高承压工作面膏体充填开采技术应用研究

田镜楷

（山西西山金城建筑有限公司，山西 太原 030053）

膏体充填开采是利用水泥、煤矸石、粉煤灰、胶结料、矿井水等按一定比例制备成为似膏体充填料，从地面通过充填泵经钻孔和管路充填到回采工作面采空区进行开采。该开采技术可以有效控制底板应力变化，降低地表变形率，实现不迁村开采和承压水上煤炭资源的开采，不仅适用于薄基岩提高开采上限工作面的开采，还适用于解放河堤和村庄压煤的开采和高承压工作面的开采。。山西西山金城建筑有限公司受斜沟矿委托，基于斜沟矿下组煤开采受太灰承压水突出威胁的特点，设计采用膏体充填采空区进行开采研究[1-6]。

1 工程概况

山西西山煤电集团斜沟矿地处河东煤田北部远景普查区北中部，位于山西省兴县魏家滩镇，井田面积约88.6 km2，煤炭总资源/储量2 401.18 Mt，可采储量1 578.45 Mt，主采8#、13#煤层，设计生产能力15 Mt/a。井田地质构造简单，总体为近南北、倾向西的单斜构造，倾角为9°～12°。井田内断层多为小断层，倾角均较小，未发现大断层。区域陷落柱不发育，现还未发现陷落柱。18105 工作面开采8#煤层， 8#煤层位于山西组下部，结构简单，厚度为2.23～8.34 m，平均为4.87 m，含矸二层，第一层夹矸平均厚度0.2 m，第二层夹矸厚0.3～0.55 m。基本顶中粗粒砂岩，厚度2.89～10.87 m，平均6.23 m，灰白色，粒状结构；直接顶以泥岩、粉砂岩为主，局部有泥岩或炭质，泥岩伪顶发育，为不稳定～中等稳定顶板，厚度1.49～3.20 m。底板10 m 以内为深灰色泥岩或炭质泥岩、铝土质泥岩，强度极低，变异系数为6.67%。

根据斜沟矿井田内85 号及2 个补充勘探的水文孔的抽水试验工作，补4 号水文孔抽水试验资料，石炭系上统太原组灰岩、砂岩含水层，本组中由L1、L2、L5 三层灰岩组成，中间多隔以细砂岩和砂质泥岩等，间距在10 m 以内。8 号煤层与下部太灰含水层的间距较近，那么18105 工作面底板有承压水的存在，会形成高承压工作面，给煤矿开采带来安全隐患。针对这一情况，必须要对18105 高承压工作面进行安全开采的技术研究。

2 18105 工作面承压开采底板突水分析

18105 工作面回采期间，底板巷道可能受多次采动影响，煤层开采过程中回采巷道围岩应力场会发生变化，煤岩体发生应变破坏。从探测结果显示，8#煤层主要受下部太灰含水层承压水的安全威胁，18105 工作面底板距太灰含水层的高度不够，仅仅为16.9 m，监测数据表明煤层底板承受的最大水压为2.4 MPa 左右，水头压力大，容易发生突水安全事故，对煤矿开采的危害性较大。

假定18105 工作面全部采用垮落法进行煤炭开采时，可以采用突水系数法对18105 工作面底板太灰承压水突水危险性进行评价。经计算，底板太灰含水层突水系数为0.17～0.74 MPa/m，从东向西数值逐渐变大，大于0.10 MPa/m 的安全值。因此，基本可以确定18105 工作面全部采用垮落法进行开采的话，底板突水危险性大，需要调整开采方案。

3 膏体充填开采技术方案的设计

通过分析可知，18105 工作面底板太灰水含水层突水可能性较大，开采安全性非常差。针对18105 高承压工作面采用膏体充填采空区的开采工艺，充填开采的示意图如图1。

图1 18105 高承压工作面膏体充填开采示意图

经计算，当采空区充填体强度大于1.5 MPa 时，可以有效地对采空区进行维护。结合为了充分保证高承压工作面的开采特点，确定采空区充填体后期强度为2.0 MPa。

3.1 充填材料及配比

充填材料主要包括胶结料和骨料，经过试验和优化最终确定的充填材料的构成和配比为：膏体胶凝材料3%为胶结料、煤矸石50%为粗骨料、粉煤灰23%为细骨料，料浆质量浓度为76%。充填材料优化配比后在12 h、1 d、3 d、7 d、28 d 后抗压强度分别为0.12 MPa、0.29 MPa、0.53 MPa、0.92 MPa、1.83 MPa。充填采空区的步距为2.4 m，充填采空区充填体高度为3.3 m。

3.2 充填系统构成

充填系统设计充填能力72 m3/h。膏体充填技术采用泵送充填工艺，主要设备包括双卧轴搅拌机1台，柱塞泵1 台，配料机1 台，立式料仓1 座，配套钢结构1 套，自动控制系统1 套，集中输送带和上料输送带3 条，蒸汽锅炉1 台。立式料仓用来存放胶凝材料。为达到膏体料浆养护温度要求，冬季用蒸汽锅炉提高搅拌水温。

3.3 充填工艺

充填工艺分析：（1）采用设备将煤矸石进行破碎备用；（2）将破碎矸石、粉煤灰、胶结料和水等物料按优化好的比例制备成似膏体浆液；（3）采用充填泵及相应管道把膏体浆液输送至充填工作面；（4）充填施工并检查充填情况，是否需要补充充填。整个充填工艺施工过程中都是采用集中系统实现连续的自动化控制。

4 应用效果

采用钻孔注水法来检测18105 高承压工作面采用膏体充填开采的效果。在18105 运输顺槽距离停采线80 m 处位置布置2 个测站，每个测站布置4 个注水孔，孔间距2.0 m。注水压力0.11～0.16 MPa，压水时间20 min 左右，每隔5 min 对钻孔注水量进行一次记录。从监测数据可知，18105 高承压工作面采用膏体充填开采时，对底板的破坏深度约为6 m，在监测期间工作面未出现涌水异常情况。膏体充填开采的效果较为理想，有效地保障了18105 高承压工作面的安全高效开采。

5 结论

斜沟矿18105 高承压工作面底板太灰承压水经理论分析和计算得知，全部采用垮落法进行开采的话，底板存在非常大的突水危险性，针对这一情况设计采用采空区膏体充填进行开采。在应用实践过程当中，采用钻孔注水法检测结果表明：18105 高承压工作面采用充填开采后底板破坏深度约为6 m，未出现异常涌水现象，充填效果较为理想，证明该技术的工业性试验是成功的。