综采工作面矸石膏体充填技术应用

潘 永

（枣庄矿业集团有限责任公司柴里煤矿，山东 枣庄 277000）

枣庄矿业（集团）有限责任公司柴里煤矿井田对应地表村庄、铁路等建（构）筑设施多且分布散，压覆煤炭资源量非常大，“三下”压煤量达433.08万t，且煤层赋存稳定、煤层厚、煤质好，极大限制了矿井的可持续发展。为提高煤炭资源采出率，延长矿井服务年限，满足矿井生产接续与生产需要，有必要开展对“三下”压煤资源膏体充填技术的研究与应用[1-6]。

1 工作面基本情况概述

柴里煤矿3上煤层3306 东工作面，倾向宽128 m，走向长480 m，开采煤层平均厚度4.65 m。工作面顶底板岩性见表1。3306 东工作面采用走向长壁后退式综合机械化采煤工艺，因工作面上覆地表多为学校、民设及公路等建（构）筑设施，为此采空区内采取膏体充填体为主体的支撑体系，用于控制顶板岩层的过量沉降，以达到控制开采沉陷的目的。工作面选用ZC5600/17/32 型充填液压支架支护顶板。

表1 工作面顶底板岩性情况

2 充填工艺

1）膏体材料制备

由于膏体充填材料性能参数主要以膏体的流动性能、可泵送时间、静置泌水率及单轴抗压强度等为主，通过对煤矸石颗粒级配优化、膏体不同质量浓度与膏体坍落度实验表明：膏体坍落度要满足膏体料浆长距离输送所需要的流动性能要求，煤矸石和粉煤灰作充填骨料，质量浓度一般不宜高于85%；煤矸石颗粒最大粒径＜25 mm，粒径＜5 mm 的煤矸石颗粒含量在38%～45%之间范围内是合理，膏体料浆质量较高；当煤矸石颗粒在＜5 mm 煤矸石含量40%时，相对效果最佳。因此结合现场实际设计充填膏体强度为3.5 MPa，膏体材料配比为水泥:粉煤灰:矸石粉:添加剂:水=150:150:1350:5:350（kg/m3）。

2）充填工艺

3306 东工作面采用综采膏体充填工艺，具体以矸石膏体为充填介质，工作面采煤工艺形成面后充填空间后，两巷利用隔离装置或单体柱配合木板方式支设隔离墙，把整个待充填区隔离为一个封闭空间，再通过泵送或自流方式完成对隔离区的膏体充填，其工艺示意图如图1。具体工作面膏体充填开采施工工艺：挂网→割煤（2 刀）→挂网→割煤（2刀）→施工锚杆支护待隔离区顶板→隔离→充填→凝固检修。

图1 矸石膏体充填工艺流程示意图

3 地表沉降变形及充填效果分析

3.1 地表沉降观测

为准确掌握3306 东工作面开采后上覆地表移动变形及建（构）筑设施损坏情况，在工作面充填开采前，沿上覆铁路、公路等建（构）筑设施布置2 条地表观测线及146 个测点，其中走向观测线沿公路布设，倾向观测线沿铁路布设，具体布置方式见表2。

表2 布设测点间距和测点数汇总

通过观测得出如图2～图5 所示特点：

图2 铁路测点的下沉量（倾向）

1）从图2 中观测数据可知，在7 个多月的观测周期内，铁路和公路观测线绝大部分测点连续3次测量差值小于10 mm，地表下沉已经基本稳定。

2）如图3 所示，随着工作面不断推进，地表下沉逐渐增大，并在采空区中心附近下沉值最大，向两侧边界煤柱外下沉逐渐减小至零附近。其中，倾向线最大下沉值在点B27 位置达到-191.13 mm，其测量前期下沉值变化较小，随开采后期变化较大。而走向下沉曲线开采边界由于距工作面距离较远下沉较小，开采中心下沉最大，但是小于倾向下沉值，在点S1 位置走向最大下沉值达到-126.55 mm。

图3 公路测点的下沉量（走向）

3）从图4、图5 可以看出，倾向（铁路）测线前期的实测曲率值规律性不明显，但随着工作面的推进，地表曲率逐渐增大。在采空区中心附近，曲率出现负最大值，开采边界上方附近曲率出现正最大值，向两侧边界煤柱外曲率逐渐减小至零，曲率值变化范围为（-0.006 7×10-3～0.003 1×10-3）/m。走向（公路）测线曲率变化规律性较明显，在采空区中心附近，曲率出现负最大值，其值为-0.007 2×10-3/m。开采边界上方10 号附近曲率出现正最大值，其值为0.002 3×10-3/m，向两侧边界煤柱外曲率逐渐减小。由于未达到充分采动，在开采边界南侧曲率变化较为剧烈，多在（-0.000 5×10-3～0.001 1×10-3）/m 之间变化。

图4 铁路测点的曲率值（倾向）

3.2 充填效果分析

1）3306 东工作面周边为采空区，充填开采后对原老采空区具有活化作用，引起原条带开采形成的相对稳定的覆岩大结构二次运动，造成地表下沉实测数据偏大。

2）根据观测结果，3306 东工作面开采后，铁路（倾向）最大下沉点为B27 下沉值-191.13 mm，位于3306 东工作面采空区倾向方向中心上方地表偏下山的位置；公路（走向）最大下沉点为S1 测点，下沉值为-126.55 mm，最大下沉点位于工作面采空区的正上方偏下山位置。

3）3306 东工作面开采后，铁路（倾向）倾斜值为-0.75～0.76 mm/m，公路（走向）倾斜值为-0.51～0.65 mm/m，在采空区中心附近，倾斜为零，开采边界上方附近倾斜最大。铁路（倾向）曲率值为（-0.006 7×10-3～0.003 1×10-3）/m，公路（走向）曲率值为（-0.007 2×10-3～0.002 3×10-3）/m，在采空区中心附近，曲率出现负最大值，开采边界上方附近曲率出现正最大值，向两侧边界煤柱外曲率逐渐减小。

4）3306 东工作面上覆村庄、校舍等建筑物损坏情况见表3。

表3 地表建筑物变形损坏情况

5）依据观测数据，3306 东工作面开采对地表铁路、公路及村庄等建（构）筑设施的影响均在I级损坏范围以内。

4 结论

本文以柴里煤矿3306 东工作面综采膏体充填技术应用，介绍了膏体充填的材料配备、充填工艺及充填开采地表沉降变形机制，通过测点监测得出了工作面开采对上覆地表铁路、公路及村庄、校舍等建（构）筑设施的影响均在I 级损坏范围以内，从而验证了综采膏体充填工艺对“三下”压煤区域保护回采的实践效果，为类似矿井条件下的充填开采技术应用提供参考借鉴。