环高效采充工艺。为了提高工作质量和效率，使工人岗位相对固定，建议采用“四六工作制度”。

4.充填材料的选择

经坊煤矿分别采用黄土、矸石、矸石+黄土作为充填原材料，进行膏体充填材料配比初步试验。试验在室温下（25℃）养护至脱模，然后进行标准养护。试验结果表明：

（1）通过胶凝时间测试，材料在掺入速凝剂及贝福剂后，胶凝时间明显缩短。对于充填膏体，胶结料用量低于120kg/m3时，胶凝时间仍然较长，这主要是因为胶结料和速凝剂用量少所造成的。

（2）材料的强度随胶结料用量的增加而增加。矸石膏体的强度大于黄土膏体，小于矸石、黄土混合膏体，这是与混合膏体的材料级配比较合理，硬化体的空洞较少有关。从实验结果可以看出采用矸石充填开采完全可以满足充填体强度要求，而若采用矸石与黄土混合膏体强度更好，可适当减少充填成本。见图1。

图1 胶结料用量对充填体的28d强度影响

（3）膏体中添加合适外加剂，可以显著提高材料的流动性能，在相同条件下可以提高膏体浓度，明显减少膏体沁水率，大幅度提高膏体强度。

（4）膏体中添加合适的速凝剂，可以保证膏体加水搅拌后早期强度达到0.15MPa以上，后期强度基本维持不变。

“矸石+黄土”膏体充填材料配比初步试验结果：水泥160kg/m3，PA+HA贝福剂6kg/m3条件下，膏体材料抗压强度，RC2h=0.11MPa，RC1d=0.42MPa，RC3d=1.29MPa， RC7d=2.36MPa，RC28d=3.56MPa，满足经坊煤矿3#煤层充填要求。

二、膏体充填工艺流程

充填用矸石最大粒径小于50mm，采用一级破碎加工，经过破碎加工的矸石最大粒径控制在15mm以内，其中粒径小于0.08mm的矸石粉料控制在15%左右。

同时，应选择粉煤制作成粉煤灰膏体置于水与矸石黄土膏体之间，充填系统中应用少量粉煤灰。整个膏体充填工艺系统在充填原材料给料、计量、搅拌与泵送环节采用计算机程序化控制，系统自动根据充填泵送能力变化调节配比搅拌速度，根据矸石水分等自动调节配合比例，保证每批次搅拌料浆质量合格。

三、技术和经济可行性分析

1．技术可行性分析

经坊煤矿研究和控制煤壁片帮，狠抓煤壁管理是大采高综采充填工作面生产技术管理的重要内容之一。

煤层一般是有节理、裂隙的，当煤体受到较大的顶板压力作用时，不但会使煤层原有的裂隙扩大，而且会使相邻裂隙互相联接，引起片帮。煤壁片帮主要有两种形式，一种是剪切滑移破坏，另一种是失稳破坏。充填支架可设计前护帮梁，对工作面煤壁上部进行及时保护，并可保证充填支架的支护阻力达到设计要求，采用高效充填技术加快工作面推进速度，可以有效地防止充填工作面煤壁的片帮程度。

2．经济可行性分析

膏体充填成本由充填材料费用、充填系统固定资产折旧费用、充填水电费用、充填人工费用、充填辅助材料费用等部分组成。

经坊煤矿膏体充填增加吨煤成本约71.26元/t，考虑充填产量占矿井年生产量1/3左右，3#煤层充填将使矿井总的吨煤费用增加23.75元/t，相比目前经坊矿原煤售价370元/t，完全成本301.97元/t，充填增加成本在可接受范围内。