超高水充填开采技术在矿井中的应用

许文龙 郭 锋 闫春来

（山东省兖州市大统矿业有限公司，山东 济宁 273100）

1 概述

山东省兖州市大统矿业有限公司杨庄煤矿现在主采三煤。矿井于1997 年至2005 年进行了九采区三煤层开采，工作面布置区域大部分三煤为已采区（已采一层，采高约2.2 m），该区域剩余煤厚4.9～7.15 m。为了解决矿井服务年限及资源枯竭的难题，同时减少回采对地面房屋损害，确保建筑物附近地表移动变形值不大于I 级，实现绿色开采，拟采用超高水充填技术进行剩余煤炭资源开采。

2 超高水充填技术研究

2.1 充填系统概述

超高水充填材料由A、B 两种主料和AA、BB两种辅料组成。A 料主要由石膏、铝土矿等独立炼制而成，配合使用复合超缓凝分散剂AA 辅料；B料主要由石膏、石灰等构成，配合使用复合速凝剂BB 辅料。A 与AA、B 与BB 分别加水制成A 和B单一浆液，两种单一浆液混合后以1:1比例配合使用。材料固结体具有速凝早强特性，强度随水体积分数的增加而降低，固结体受压后体积应变小，基本认定体积不可压缩，材料特性十分有利充填采空区。

超高水充填技术主要包括以下系统（图1）：浆体制备系统、浆体输送系统、混合清洗系统，充填系统、供水供电系统、通讯系统。

图1 超高水充填技术系统图

充填总体工艺流程为：制备A、B 两种单一浆液，将浆液存放于各自储浆池中；然后通过浆体输送系统把A、B 两种单一浆体按1:1 的体积比输送到充填位置，在A、B 单一浆体充分混合后进入工作面对应的充填系统。工作面采空区充填系统主要取决于充填基本方法的选择。其中供水、供电与通讯系统主要负责整个系统的辅助支持与协调子系统，保证充填工作按照需求进行运转。

2.2 充填系统选址及能力需求

C9301 充填工作面为复采充填工作面，北部一小部分为未采的实体煤，煤厚约8.5 m。工作面沿3 煤层（局部沿顶、局部沿底）布置，先俯采后仰采。工作面整体位于兴隆庄村东侧，赵王河西侧工作面轨道顺槽、运输顺槽走向长度均为804.73 m，切眼倾向长度约为85.0 m，开采面积67 255 m2。自切眼推进至67 m、自755 m 至794 m 区域采厚为3.5 m，自67 m 推进至755 m 采厚为4.0 m，容重1.35 t/m3。该工作面工业储量为35.7 万t，按照93%回采率计算可采储量为33.2 万t。

超高水充填注浆站安设在工业广场西南部。为有效节约水资源，使用矿井外排水作为水源。为满足冬季充填时水温不低于15 ℃的要求，使用暖气对蓄水池进行供暖。

充填工作面平均采高4.0 m，循环进尺0.6 m，按照“三刀一充”要求充填步距为1.80 m。工作面按照最大面长100 m（含两巷）进行全部充填，计算工作面充填空间体积为：

式中：V为工作面充填空间体积，m3；L充为工作面充填长度，m；W充为工作面充填步距，取1.80 m；H充为工作面充填高度，m。

工作面充填采用全袋（包）式充填方法。根据充填经验，首先要清理充填区域底板，然后挂包、铺设充填管路等充填准备工作，正常充填3 h。计算理论制浆能力为：

式中：Q为系统整体制浆能力，m3；t为工作面充填时间，h；η为系统效率，取0.9；λ为系统备用系数，取1.2。

工作面进行充填时，有可能浆体需求量无法精确估计，以及为了对充填开始与结束时更好地进行控制，充填过程中不可能全程按照制浆系统的最大制备能力进行输送。根据经验，确定整体充填过程中浆体输送能力为100～160 m3/h，平均输送能力为120 m3/h。充填系统能够满足要求。

2.3 浆体输送、混合与管路清洗系统

C9301 工作面管路铺设途径为：制浆站A、B 单浆储浆池→钻孔套管→南翼回风大巷→九采回风大巷→C9301 一号运输联络巷A、B 单浆管→C9301 工作面轨道顺槽A、B 单浆管→C9301 工作面轨道顺槽混合器三通（位于工作面煤壁40～100 m 范围内）→混合器→工作面分支充填管→工作面充填袋内。

