回坡底煤矿村庄下压煤开采关键技术研究

2020-10-14郭锐

煤矿现代化 2020年6期

郭锐

（山西汾河焦煤股份有限公司回坡底煤矿，山西洪洞041600）

0 引言

条带开采是减小地表变形的有效方法之一，但条带开采采出率仅为40%～60%，资源浪费严重，同时条带开采掘进量大，生产管理复杂，尤其是在厚煤层开采条件下采出率更低。水砂充填可以有效提高村庄下压煤的采出率，但存在以下几个问题：一是近年来随着开采的逐步加大，水砂资源越来越少，充填成本越来越大；二是水砂充填需要建立专门的输送和排水系统，还要构建专门的护壁和隔墙，但充填强度较低；三是工艺落后，劳动率低，不能满足高效生产的需要。覆岩离层注浆是20世纪80年代初首先在波兰发展起来的一门采矿技术，通过在工作面后方15～20m处离层注浆的方法控制地表变形，但该方法充填效果存在争议，一般认为覆岩离层注浆地表减沉量不超过40%，基本达不到控制地表变形的目的。

地下开采对地表产生的主要危害为对地表建（构）筑物、铁路、公路、堤坝、桥涵等产生危害或破坏；开采沉陷盆地会形成常年积水，导致土壤盐碱化、荒漠化等；此外不合理的采矿活动会造成地质环境恶化，引发工程地质灾害，破坏自然环境及景观等。我国因采矿业每年占用和破坏的土地高达3.4万hm2，其中仅煤炭开采每年造成的地面塌陷就达3.0万hm2，累计已达50万hm2。开采活动已经对自然环境、经济环境、社会环境造成了严重的损害，影响了国民经济的可持续发展，日益引起了人们的重视。

因此，科学合理的解决“三下一上”压煤、固体废弃物处理和开采损害等问题，减轻采矿业对自然、社会和生活环境的影响和破坏，最大限度利用有限的资源，实现煤炭资源的“绿色开采”，是我国煤炭行业目前急需解决的。

1 工程概况

回坡底煤矿井田含煤面积5.5014km2，含可采煤层2层，其中10#煤层保有资源储量2256万t，平均厚度3.5m，属低灰-中灰、特低硫-中低硫、低磷-中磷、低热值-高热值的1/3焦煤。矿井设计生产能力120万t/a，服务年限10.4年，采用斜井-立井联合开拓，井底水平+180m，主采10#煤层赋存稳定，结构简单，适用于综合机械化开采。目前正在回采一采区南翼101工作面，接替工作面103、105、107、109，采用长壁综合机械化开采。一采区北翼对应地表为北益昌村，压覆煤炭地质储量715万t，可采储量325万t。在这种条件下，村庄下压煤问题已成为回坡底矿所面临的一大难题，如得不到有效解决，除会造成采区工作面接续紧张外，矿井服务年限也将大大缩短降至5年。

2 开采方案的确定

2.1 方案的提出

结合回坡底矿地质采煤条件及该矿以往村庄下开采的经验，提出以下4种村庄下压煤开采方案：

1）方案1：搬迁开采。搬迁开采牵扯地方、企业、村民等多方利益，目前存在很多困难：一是搬迁村庄选址困难，如不造成二次压煤则位置较远，影响村民的生产、生活，否则造成二次压煤则失去搬迁村庄的意义；二是土地征收难，一般都在1-2年，甚至更长；三是处理抢建难，村庄搬迁难，大量村民突击建房，给国家和企业造成巨大经济损失；四是设计区域内，建筑物密集，共880户人家，搬迁工程量大，费用高（每户补偿平均按照15万计算，共补偿13200.0万）。

2）方案2：条带开采。我国多数省份都采用了条带开采方法，采出率大多在40%～60%之间，地表下沉比例是开采煤层厚度的3%～15%，成效明显，对于村庄煤柱开采来说，具有明显的改善作用，但也存在不少缺点，如回采率低、搬家倒面次数多、工作效率低。

3）方案3：综采固体充填开采技术。综采固体充填技术是在综合机械化采煤工作面回采的同时实现综合机械化矸石充填作业，通过研制与综采工作面高效机械化采煤配套的矸石充填液压支架、自压式矸石充填机等设备，将矸石漏入掩护空间并向采空区压实的充填开采方法。矸石充填液压支架的功能是要实现架前掩护采煤作业，架后掩护矸石充填作业。矸石充填液压支架由顶梁、伸缩梁、立柱、底座、尾梁、尾梁调节千斤顶、尾梁之下悬挂的充填刮板输送机和圆环链等构成。它与传统液压支架的主要区别在于三个方面：拆除传统液压支架的掩护斜梁，代之水平短梁，将矸石直接漏入水平短梁掩护下的空间内；二是在水平短梁悬挂刮板输送机，形成连续运输矸石的通道；三是矸石靠自重从漏矸孔落入掩护空间内，再利用专门的捣实机构加压将矸石向采空区压实。

