回收城镇下条带煤柱矸石充填方法优选分析

孙志刚

（汾西矿业集团水峪煤业， 山西 孝义 032300）

矿井为摆脱生产困境，同时也为了尽量多的采出煤炭资源，决定在一采区北部1309与1307工作面之间和1307与1305工作面之间煤柱进行充填开采试验，主要进行了充填工艺的设计、采煤方法的确定、充填开采系统的布置，最后对条带煤柱回收的效益情况进行了分析。

1 工程概况

一采区为该煤矿首采区，故无相邻采区开采情况。130I条带煤柱试验面井下位于东皮带下山保护煤柱以东，北部为1309工作面，南部为1307工作面，东部为井田边界保护煤柱。一采区条带开采结束后地表最大下沉147 mm，部分建筑物产生微弱损坏，但不影响其正常使用。

位于山西组中下部，距山西组顶界平均约54m，距底界3.60～28.25 m。上距下石盒子组顶界铝质泥岩（桃花泥岩）约110 m，下距山西组底界18 m左右，距太原组三灰平均50.38 m。

全区见煤点28个，可采点26个，其中精查阶段有6个孔见3煤。另见沉缺点3个，分布于井田西部。煤厚2.21～3.38 m，平均厚2.9 m，层位稳定，煤层结构一般较简单，仅5个孔见夹矸，最多的3层，夹矸最大厚度0.35 m，一般位于煤层的中下部，夹矸岩性一般为泥岩、炭质泥岩或砂质泥岩。煤层厚度变化总的特点是东北部厚，西南部薄。

煤层老顶为中砂岩，厚度26.0 m，灰白色，厚层状，中粒砂状结构，成分以石英为主，分选度、磨圆度均较好，具炭化面，夹泥岩条带；直接顶为粉砂岩，厚度3.7 m，浅灰色到灰黑色，富含黄铁矿薄膜，下部砂质增多，平行层理发育；底板为泥岩，最大厚度4.8 m，灰色至灰黑色，含微量云母碎屑，致密，局部受挤压裂隙发育，局部变为炭质泥岩。

直接底板为0.72～4.80 m的泥岩、炭质泥岩或砂质泥岩，发育不稳定。泥岩抗拉强度为0.60～1.50 MPa，平均为0.94 MPa，抗压强度为26.40～34.80 MPa，平均为29.3MPa。老底为粉～细砂岩，厚为5.25～13.83m，平均为8.74 m。粉砂岩抗压强度为38.40～44.00 MPa，平均为41.10 MPa，抗拉强度为 1.3～2.3 MPa，平均为1.79 MPa。

2 充填方案

2.1 方案的提出

针对煤层地质条件结合矿压参数（初次来压步距为34 m，周期来压步距为14.4 m），提出以下5种方案。

2.1.1 倾向不等强完全充填开采方案

沿煤层走向，每隔30 m垂直于两平巷提前掘进高度与煤层等高、宽度为5～7 m的补切眼，其中2 m宽浇筑混凝土墙。随着采煤工作面的推进，自轨道平巷经工作面向采空区充填矸石，当工作面推进至30 m时再次搬家。开采方案示意图如图1所示。

图1 倾向不等强充填开采示意图

该方案具有充填工艺较简单的特点，采出空间充填后，可以给护巷煤柱提拱侧向力，减小和防止两帮垮落，使护巷煤柱和充填体处于比较理想的三向受力状态，从而大大增加了护巷煤柱与充填体的稳定性，可有效控制地表的移动和变形。但需提前准备补切眼并将降低工作面推进速度，同时增大了生产管理的难度[1-2]。

2.1.2 走向不等强完全充填开采方案

随着工作面的推进，沿平行于两平巷方向在采空区内依次布置宽度为2 m的混凝土墙、宽度为3 m的矸石带和充填矸石，必要时在采空区中部浇筑同等标准为2 m宽混凝土墙。走向不等强完全充填开采方案如图2所示。

图2 走向不等强充填开采示意图

该方法充填工艺较简单，对上覆岩层的支撑效果好。减小地表下沉的效果取决于采空区充填的矸石能否承受住上覆岩体的压力，国内外开采理论显示该方案对地表减沉效果与方案1无较大差异，充填条采条件下地表下沉系数全充，据我国煤矿实例，条带式充填开采地表下沉系数为0.01～0.05。

2.1.3 巷道不等强完全充填开采

沿煤层走向，在两区段平巷内每隔30 m垂直于两平巷垒砌煤层高度、宽度2.5 m的预制混凝土墙，两墙间充填矸石袋，采煤工艺选用短壁综采[3-4]，开采方案如图3所示。

