岱庄煤矿膏体充填绿色开采技术实践

杨贤江

（淄博矿业集团有限责任公司，山东 淄博 255120）

岱庄煤矿为核定生产能力300万t/a的大型煤矿，矿井位于济宁市城区北部，井田内地面建（构）筑物密集，地面村庄压煤80%。自2000年建成投产以来，一直采用条带法进行建下压煤开采，目前已有条带煤柱50多个，累计条带煤柱可采储量已达1100万t，造成了井田内有限的煤炭资源呆滞浪费。为回收建下遗留条带煤柱，延长矿井服务年限，岱庄煤矿与中国矿业大学等单位合作，进行矸石膏体充填开采技术研究，建立了一套以矸石、粉煤灰、建筑废弃物为主要原料的膏体充填系统，回收条带开采遗留的煤柱。将矸石、粉煤灰、水泥、建筑废弃物等固体废物制作成膏状浆体，从地面通过充填泵经充填主管路和工作面充填管路及布料管等管件充填采空区，置换采出煤炭资源，使地表变形始终保持在建（构）筑物安全的允许范围内。

1 充填设备及管路配置

1.1 充填设备

膏体充填系统地面充填站主要设备为：巴哈斯-桑索霍芬（天津）机械有限公司生产的DKXS2.50型双卧轴槽式搅拌机；德国普特斯迈斯特公司生产的KOS25100HP型充填泵，最大输送压力可达12MPa；井下2351充填工作面采用ZC5600/17/32型充填液压支架。

1.2 充填管布置

充填管路由主充填管路、工作面充填管路（工作面充填管路由布料阀、万向节、工作面充填管连接组成）、布料管组成。2351工作面充填系统中，把铺设在顺槽内的充填管称之为主充填管；进入工作面的管道称之为工作面充填管；从工作面充填管每隔一定距离经布料阀变向，向充填区域喷送料浆的充填管称之为布料管。

工作面长度103m（轨顺下帮至皮带上帮）安装支架66个，面上注浆点6个，分别布置在12#、22#、32#、42#、52#、62#支 架 上。1#管 路Ф245×22mm，共974m，2#管路Ф245×20mm，共1160m。工作面Ф150×10mm充填管100m，Ф150×10mm布料管20m。

在每个设置布料管的地方接一个闸阀。在主充填管上，在立管底、沉淀池、轨顺等多个地点也安装带有压力监测的闸阀，压力监测数据可传输到地面集控室，实现实时监控。

2 膏体充填采煤工艺

根据2351膏体充填工作面地质资料结合2351膏体充填工作面的充填开采经验进行综合分析，确定2351膏体充填工作面采用综采一次采全高，采空区采用矸石膏体充填控制顶板。在工作面顶板完整的情况下循环步距按割4刀进行生产组织，顶板破碎时根据顶板完整性及压力情况及时加强支护或补充措施。

膏体充填开采施工工艺，顶板完整时：挂网→割煤（2刀）→挂网→割煤（2刀）→隔离→充填（支护顶板）→凝固检修（支护顶板）。

顶板破碎时：挂网→割煤（2刀）→挂网（打设锚杆支护顶板）→割煤（2刀）→隔离→充填（打设锚杆支护顶板）→凝固检修（打设锚杆支护顶板）。

3 待充填区支护工艺

（1）顶板完整，面前挂菱形网，面前顶板不打锚杆托钢带支护顶板时待充填区内支护方式如下：

① 工作面使用带有支护装置（横梁）的充填支架，随着支架的前移，横梁一头担在支架后切顶线上方，另一头担在膏体墙上方，对待充填区形成有效的支护。

② 发现待充填区内顶板上的菱形网有破损时必须及时补网。

（2）顶板破碎，面前挂菱形网，面前采取打锚杆托钢带支护顶板时待充填区内支护方式如下：

① 顶板破碎不完整时，采取割煤两刀后在面前平行于煤壁打设一排锚杆托钢带对顶板加强支护的方式进行施工。锚杆采用Ф18×2300mm无纵肋螺纹钢式树脂锚杆，每孔用树脂药卷MSZ2350两支，根据现场顶板岩性情况，确定合理间排距，及时根据现场情况编制措施。采用2200×60×3.8mm型钢带，钢带平行于工作面布置。采用10#铁丝制作的1700×5000mm 菱形网。

② 在顶板破碎处及溜帮严重的地段在面前采取打设锚索加强顶板支护顶板。锚索采用Ф15.2mm的低松弛预应力钢绞线截制而成，长度为4500mm，每条锚索梁两条锚索线，每孔装入树脂药卷MSZ2350三支。锚索梁采用矿10#槽钢加工制作而成，梁长2000mm，两锚索孔间距为1500mm。

（3）发现待充填区内顶板上的菱形网有破损时必须及时补网。

4 待充填区隔离施工工艺

4.1 支架与底板之间的隔离

在紧贴支架底座后部，平行工作面挖一条宽×深=200×200mm的地沟，然后把隔离布（长×宽=20×5m）的一端埋入挖好地沟内，另一端铺设在支架顶梁与顶板之间。

4.2 支架与顶板之间的隔离

（1）顶板完整时的隔离方法：首先降下支架（支架的降落高度不大于400mm）把塑料布的一端（约500mm）铺在支架顶梁上，然后再在塑料布上面铺上隔离材料，最后升起支架，密封好支架与顶板之间的空隙。塑料布的另一端埋入已经挖好的地沟内。

