常村煤矿CTN3-01工作面膏体充填开采技术应用与研究

2021-09-15王虎伟

煤 2021年9期

王虎伟

(潞安环能股份公司常村煤矿，山西长治 046000)

随着煤炭资源的枯竭，“三下”压煤严重制约我国煤矿的可持续发展，并且在开采过程中排放大量煤矸石造成环境破坏[1]。而膏体充填开采技术不仅能解决“三下”大量压煤开采问题，也是解决煤矸石外排的有效途径，因此得到了广泛的应用[2]。膏体充填技术是将破碎矸石、粉煤灰、劣质土等固体制成不需脱水的膏体状浆体，在充填泵加压和重力的双重作用下通过管道输送至充填工作面，待工作面煤炭资源采出后，将膏体适时充填至采空区，待膏体凝固后形成一定的强度，以最大限度地减少地表沉陷，进而释放“三下”煤炭资源储量，延长矿井服务年限，是一种绿色、环保的采矿技术[3]。

膏体技术经过多年的探索与实践，在深部矿山、富水矿山、矿岩破碎矿山以及高应力矿山均取得了良好效果。另外，我国在尾砂浓密、管道输送、膏体采场性能、新材料开发以及工程实验室建设方面也取得重大突破。目前膏体技术研究逐渐趋向于智能化和精细化，进而实现膏体的高质量制备、降低充填成本以及系统运行的可靠性[4]。结合常村煤矿基本开采条件，提出了适合常村煤矿膏体充填开采的应用技术。

常村煤矿煤炭资源经过多年开采，可采储量大幅减少，大量“三下”煤炭资源被压占而无法得到有效开采，已严重影响到了矿井的开采部署和可持续发展。截止2020年12月底，常村煤矿可采储量仅为7 102万t，而“三下”压煤量约1.4亿t。为此，在3号煤层CTN3-01工作面进行膏体充填开采试验，为后续村庄下采煤提供实践指导，提高采出率、延长矿井服务年限。

1 常村煤矿膏体充填工艺简介

常村煤矿膏体充填系统由地面充填站、充填管路和充填工作面组成。地面充填站位于矿井布置在矸石山北侧的闲置场地；充填站附近布置一个充填钻孔，内径为450 mm，充填管路选择为D273 mm×18 mm的无缝钢管，制备好的浆体通过充填泵加压和重力的双重作用下经管道输送至充填工作面。

充填系统可划分为8个子系统，分别为：原料矸石供给子系统、成品矸石制备子系统、除尘子系统、膏体配比搅拌子系统、泵送子系统、充填管路子系统、充填专用控制阀子系统和智能化控制子系统。井下采用矸石基膏体充填开采方式，充填材料配比为煤矸石∶粉煤灰∶水泥∶水∶外加剂=1 319∶200∶100∶372∶2.5(kg/m3)，充填膏体质量浓度为81.34%.安装2台HGBS310.21.1420型充填工业泵，一用一备，最大输送方量为256.2 m3/h，最大出口压力为19 MPa。每台泵配备电动机额定功率为4×355 kW，额定电压为10 kV。

工作面采用条带式充填采煤法，综掘采煤工艺。工作面巷道布置两条胶带巷和一条回风巷。在回风巷两翼布置巷道进行充填开采，利用两套掘进机及配套设备进行条带式开采，双翼各分四阶段进行采充循环。

2 CTN3-01工作面充填开采技术

2.1 工作面开采技术条件

CTN3-01充填工作面开采的3号煤层位于山西组的中、下部，为全井田可采。煤层总厚为5.68～6.2 m，平均厚度为5.92 m，局部发育两层夹矸，平均厚度为0.05～0.15 m，煤层埋藏深度为403.7～459.2 m。3号煤层直接顶为泥岩，平均厚度为1.46 m；基本顶为粉砂岩，平均厚度为8.91 m；直接底为粉砂岩，平均厚度为1.45 m；基本底为中粒砂岩，平均厚度为2.02 m。工作面局部会遇断层，整体呈东北高，西南低，为单斜构造。该工作面属于承压开采区域，突水系数为0.021 MPa/m。工作面长度为220 m，设计可采储量为144万t，生产能力为25万t/a。

2.2 充填工作面巷道布置

CTN3-01充填工作面的运输、通风、供电等系统均接入N3采区现有系统。工作面中部布置一条回风巷，在两翼分别布置一条胶带巷，形成两进一回的通风方式。工作面总长度220 m，在工作面内部分南、北双翼进行条带式开采，布置两个掘进面和一个充填面。在工作面南翼，回风巷高于S翼胶带巷，将南翼掘进面垂直于回风巷布置，便于充填接顶。在工作面北翼，回风巷低于N翼胶带巷，将北翼掘进面沿着等高线方向布置，使掘进面近水平布置，北翼掘进面与回风巷夹角为30°。另外，为便于条带充填的洗管水外排，设置一条沉淀池巷，用于条带充填的洗管水存储空间。CTN3-01充填工作面巷道布置如图1所示。

图1 CTN3-01充填工作面巷道布置示意(mm)

CTN3-01工作面双翼开采，每个充填巷长度即为条带巷的长度，南翼掘进面与回风巷垂直，条带巷长度为105 m；北翼掘进面与回风巷夹角为30°，条带巷长度最大为210 m充填工作面宽度即为条带巷的净宽，设计为5.0 m。设计全煤层进行充填开采，即采高确定为5.92 m。分为切眼和卧底两步，切眼掘进高度为3.3 m，卧底高度为2.62 m。

2.3 充填工作面开采工艺

2.3.1 工作面采充工艺

利用矿方已有的两套掘进机及配套设备进行充填工作面条带式开采，采掘一体。双翼各分四阶段进行采充循环，每个阶段采充3个条带，一组循环共采充12个条带巷；条带巷宽5 m，一组循环总宽度为60 m。一组循环全部采充结束，再进入下一组循环。充填工作面双翼采充巷布置如图2所示。

