膏体充填工艺在北翼充填采区1201充填面的应用与总结

摘要：阐述了西马煤矿充填开采技术的发展应用情况，北翼充填采区的建设背景及必要性。对北翼充填采区1201充填首采面的生产工艺、充填系统及工艺及充填效果观测作了详细的介绍，对膏体充填开采技术在全省，乃至全国兄弟企业的推广及应用起到重要作用。

关键词：三下开采;充填面;膏体;应用;总结

中图分类号：TD823.7    文献标识码：A     文章编号：1671-2064（2019）16-0000-00

0引言

随着煤炭开采技术水平的提高，煤矿“三下”开采技术也得到了迅速的发展。随着充填材料的研发与推广应用，利用采空区充填的方法对“三下”压煤进行开采已经成为一种必然趋势。充填开采不仅能有效控制冒落带高度、岩层移动、地表下沉，而且资源回收率最高可达90%以上。目前常用的充填开采技术主要有似膏体充填、膏体充填、超高水材料充填和固体废物充填等，特别是膏体充填开采技术已经在我国的一些矿井生产中进行了成功的应用。

1矿井概况

西马煤矿为立井单水平（-350水平）分区式上下山开拓，中央边界抽出式通风。设计能力为75万t/年，经技术改造后，核定生产能力为150万t/年。井田南北走向7.5km，东西倾斜4km，井田面积30km²。矿井地表标高+20m，现矿井开采深度为-170m至-700m。全井田煤层为不对称向斜，倾角由向斜轴向两翼逐渐变大，西陡东缓，东翼煤层倾角0～5°，西翼煤层倾角0～50°。现采场在矿井东翼，煤层倾角在5～15°之间，属缓倾斜煤层。全井田煤种主要为无烟煤。矿井采用以综采为主，高档普采为辅，走向长壁（倾斜长壁）后退式全部垮落法及全部充填法的回采工艺。

2 充填开采的意义

2.1 解决三下压煤

由于矿井的煤炭有一大部分都在村庄下和高速公路下，为保证矿井的可持续发展，解决三下压煤是西马煤矿可持续发展的当务之急。行之有效的方法就是采取采空区充填，保证地表建筑物和公路不受影响。

2.2 消除矿井排矸和热电厂排放物对环境的影响

西马煤矿历年排矸量达42.2万m³，排放矸石对地面生态环境造成严重破坏，主要表现在：压占土地、污染环境、危害人类安全。

公司下属的两座热电厂靠近矿区，热电厂在生产过程中，排放大量的粉煤灰，粉煤灰也同样占用土地、污染环境，但粉煤灰的利用率较低，需要采取措施处理掉。将矿井的矸石和热电厂的粉煤灰处理掉，周围生活的人们所处的环境将得到改善。

3 充填开采技术的探索试验

西马煤矿首先在南一采区1326工作面成功地进行了膏体充填开采，共计采出原煤2.3万吨。通过1326工作面的开采，积累了大量的生产经验和数据资料，为本矿全面实施“三下”开采奠定了基础。依据1326工作面开采的数据资料，对位于工业广场煤柱内的1327工作面进行了开采论证。基于论证结果，西马煤矿对1327工作面实施了膏体充填开采。1327工作面已经于2014年2月份采完，在地表受影响范围内最大下沉值为185mm，最大倾斜变形值为+1.4mm/m和-1.5mm/m，正曲率值、负曲率最大值分别为+0.06×10^-3/m和-0.07×10^-3/m，最大水平变形值分别为+1.3mm/m和-1.7mm/m。将各测点移动变形值与《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中所规定的建筑物损坏等级I级范围（水平变形ε≤2.0mm/m，曲率K≤0.2×10^-3/m，倾斜i≤3.0mm/m）相比较，其移动变形值均在I级范围内，广场内洗煤厂沉陷值在+10mm至-40mm，洗煤设备正常使用。

4 北翼充填采区的建立

基于南一区1326、1327采面充填开采的成功经验，西马煤矿对井田东北部“三下”压煤集中区划定为北翼充填采区，面积为3.346km²，采区内12煤层共有煤炭储量为597.06万t，其中边界防水煤柱的储量为284万t，高速公路保护煤柱的储量为95.96万t，白家荒地村保护煤柱的储量为81万t，西马峰村保护煤柱的储量为63.4万t，变电所及中学保护煤柱储量的储量为17万t，储量共计541.36万t，占采区总储量的90.7%。2014年在该区域内进行水文地质补勘，施工了5个水工钻孔，2014年施工了1个水工兼水位、基岩移动动态长期观测孔，区内共施工钻孔38个，钻孔密度为11.4/km，2012年对该区煤层顶板钻探取芯进行了岩石物理性质、力学性质测试。

对保护煤柱实施膏体充填开采，实质上是降低了煤层采高，降低冒落带高度及沉陷的范围，为了使充填开采安全、经济合理，保证防水安全，地面建筑物能安全使用，决定只采12煤上煤，首采面布置在西马峰村保护煤柱内。

5 1201充填面的充填工艺

5.1 充填系统概述

北翼充填采区设置水泥仓、矸石仓和充填泵站。

水泥经由辅助运输系统运至水泥倉上口，翻车进入水泥仓。放仓经胶带输送机与北翼充填采区矸石仓下的胶带输送机上的矸石混合，经北翼充填采区材料上山胶带输送机运至北翼充填采区充填泵站。

粉碎的矸石和粉煤灰由地面矸石山经1#充填立孔进入井下1#矸石仓，放仓经北翼充填皮带运输巷胶带输送机运输到北翼充填采区矸石仓，放仓后与水泥混合，经北翼充填采区材料上山胶带输送机运至北翼充填采区充填泵站。