4）方案4：短壁膏体连采连充技术。短壁膏体短壁膏体连采连充技术是近几年发展且成熟起来的一项充填开采技术，该技术结合了长壁开采的通风和短壁采掘装备“小、快、零”的特点，把短壁开采的“三机”配套和充填工艺系统有效结合起来，实现了采、充分离，避免了长壁充填采、充干扰、效率低、控顶效果差等难题。工作面采用走向布置，倾向开采，通过设计专门的顺槽连巷（带调节风窗）实现了短壁充填开采工作面全负压通风和两个安全出口，下平巷煤流运输、上平巷充填实现了采、充分离，是近几年发展起来的较有前途的一个新的方式。该技术将膏体充填与连采工艺相结合，具有对岩层移动与地表沉陷控制效果好，资源采出率高，适应性强，投资低等优势。

2.2 方案的对比分析

针对提出的4种建筑物下压煤开采方案，搬迁开采是目前实施起来最困难，费用最高的开采方案，条带开采回采率低、掘进率高、搬家次数多、工作效率低。相比之下综采固体充填开采技术和短壁膏体连采连充技术最为合适，下面对这两种充填方法做详细对比，如表1所示。

表1 技术对比表

比较说明，膏体充填具有材料密实度高，在充填材料费用变化不大的情况下充填体强度调节范围大，对地表沉陷控制效果好，适应各种开采条件；矸石直接充填不用胶结料，充填材料费用较低，但是矸石直接充填密实度较低，只适用于地表沉陷控制要求较低的开采条件，减沉效果比较差。相比较之下，以控制地表沉陷，保护地表为主要目的选择开采方案，短壁膏体连采连充技术开采更为合适。

3 短壁膏体连采连充工艺设计

3.1 采煤工艺

一采区设计区域工作面支巷长度120m，通过设计专门的顺槽联巷形成工作面全负压通风和两个安全出口。工作面回采采用跳采间隔充填的方式，支巷宽度5m，先采奇数支巷，采完后充填，待充填支巷强度稳定后开采偶数支巷，采完后充填。短壁膏体连采连充工作面示意如图1所示，工作面短壁膏体连采连充生产循环示意如图2所示。

靠近顺槽联巷位置的第一个支巷与顺槽联巷之间留设5m的保护煤柱，其它支巷按与第一个支巷平行布置，支巷由里向外编号为1、3、5……支巷间距为5.0m，支巷间煤柱由里向外编号为2、4、6……支巷间距亦为5.0m。支巷开口位于运输顺槽，开采方向由下至上（运输顺槽至回风顺槽），每条支巷长120m，巷道宽5m，支巷高度与煤层平均厚度保持一致。设计回采时采用跳采间隔充填的方式，即先采奇数支巷，偶数支巷保留作为煤柱，当已采支巷充填完毕并且充填物凝固一个月后，再由内向外开采偶数支巷。

图1 短壁膏体连采连充工作面示意图

图2 短壁膏体连采连充生产循环示意图

3.2 支护工艺

1）打锚杆眼。在工作面准备打眼前，需要先敲帮问顶，并严格检查是否达到作业规程要求，确保工作面符合开工条件后才能作业。锚杆眼眼位误差在±100mm范围内，锚杆眼角度误差小于150。深度要与锚杆长度匹配。施工人员需要在综掘机前方打眼时，首先将综掘机退后并将综掘机切割头落地，切断综掘机上的电源开关和磁力起动器的隔离开关，综掘机截割头落地上护罩。

2）回风顺槽、运输顺槽顶板采用锚网索支护。顶锚杆采用φ22×2500mm型左旋螺纹钢锚杆，间排距800mm×800mm；锚索采用φ21.6×8500mm型钢绞线，间排距3000mm×3000mm，三*二布置；非生产帮锚杆采用φ22×2500mm型左旋螺纹钢锚杆，间排距800mm×800mm；金属菱形网采用10#铁丝制作，网格50×50mm。

3）支巷回采时顶板采用锚网索支护。支巷回采时顶板采用锚杆支护，顶板破碎时采用锚网加强支护；为便于后期支巷煤柱的回收，各支巷两帮原则不支护，帮部破碎时采用φ18×2000mm型玻璃纤维树脂锚杆加强支护；顶锚杆采用φ22×2500mm型螺纹钢锚杆，间排距800mm×800mm；锚索采用φ21.6×8500mm型钢绞线，间排距3000mm×3000mm，单根支护；同时开采时支巷临时支护采用单体液压支柱临时支护。

4）开门点三岔门。①开门前必须先打好组合钢带和两颗锚索加强支护，组合钢带距开门点1.0m，并且在原巷道中间增加一颗锚索，开门2.0m后及时补打另一根锚索，锚索间距2.2m。②支巷或煤柱复采贯通卧底完成后，在开门点支设4根单体支柱加强三岔门顶板管理，单体支柱排距为1.0m，单体支柱以里侧浇筑膏体，确保膏体与留设的煤柱煤壁和充填膏体搭接严密，且与顶板结实。