（2）顶板破碎时支架不能落架时的隔离方法：首先把塑料布的一端（约500mm）缠在3m长的半圆木上，然后在塑料布上面铺上隔离材料并与半圆木固定好，防止隔离材料脱落，最后用圆木柱（高度适宜、材质合格）托半圆木支撑在顶板上，圆木柱不少于3棵并用木楔背实。塑料布的另一端埋入已经挖好的地沟内。

4.3 支架与支架之间的隔离

检查支架与支架之间是否有间隙。若相邻支架之间有间隙，可以通过支架侧护板进行调整。若相邻支架之间的间隙较大，打开支架侧护板后仍不能满足隔离要求，必须在相邻支架之间塞入隔离材料后再打开侧护板，并在支架尾梁后吊挂草苫，保证相邻两支架之间隔离严密。

4.4 两端头的隔离施工方法

（1）底板的隔离方法：在隔离位置的底板挖一条300×300mm的地沟（必须挖到实底），然后把隔离布一端埋入地槽内，埋设塑料布的长度不小于300mm。

（2）顶板的隔离方法：在打设隔离墙位置的顶板上吊挂好双层草苫，草苫用铁丝固定到顶板锚网上。在草苫下方铺设双层隔离布，隔离布回头的长度不小于1m，并用铁丝固定到顶板草苫和锚网上，固定点间距不大于0.3m，固定点不少于两排，保证固定点牢固可靠。

（3）隔离模板与煤壁之间的隔离方法：首先把隔离模板与煤壁接触处的煤壁找平找直，然后在煤壁上吊挂不少于两层的草苫，保证草苫与煤壁接触严实，最后把模板的一端紧贴草苫摆放好，保证模板与草苫的接触严实。若煤壁松软，必须在隔离模板与煤壁结合处内侧紧贴煤壁和隔离墙垂直顶底板放置高度合适的木板或者半圆木，木板或半圆木必须用铁丝固定在煤壁上，然后在木板或半圆木外侧吊挂双层草苫和隔离布。

（4）隔离模板与支架之间的隔离方法：首先在支架上吊挂不少于两层的草苫，保证草苫与支架接触严实，然后把模板的一端紧贴草苫摆放好，保证模板与草苫的接触严实。

（5）紧贴模板打设一排单体液压支柱挡住模板，柱距不大于200mm，单体液压支柱底部打在连体柱鞋上，顶部打在半圆木上，且保证单体液压支柱的初撑力不小于11.5MPa，严禁使用失效的单体支柱。

5 充填工艺

（1）管道注水

打水润湿管路阶段，不用开泵，可以利用重力作用，通过水自流的方式达到对管路内壁润湿的目的，一般注水时间为30min。

（2）灰浆推水

灰浆推水阶段，灰浆为过渡浆体，起隔离水与矸石浆作用，防止矸石浆与水见面产生离析。灰浆由粉煤灰、水泥和水三种物质配比而成，浓度设定根据粉煤灰性质不同而有所变化，目前浓度设定为56%左右，坍落度为270mm左右，可泵时间4h，16h后膏体强度为0.1MPa。根据管路长度，灰浆量设定为60m3。打灰浆时间为30min左右。

（3）矸石浆推灰浆

矸石浆为主打浆体，主要由煤矸石、粉煤灰、水泥和水四种物质配比而成，目前浓度设定为72%左右，根据矸石颗粒变化情况和粉煤灰变化情况上下浮动，使矸石浆体始终处在合适的坍落度范围，保证其具有良好的流动性能，而又不发生离析。矸石浆坍落度在260mm左右，可泵时间3h，16h后膏体强度为0.14MPa。

（4）灰浆推矸石浆

作用同（2），灰浆量设定为60m3。打灰浆时间为30min左右。

（5）水推灰浆

此阶段打水目的用于清洗管路，为下一个循环充填做好准备。打水要一直到管路出水较干净为止，说明干路内壁已清洗彻底，时间一般为50min。

（6）打风

打风一方面在于吹出管路内打水阶段无法冲出的碎小石子，另一方面吹出管路内的存水，吹干管路内壁，防止锈蚀管路，以延长管路使用寿命。打风至管路内不再出水为止，时间约为2h。

6 充填情况

自2009年12月23日以来，2351工作面已经充填开采完毕，充填膏体280450m3，消耗矸石105375m3，置换出原煤420280t。膏体充填整体运行平稳，无严重漏浆和堵管事故发生。充填体拉架后自稳较好，无变形塌落现象，且接顶良好，有效地支护了顶板。

7 结语

（1）采用充填开采能够提高煤炭采出率，把原来无法回采的条带遗留煤柱回收，提高煤炭的回收率。

（2）采用充填开采提高了开采安全性，能有效控制开采过程中顶底板的稳定性，防止顶底板突水，防止顶板冒落事故。

（3）延长了矿井服务年限，通过充填技术，可提高岱庄煤矿服务年限10年以上，为企业创造出更多的经济效益。

（4）充填开采后可实现土地不塌陷，地面建筑物不破坏，村庄不用搬迁，同时可以消化矸石，地面不用设置矸石山场地，有利于环保，真正实现了绿色开采。