2.3.1 C9301 工作面充填管路需求

根据C9301 工作面长度计算A、B 单浆管路：（1600+1500）×2=6200 m。同时，为了保证混合效果，混合管路的第一个分支管路至混合三通距离大于80 m。

2.3.2 输送泵选型

输送泵选型要求为输送能力应满足最大充填要求。超高水材料需传送A、B 两种浆体且按1:1 进行混合，前边计算制浆系统单浆最大制浆能力为160 m3/h。根据匹配原则与浆体特点，选用输送泵（单泵）实际输送能力不低于160 m3/h 的输送泵进行输送，其额定输送压力能克服浆体输送时的阻力。

2.3.3 浆体混合系统

超高水充填技术采用双料输送系统，两种单一浆体在输送到采空区管路前必须充分混合。该项工作主要由浆体混合系统来完成，主要装置为混合三通。

混合三通（图2）主要是两个入口140 mm 变一个180 mm 出口的三通，由无缝钢管焊接而成。混合三通两个140 mm 端头分别接A、B 单浆管路，180 mm 端头与混浆管路连接。

图2 混合三通结构示意图（mm）

2.3.4 浆体输送管路清洗系统

超高水材料浆体通过管路输送，为防止单浆管路长期使用过程中的浆体挂壁及混合管路突发情况的堵管现象，必须对管路进行清洗，一般分为全局清洗与紧急清洗。

全局清洗是指超高水充填工作结束后，对浆体输送与混合的所有管路进行一次全面清洗。清洗范围主要包括单浆管路、混合器、混合三通、混合管、分支管路。

紧急清洗是指如果系统突发故障（制浆系统故障、单浆管路严重漏浆、充填袋破损等）在5 min内不能恢复正常，为防止混合管路中的浆体快速凝结造成堵管而对混合管路进行清洗的工序。

2.4 充填袋

按照“三刀一充”要求充填，即每推进1.8 m进行一次充填。充填时每排布置5 个充填袋，长度为12 个液压支架宽度即18 m（靠溜头侧充填体长度为11 个液压支架宽度即16.5 m）。为了保证充填袋尺寸满足工作面推进参数，当采高为4 m 时充填袋设计尺寸为：长×宽×高=20.0 m（18 m）×2.2 m×4.5 m；当采高为3.5 m 时，充填袋设计尺寸为：长×宽×高=20.0 m（18 m）×2.2 m×4.0 m。充填袋使用柔性不燃材质，在充填空间确定的前提下各个方向应留富余量，以便提高其延展性。

2.4.1 充填袋相关参数

充填袋设计留有2 个孔即注浆孔与排气孔。充填过程中应根据工作面坡度情况而定，输浆管与高处注浆孔对接，低处的注浆孔和排气孔视排气需求和液面高度进行固定。充填袋加工时，材质应有足够强度及抗静电与抗阻燃性能，接缝要结实牢靠，满足充填吊挂要求及《煤矿安全规程》要求。充填袋尺寸可根据工作面变化的实际情况进行调整，确保符合实际需求。如图3。

图3 充填袋示意图

2.4.2 充填袋充填工艺流程

（1）测量及清理。首先测量充填区域尺寸，计算充填总量后通知泵站。施工人员提前进入架后清理冒落的矸石，及时将充填区域底板等清理平整。

（2）挂设。充填袋挂设时要尽量先挂前上方，再挂后上方。挂设完成后及时把充填袋拉直拽平，使得充填袋紧贴四周固定体。

（3）充填。初期充填时及时观察充填浆体的变化情况，当发现浆体达到要求时方可将充填管伸入充填入口内并固定。每个充填袋充填过程中都安排专人进行观察，防止浆体直接冲击充填袋。充填袋充满后将伸入充填袋内的管路抽出，并将入口处用塑料绳或扎带绑扎，关闭此路阀门后用高压水、压风或高压液将管路冲洗干净。充填时及时与泵站沟通，防止制浆过多。充填结束后，整理充填工具、冲洗工作面。

3 应用效果分析

（1）超高水充填系统制浆能力能够满足C9301工作面正常充填需要，保证了C9301 工作面33.2 万t 煤体的安全回采。

（2）使用工业废水作为制浆用水，有效地实现了绿色开采。

（3）对地表移动变形值进行了测量，地表水平变形小于2 mm/m，倾斜小于3 mm/m，地面建（构）筑物破坏等级均不大于I 级。