在充填泵站设置容量40m³的蓄水池供充填用水。在1201上、下顺中部，分别设置排水池用于排出工作面充填洗管水。

在工作面内充填管路每隔15～25m为一个充填段，每相邻充填段间隔不大于1.5m，中间用柈子将顶板封严，相邻未充填区域在下次充填时采用改变充填段位置的方式将其充填。

在工作面内每隔15m设置一个布料阀，各充填管之间采用万向节连接。工作面充填管路固定在工作面运输机上，随工作面运输机推移移动。

1201充填面采用膏体充填的方法管理采空区顶板，即将破碎的矸石、水泥、粉煤灰加水按比例混合形成膏体，经充填泵加压，通过布置在巷道内的充填管路将膏体运送至工作面充填。

管路输送膏体路线：充填采区充填泵站→北翼充填采区入风材料上山→中部运输巷→Nc-1201中顺→上、下采面。

5.2 膏体配比及充填工艺流程

5.2.1 膏体配比

膏体为水泥、粉煤灰、破碎的煤矸石和水，按重量比1：4：10：4混合而成。

5.2.2 充填工艺流程

回收待充填区域单体液压支柱→设置挡浆帘→充填管路连接→充填管注入0.5m³水→充填管注入0.5m³砂浆（水泥和粉煤灰混合物）→充填管注入膏体→注水清洗充填管路。

5.3 工作面充填前准备

先回收单体液压支柱，然后设置挡浆帘，再使用充填软管将待充填采面固定在运输机上的充填管和中顺的充填管对接。

5.4 工作面充填方法

充填前，先向充填管内注入0.5m³水，将管路潤滑。水注入后，向充填泵内注入0.5m³砂浆（水泥和粉煤灰混合物）。由机头向机尾方向充填，通过布料阀的开启或关闭改变充填位置。本段充填即将结束前，先开启下一充填段布料阀，待本充填段充满后关闭布料阀，下一充填段进入正常充填阶段，以此类推，直至充填结束。

待胶带输送机上充填料转空后，向充填泵内加入水。充填至上、下顺挡浆排时，由充填负责人通知充填泵司机充填结束，清洗充填泵和管路。充填结束后将工作面的充填布料阀关闭，使充填管内的水自流到上、下顺的排水池内。及时将1201上、下顺排水池充填水排出，将池内的淤清净。

采空区膏体凝固6个小时，将挡浆排单体液压支柱回收，回收后挡浆排单体液压支柱柱距不大于1.5m。

6 1201充填面各项观测成果

对1201充填面充填前后进行观测，上部共计进行328次充填及观测，经计算采空区平均充填前高1.578m，采空区平均充填高度1.462m，采空区平均未充填高度0.116m，充填率为92.6%。下部共计进行335次充填及观测，经计算采空区平均充填前高1.544m，采空区平均充填高度1.442m，采空区平均未充填高度0.102m，充填率为93.4%。

6.1 充填体内顶底板移近量及应力观测

采用顶底板移近量动态报警仪及应力传感器监测设备，对顶板移近量进行了观测，通过对上各点观测数据分析，顶底板移近量及围岩应力采用18个点进行计算。观测最大下沉量（22#点）为0.261m，最大应力值（17#点）为6.5MPa。顶底板移近量采用22#点，围岩应力采用17#点进行计算。22#点位膏体充填高度为1.650m，地面监测下沉量为0.261m欠接顶高度为0.20，充填前顶板移近量0.036m， 其膏体充填压缩率为（0.261-0.20+0.036）÷1.650=0.015m/m= 1.5%。观测17#测点的应力为3.68MPa， 相当于368t/㎡，十二煤采深为191m，按覆岩容重2.6t/㎡计算，原岩应力为497t/㎡，采空区内充填体承载强度为原岩应力的74%。

6.2 1201充填面地表观测

高程测量分别于2014年5月8日至2018年4月22日进行了7次观测，每次观测后对水准测量记录认真检查，按规程要求不超限进行平差，通过观测最大下沉量为0.292m。

1201充填面2014年9月25日开采，2018年7月20日结束，在此期间每月对地表观测巡视一次，未发现地表有裂缝现象。

1201充填面2014年9月25日开采后，对影响范围内地面建筑物每季度进行一次观测调查。影响范围内共计160户，破坏程度均在Ⅰ级以内。

7 经济分析

1201充填面地质储量50.5万t，可采储量 47.9万t ，实际动用煤量50.4万t，实际采出煤量为48.3万t，回收率95.8%。在经济方面为企业创造利润7245万元，在环境治理方面回填矸石352224m³、粉煤灰140889m³。

1201采面充填开采主要消耗材料有：水泥、粉煤灰、矸石、充填袋、圆木等。其它消耗有人工，电力及设备折旧等。t煤充填成本约80元左右。

8结语

通过以上对北翼充填采区1201充填面开采充填工艺的描述及对开采期间各项参数的观测、测试与模拟对比结果，证明北翼充填采区采用膏体充填开采是科学、可行的，为西马煤矿充填开采的进一步开展奠定了基础。通过膏体充填技术在北翼充填采区的应用，解决了西马煤矿三下压煤的回采问题，使矿井的可采储量增加3320万t，延长了矿井的服务年限20年，使国家的煤炭资源得以有效利用，对企业的可持续发展起到了保障作用，具有可观的经济效益和良好的社会效益。

参考文献

[1]徐永圻.煤矿开采学[M].徐州：中国矿业大学出版社，1999.

[2]陈炎光，徐永圻.中国采煤方法[M].徐州：中国矿业大学出版社，1991.

[3]钱鸣高.采场矿山压力与控制[M].煤炭工业出版社，1983.

收稿日期：2019-07-12

作者简介：庄百宏（1966—），男，汉族，辽宁大连人，本科，工程师，研究方向：采矿工程。