2.1.4 箱式采空区支护方案

超前工作面，沿煤层走向，每隔30 m垂直于两平巷提前掘进高度为2.5 m、宽度为5 m的补切眼，其中2 m浇筑混凝土。当工作面推进至30 m时再次搬家，随工作面推进以上工序重复进行，采空区混凝土墙呈箱式布置，方式如图4所示。

图3 巷道不等强完全充填开采示意图

图4 箱式采空区支护示意图

为使混凝土材料满足泵送要求，粗骨料最大粒径小于25 mm。该配比条件下混凝土的塌落度为200～220 mm，最终抗压强度将达到60 MPa。依据工程要求，结合泵送混凝土特性，同时考虑原材料特点，在理论分析的基础上对泵送混凝土的配合进行试配[5-6]。《混凝土结构工程施工及验收规范》这一强制性国家标准给出了本次设计的依据，即泵送混凝土配合比:混凝土的坍落度为80～180 mm，砂率宜控制在40%～50%，最小水泥量宜为300 kg/m，混凝土内宜掺加适量的外加剂。试配证明，水灰质量比宜在0.45～0.60之间，水泥用量宜在300～450 kg/m3之间，具体取值应根据实际试配后确定。该方案混凝土配比见表1。

表1 混凝土质量配比

2.1.5 高水材料采空区充填

高水材料用于采空区充填有着凝结速度快的优点。采空区高水充填示意图如图5所示。

图5 高水材料采空区充填示意图

本次拟选用ZKD型高水速凝充填材料，现场应用表明该充填材料能满足常规采矿条件要求，施工工艺简单。该充填材料由甲料、乙料两种特种水泥混合物组合而成，使用过程中甲、乙料以质量比1∶1配合，其中甲料的基材是硫铝酸盐水泥熟料，并添加少量悬浮剂和超缓凝剂，乙料相对复杂，它的主要成分为悬浮剂、石灰、石膏和复合速凝早强剂等。通过数值计算发现最佳充填体的水灰比为2∶1。

2.2 方案的技术比较

上述五种方案均在一定程度上增加了工艺的复杂性，为此将各方案与间隔条带充填和完全垮落法条件下的地表变形情况进行对比分析。间隔条带充填，即沿走向每隔40 m充填一次采空区，其要求与方案2.1.1相同。

充填开采具有采、切工程量小，灵活性大、煤炭损失少、采出率高、能够比较有效的维护围岩、减少围岩的移动和防止大量冒落、可以防止煤层开采的内因火灾和冲击地压等灾害。

各方案的技术特点见表2。

表2 各方案特点

根据上覆岩层的特点及邻近矿井岩层与地表移动的观测研究成果，预计地表塌陷可采用概率积分法进行。各方案地表移动变形最大值预计见表3。

表3 各方案地表变形值

通过以上对各方案技术特点的比较，综合回收率、充填工艺和地表变形情况等的分析，最终选用巷道不等强完全充填开采方案，即方案2.1.3。

3 开采效益分析

矸石不升井充填采空区，可实现减小矿井矸石山占地面积及对矿区的污染，减缓矿井提升压力，降低采后地表移动对建筑物的破坏，减少开采赔偿的目的。某煤矿一采区北部有两个煤柱可供回收，回收后的经济效益预计如下。

1）试验工作面条带煤柱宽度按58 m、采高3 m、煤层走向长度共950 m、煤炭容重1.37 t/m3，回采率95%计算，则两条带煤柱可回收原煤21.51万t，实现利润1.30亿元。

2）采用巷道不等强完全充填开采结束后，岩移观测结果:地表最大下沉值170 mm，最大倾斜值0.55 mm/m，最大水平变形值0.4 mm/m，地表移动变形值未超过I级破坏范围，具有明显的社会和经济效益。

3）随着矿井的开拓延伸，井上矸石山越积越多，不仅污染了环境，还占用了大量的土地，利用矸石充填开采后每年可减少矸石占地面积约0.27 hm（4亩），节约征地费用64万元。

4 结语

针对矿井煤层地质条件结合矿压参数（初次来压步距为34 m，周期来压步距14.4 m），提出了倾向不等强完全充填开采方案、走向不等强完全充填开采方案、巷道不等强完全充填开采、箱式采空区支护方案和高水材料采空区充填五种方案，通过方案的技术比较，最终选择巷道不等强完全充填开采新方法。

条带煤柱开采后，多回收原煤21.51万t，提高了矿井资源回收率，保障了矿井的高效可持续发展。