薄煤层架后安全高效充填开采技术研究

文/王志法　姚玉蒙

薄煤层架后安全高效充填开采技术研究

文/王志法姚玉蒙

针对新汶矿业集团各矿十三层煤薄煤层开采单产低、生产成本高、经济效益差，以及由于“三下”压煤，使得滞留煤柱煤量过大，煤炭损失严重等问题，同时，由于大量矸石的排放增加了矿井水平大巷及副井的提升压力，且造成地面污染等原因，山东良庄矿业公司对薄煤层架后安全高效充填开采技术进行研究，更新设计理念，改变落后工艺，利用综采支架后泵送矸石膏体充填的方法，达到高产高效的目的，解放了“三下”压煤难题，延长了矿井服务年限，产生极大的经济和社会效益。

一、地质与生产条件概况

1.井上下概况

31304充填试验面南东起三采十三层轨道上山、北东至F15断层，上邻三采总回风巷，下邻31305回采工作面（正在回采），试验面埋深459.4～522.1m，对应地面在近格庄下方及南北两侧。地表有民房建筑、农田。工作面长135m，推进长度786m左右，沿煤层走向布置，仰斜推进。

2.工作面煤层及围岩地质情况

工作面主采13层煤，煤层厚1.14～1.67m，平均1.46m，纯煤厚平均1.06m。直接顶为厚6.24m左右的石灰岩，底板为厚9.0m左右的粉砂岩。据临近工作面的开采情况可知，直接顶和老顶具有较好的稳定性，老顶可起到采空区开放式充填条件下的关键层作用。

3．试验面生产技术状况

工作面采用倾斜长壁采煤法，综采一次采全高回采工艺。膏体材料充填法处理采空区，本面采用双滚筒采煤机双向割煤，往返一次进两刀。双滚筒采煤机自开缺口，端头斜切进刀方式。斜切进刀要有足够的长度，以前一滚筒为准，不少于25m。工作面运煤巷、轨道巷和切眼均沿煤层顶板掘进，巷道均采用锚带网+锚索支护。

二、膏体材料采空区充填方法简介

良庄煤矿采用膏体充填，以煤矿的煤矸石作为骨料，水泥作为胶凝材料，粉煤灰作为浆体流动性能改良剂，且水泥：粉煤灰：煤矸石= 1∶2∶20(质量比)，充填料浆浓度为75%。实验表明，该充填材料质量浓度达80%以上，料浆不沉淀、不沁水、不离析，流动性能好，早期强度高、同结体不可压缩、承载性能好、凝结时间短，凝结后强度高，非常适应于井下大体积空间(如采空区、废弃巷道等)的充填需要。

根据31304工作面地质条件，13层煤顶底板变化规律，经过多方案优化后，该工作面最终确定采用包式充填法。在待充填区域上下两端头打设隔离墙，把整个充填区密闭。充填前，首先调整支架保证支架平直并及时伸出侧护帮，保证工作面支架控顶区与待充填区之间构筑一道隔离墙。其次，在工作面轨道巷和皮带巷采用单体支柱配合隔离木板进行支护，在工作面上、下两巷控顶区与待充填区之间构筑一道隔离墙，形成一个封闭的待充填空间。为了防止漏浆、跑浆，在支架后吊挂塑料编织帘(20m× 4m)，塑料编织帘的一端与轨道巷煤帮相连，另一端与皮带巷煤帮相连；塑料编织帘的上端固定在支架顶部与顶板之间，下端固定在支架底座部与底板之间。向架后采空区内直接注入膏体充填材料，凝固后对上覆岩层进行直接支撑。

三、膏体充填工艺系统

良庄煤矿31304工作面泵送膏体充填系统采用国内先进的泵送充填技术，其主要充填系统包括以下三部分:

1．配料制浆系统

配料制浆系统把煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、胶结料和水配制成膏体充填料浆。

2．泵送系统

泵送系统采用充填泵把膏体充填料浆通过充填管路输送到采煤工作面。

3．工作面充填子系统

工作面充填子系统将膏体材料充填到后方采空区。

四、充填开采效果评价

试验表明，膏体材料充填开采能有效控制采空区覆岩的活动和地表的沉陷。工作面面的矿压观测包括地面观测和工作面观测。

1．地面观测结果

工作面充填开采结束一年多的地面观测表明，地表没有发生明显变化。说明采空区充填后上覆岩层得到有效控制，开采对地表的影响很小。

2．工作面观测结果

31304膏体充填工作面为良庄煤矿的首个充填工作面，对工作面4#架、12#架、21#架、29#架、37#架、46#架、54#架、62#架共安装了8台监测分机对综采支架初撑力、工作阻力进行连续监测。每个监测分机上的三个压力监测通道分别安装在支架左柱、右柱、前梁的高压腔，以监测它们的压力变化情况，仪器的安装在支架安装的同时或在开采前进行。

从各分站监测到的综采支架工作阻力变化曲线可以看出，未充填段末期液压支架受力明显增大，其它充填阶段液压支架受力都比较平缓；液压支架受力没有周期性的增大现象；随着采空区得到及时充填，液压支架承受的平均载荷也有所降低。可见，在充填开采条件下，工作面没有出现周期来压现象，工作面上覆岩层活动因采空区得到及时充填而减缓。另外，从膏体材料的渗透和同结情况来看：膏体材料浆液可渗透并固结采空区周岩中几乎所有导通缝隙；固结体密实度高，凝固状况良好，在三向受力状态下对采空区上覆岩层起到了有效的支撑作用。

综上所述，膏体充填材料因其具有良好的流动性和可灌注性使采空区及其上覆岩层中几乎所有导通缝隙都被充填密实，使整个采空区形成了一个稳固的支撑上覆岩层的承载体系。另外，据最近一次地表测量可见，充填开采后地表最大下沉量不到200mm，地表建筑物没有出现明显裂纹，充填开采取得了良好的效果。

五、经济和社会效益

1.极薄煤层工作面高效开采技术研究成功，可大幅度提高工作面单产，提高安全系数，技术成熟后可在全国范围内推广应用。

2.与传统开采方法比较，采用膏体充填回收条带煤柱，新采区采用膏体充填全部充填开采，累计可多采出煤炭1651.6万t，延长矿井服务年限8.5年。实施膏体充填还可以节省开拓巷道、回采巷道掘进费用，减少矿井矸石、粉煤灰、矿井水处理费用，据初步计算，良庄煤矿条件下膏体充填节省费用10.93～25.33元/t。

3.良庄煤矿矸石膏体充填回收条带煤柱技术试验成功以后，全矿推广应用，新采区建筑物下开采可以采用长壁充填工作面，所产生的地表沉陷与变形预计只有现行条带开采的40%～50%，地表村庄建筑物可以得到良好保护，受损在I级损坏范围内。该技术可以推广应用于淄矿集团许厂、唐口和葛亭等煤矿，使济北矿区各矿村庄建筑物压煤问题得以根本解决，同时也可推广应用到全国其他矿区“三下”压煤开采，对促进我国煤炭行业技术进步和绿色矿山建设有重大作用和意义。

六、结语

膏体材料充填开采技术无疑是绿色开采技术的重要组成部分，是解决煤矿“三下”压煤开采的理想途径。膏体充填工艺较当前任何一种充填方式都有明显优点，但膏体充填材料是刚研制出来的新材料，在技术方面、矸石储运环节还有很大的拓展空间，在效率、效益等方面还有很大的提升潜力。相信，随着该技术的不断完善，它将会在许多领域与方面发挥更大的作用。

（作者单位：山东良庄矿业有限公司，山东能源新汶矿业集团）

（责任编辑：庞永厚）