5）透点三岔门。开门前预先在透点三岔门处打好组合钢带和两颗锚索加强支护，组合钢带距开门点1.0m，并且在原巷道中间增加一颗锚索。

6）支巷口挡浆墙设计。膏体充填料浆输送到回采工作面以后要做到及时、保质、保量完成任务，需要作好以下三方面工作：一是充填空间的临时支护，保证在充填前、充填期间和充填体凝固期间能够使顶板保持稳定；二是隔离墙的施工，需要快速形成必要的封闭待充填空间，为充填创造尽量多的时间，避免充填料浆流失和影响工作面环境；三是合理安排充填顺序与措施，保证充填作业连续进行，保证充填体接顶质量，短壁短壁膏体连采连充挡浆墙搭设如图3所示。

充填体挡浆墙强度。充填体挡浆墙强度设计原则，充填体作用在挡浆墙上的重力分量除以挡墙面积即为理论设计最大强度，计算方法如下：

充填体体积：

V=S×L=3.5×5.0×120×0.95=1995m3

充填体作用在挡墙上重力的分量：

G=γ×V×sin8°=1995×1.6×sin8°=443.7kN

充填体挡浆墙强度：

充填体的重力的分量除以挡墙的面积即：

P=G/S挡=443.7/（5.0×3.5）=0.025MPa

7）充填体挡浆墙设置：①充填体挡浆墙采用架设钢模板，单体液压支柱加戗柱的架设方式。②在需要充填的支巷下出口底板和两帮掏槽，槽深均为30mm。③将防水布放入槽中并用挡板压实，然后将挡板撑起，在底板、两帮、顶板用草苫子塞进后用单体液压支柱在四周撑住，单体液压支柱初撑力不低于11.5MPa；同时用戗柱对挡墙顶部进行斜向支护，戗柱初撑力不低于2MPa。④在顶板设置不少于2个放水观察口。

图3 短壁膏体连采连充挡浆墙示意图

3.3 充填系统工艺

充填准备→管道充水→灰浆推水→矸石浆推灰浆→灰浆推矸石浆→水推灰浆→管道清洗→打风。

1）充填准备：包括工作面支巷下出口隔离墙支设、墙体及其与顶底板之间进行密封；隔离情况、管路情况、闸阀情况、物料准备情况、通讯情况、井上下确认等。

2）管路充水：充水时要有专人对井下所有充填管路进行检查；并有专人在工作面充填管末端的三通阀门处观察出水的情况，汇报充填量并做好记录。井下主管路阀门需打开至合适位置，保证管路内满水。

3）灰浆推水：管道充满水后要通知充填站并要求充填站开始打灰浆，灰浆量30m3左右，紧跟矸石浆。充填管末端的三通阀门处见到被水稀释的灰浆后立即通知班长打开布料阀切入隔离的支巷并做好记录。

4）矸石浆推灰浆：充填站打够设定的灰浆量时，导入打矸石浆任务并通知井下已开始打矸石浆。在矸石浆充填约1940m3后（视管路长度，即从充填站到首充面轨道顺槽主管路阀门之间管路的容积），紧跟灰浆30m3左右，充填站集控员必须通知井下把主管路闸阀打开。

5）正常（轮流）充填：膏体充填材料通过充填泵加压后经副斜井敷设充填管道输送至井下回采工作面上顺槽口；待无缝钢管输送搅拌均匀的膏体混合体至回采工作面充填支巷上口后，在无缝钢管末端管道出口处变径为可摆动高压软管，然后利用井下工人将软管进入充填支巷下口，将膏体充入各支巷。充填时，从支巷下口向支巷上口依次充填，利用膏体的自流特性，将支巷压实；必要的时候为保证充填效果，可将支巷内的充填软管出口抬高，以利于充填矸石的堆积和压实。当一条支巷充完后及时在支巷的充填末端设档浆板封闭，每条支巷充满后进行下一支巷充填。

充填至最后一条支巷范围时，应随时分析待充填空间，剩余待充空间与管路容量相当时，及时通知充填站控制室，准备进行打灰浆任务，最后一个充填支巷充填完成时，打开工作面主管路末端阀，关闭最后的布料管阀。

6）灰浆推矸石浆：当剩余待充空间与管路容量相当时，班长必须通知充填站进行打灰浆任务并说明剩余充填空间有多少，便于控制膏体的充填量。

7）水推灰浆：主管路末端的阀门在打水时必须清洗。清洗方法：阀门打开和关闭3～5次。

8）打风：在工作面顺槽的观察阀门见到清水后通知充填站集控员。开始打风时必须通知井下。冲洗工作必须在管路不见风、地面充填站停泵后并关闭顺槽充填阀后才能结束。

9）充填结束验收：①岗位工作结束、验收；②报告矿调度室；③准备切换至下一充填支巷。