图2 CTN3-01工作面双翼采充巷布置

1) 南翼采充顺序：简述为“A2采+A1充—A3采+A2充—B1采+A3充—B2采+B1充—B3采+B2充—C1采+B3充—C2采+C1充—C3采+C2充—D1采+C3充—D2采+D1充—D3采+D2充”。每组分为12条巷，首先在距离巷道联巷15 m位置施工完第1条巷(A1巷)，作为首充巷；再在距离A1巷中20 m位置掘进第2条巷(A2巷)，同时对A1巷进行充填；A2巷施工完毕和A1巷充填完毕后，在距离A1巷中40 m位置掘进第3条巷(A3巷)，同时对A2巷进行充填；A3巷施工完毕和A2巷充填完毕后，在距离A1巷中10 m位置掘进第4条巷(B1巷)，同时对A3巷进行充填；……；依此类推，直至第一组的最后一条(第12条巷、D3巷)施工完毕，同时D2巷充填完毕。再进行下一组12条巷道的充填开采，直至南翼全部可采区域煤炭资源充填开采完毕。

2) 北翼采充顺序：与南翼顺序一致。但南、北两翼巷道掘进开采时宜错开一定距离，使开采相互交错，避免交岔口应力集中。一个充填工作面仅设置一套充填管阀，南、北两翼充填时应错开一定的时间，一条巷道充填完毕后方可充填另一条巷道，使充填相互交错有序的进行。

2.3.2 工作面采运工艺

CTN3-01工作面采用条带式充填采煤法，综掘采煤工艺。在工作面南、北两翼各设置一个掘进面，采用掘进机进行割煤、落煤，采用刮板输送机和可伸缩带式输送机进行运煤。

3 工作面充填工艺

根据CTN3-01工作面煤层赋存条件，为便于充填接顶，将南翼掘进面垂直于回风巷布置，北翼掘进面沿着等高线方向布置(与回风巷夹角为30°)。CTN3-01工作面采用“三八制”正规作业方式，即两班生产+凝固、一班检修+充填。全煤厚日进尺为18 m，日可采出煤量平均为757.6 t，形成待充填采空区体积为532.8 m3。确定工作面充填膏体的动压力为15 MPa，充填系统能力为200 m3/h，有效充填时间为2.7 h，小于充填班8 h，满足要求。

1) 南翼条带巷充填工艺。南翼掘进面倾角2.4～7.4°，东部较缓，西部稍陡。膏体充填料浆一般静止角为1～3°，所以条带充填时其中下部可自然密实接顶，只是靠近回风巷时需补充接顶。南翼条带巷充填分为4步，充填工艺如图3所示。

图3 CTN3-01工作面南翼条带巷充填工艺

由于条带巷中充填料面上升较快，使充填隔墙承受较大压力，所以必须采取分次充填方式，确保隔墙稳定、作业安全以及充填接顶率。首先在条带巷的胶带巷端设置一个充填隔墙，进入首充阶段，首充必须控制充填料浆在隔墙处的上升高度不大于1.75 m；待首充料浆凝固后再进入二充阶段，二充充填至隔墙顶端，设计充填高度同样为1.75 m；待二充料浆凝固后再进入三充阶段，在条带巷的回风巷端设置一个充填隔墙，三充可一次充填至回风巷端隔墙1.75 m位置；待三充料浆凝固后再进入四充阶段，补充料浆至回风巷端隔墙顶部，至此完成整个条带巷的充填工作。

2) 北翼条带巷充填工艺。北翼掘进面沿着等高线方向布置，条带巷与回风巷呈30°斜交布置，条带呈近水平状态，为保证充填接顶率，需采用分步充填，充填工艺如图4所示。

图4 CTN3-01工作面北翼条带巷充填工艺

首先在条带巷的两端各设置一个充填隔墙，进入首充阶段，首充必须控制充填料浆在两端隔墙处的上升高度不大于1.75 m；待首充料浆凝固后再进入二充阶段，先在充填上层的胶带巷端30 m位置设置子隔墙，再进行充填；待二充料浆凝固后进入分段充阶段，将余下未充的条带巷上层，每隔30～40 m设置一个子隔墙，依次逐段进行充填，直至完成整个条带巷的充填工作。接顶充填时，应适当降低充填料浆浓度，加大粉煤灰添加量，降低充填料浆输送流量，从而提高充填料浆流动性和流平性，降低其静止角，确保充填的可靠度和接顶率。所有充填作业过程中，当条带巷一段隔断后，应采用局部通风机对未充条带巷进行局部通风，确保通风安全。

3) 充填工艺流程。充填准备—管道打水—灰浆推水—矸石浆推灰浆—正常(轮流)充填—灰浆推矸石浆—水推灰浆—打风。

4 CTN3-01工作面地表沉陷预计

常村煤矿CTN3-01工作面采用膏体充填后，理论上充填体的压缩率为5%～10%，充填体的充填率不低于90%，充填前顶板的下沉量为0～100 mm。基于上述条件分析，计算得出常村煤矿充填开采等价采高为541 mm。根据实验和已有的关于膏体充填开采地表沉变形数据，确定3号煤层膏体充填后下沉系数取0.06，水平移动系数取0.3，主要影响角正切取2.1，拐点偏移距取0。计算得出膏体充填开采地表沉陷预计值见表1。根据预测所得地表沉陷数据，预计结果均低于砖混结构建筑物损坏等级I级规定的地表变形值[5-6]。因此，预计CTN3-01工作面全部充填开采完毕后，不会造成上方建(构)筑物产生I级以上的采动破坏。