文/馮寧 林紀(jì)凱

經(jīng)坊煤礦3#煤層充填技術(shù)工藝解析

文/馮寧 林紀(jì)凱

山西長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司主采3#煤層49%屬建（構(gòu)）筑物壓煤，資源量占比高達(dá)93.54Mt。為了有效提高資源回采率，避免后期接續(xù)困難，經(jīng)坊煤礦根據(jù)礦井綠色開采的發(fā)展要求和建（構(gòu)）筑物壓煤開采的迫切性，提出了適合礦井應(yīng)用的膏體充填開采方法。本文對(duì)經(jīng)坊煤礦3#煤層膏體充填采煤技術(shù)工藝措施及可行性分析進(jìn)行了闡述。

一、膏體充填采煤技術(shù)工藝措施

1.采煤方法

實(shí)踐表明，充填采煤地表沉陷與變形主要受充填前頂板下沉量和充填體壓縮量的影響，并且以充填前頂板下沉量占多數(shù)。同樣采高的條件下，分層越多，充填前頂板下沉次數(shù)越多，下沉總量越大。為利于地表沉陷控制需要，經(jīng)坊煤礦3#煤層采用 “高效隔離支架長(zhǎng)壁綜采一次采全高膏體充填采煤方法”，選擇6m厚煤層一次采全高，而不是分層膏體充填采煤方法。同時(shí)，一次采全高的充填體強(qiáng)度要求，低于分層開采頂分層充填體強(qiáng)度要求，有利于降低充填材料費(fèi)用。

2.高效隔離膏體充填液壓支架

高效隔離膏體充填液壓支架由基本架和端頭架組成，具有以下特點(diǎn)和技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1）四柱支撐四連桿式結(jié)構(gòu)。

（2）待充填區(qū)支護(hù)及時(shí)有效。

（3）采煤進(jìn)尺1刀后待充填區(qū)即能支護(hù)；隔離不降架、不影響支護(hù)。

（4）人工輔助隔離工作量少。隔離過程中待充填區(qū)不需要臨時(shí)點(diǎn)柱；頂、底和煤幫密封柔性材料固定在支架隔離板上，重復(fù)使用，一般不需要手工填塞草苫等；設(shè)計(jì)專門的端頭支架，取消端頭人工鋪板和打貼板柱，基本取消人工刷幫。

（5）隔離時(shí)間短。隔離的基本工作為掛塑料布，正常2h內(nèi)可具備充填條件，可以取消隔離班。

3.采充工藝

讓人憂心的是，酒托犯罪呈低齡化趨勢(shì)。兩年多前，曾有媒體報(bào)道了發(fā)生在北京的一起“酒托”案，據(jù)主審法官介紹，該案大部分被告人均是年紀(jì)輕輕的90后，而被害人也越發(fā)年輕，其中一名受害人年僅17歲。這一現(xiàn)象提醒全社會(huì)都應(yīng)該重視關(guān)注未成年人成長(zhǎng)。提高法律的精準(zhǔn)打擊度，以便更有力地遏制酒托案。除此之外，還需從人性自控、教育疏導(dǎo)等方面有效發(fā)力。

傳統(tǒng)采充工藝為 “采煤—隔離—充填—凝固”，且凝固時(shí)間為8～10h，凝固期間不能割煤，大大降低了采煤機(jī)的開機(jī)率，使得充填采煤產(chǎn)量偏低。而采用HA型貝福劑（膏體速凝劑）和出口加速凝劑成套技術(shù)，可以大幅提高充填采煤效率。該技術(shù)包括管道混合器和膏體速凝劑適時(shí)添加與自動(dòng)控制技術(shù)，膏體充填材料進(jìn)入充填區(qū)以后±2h便可以達(dá)到普通膏體8～10h才能夠達(dá)到的0.1～0.2MPa強(qiáng)度。因此，經(jīng)坊煤礦3#煤層膏體充填工作面采用“采煤—充填”二班一循環(huán)高效采充工藝。為了提高工作質(zhì)量和效率，使工人崗位相對(duì)固定，建議采用“四六工作制度”。

4.充填材料的選擇

經(jīng)坊煤礦分別采用黃土、矸石、矸石+黃土作為充填原材料，進(jìn)行膏體充填材料配比初步試驗(yàn)。試驗(yàn)在室溫下（25℃）養(yǎng)護(hù)至脫模，然后進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。試驗(yàn)結(jié)果表明：

（1）通過膠凝時(shí)間測(cè)試，材料在摻入速凝劑及貝福劑后，膠凝時(shí)間明顯縮短。對(duì)于充填膏體，膠結(jié)料用量低于120kg/m3時(shí)，膠凝時(shí)間仍然較長(zhǎng)，這主要是因?yàn)槟z結(jié)料和速凝劑用量少所造成的。

（2）材料的強(qiáng)度隨膠結(jié)料用量的增加而增加。矸石膏體的強(qiáng)度大于黃土膏體，小于矸石、黃土混合膏體，這是與混合膏體的材料級(jí)配比較合理，硬化體的空洞較少有關(guān)。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出采用矸石充填開采完全可以滿足充填體強(qiáng)度要求，而若采用矸石與黃土混合膏體強(qiáng)度更好，可適當(dāng)減少充填成本。見圖1。

圖1 膠結(jié)料用量對(duì)充填體的28d強(qiáng)度影響

（3）膏體中添加合適外加劑，可以顯著提高材料的流動(dòng)性能，在相同條件下可以提高膏體濃度，明顯減少膏體沁水率，大幅度提高膏體強(qiáng)度。

（4）膏體中添加合適的速凝劑，可以保證膏體加水?dāng)嚢韬笤缙趶?qiáng)度達(dá)到0.15MPa以上，后期強(qiáng)度基本維持不變。

“矸石+黃土”膏體充填材料配比初步試驗(yàn)結(jié)果：水泥160kg/m3，PA+HA貝福劑6kg/m3條件下，膏體材料抗壓強(qiáng)度，RC2h=0.11MPa，RC1d=0.42MPa，RC3d=1.29MPa， RC7d=2.36MPa，RC28d=3.56MPa，滿足經(jīng)坊煤礦3#煤層充填要求。

二、膏體充填工藝流程

充填用矸石最大粒徑小于50mm，采用一級(jí)破碎加工，經(jīng)過破碎加工的矸石最大粒徑控制在15mm以內(nèi)，其中粒徑小于0.08mm的矸石粉料控制在15%左右。

同時(shí)，應(yīng)選擇粉煤制作成粉煤灰膏體置于水與矸石黃土膏體之間，充填系統(tǒng)中應(yīng)用少量粉煤灰。整個(gè)膏體充填工藝系統(tǒng)在充填原材料給料、計(jì)量、攪拌與泵送環(huán)節(jié)采用計(jì)算機(jī)程序化控制，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)充填泵送能力變化調(diào)節(jié)配比攪拌速度，根據(jù)矸石水分等自動(dòng)調(diào)節(jié)配合比例，保證每批次攪拌料漿質(zhì)量合格。

三、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性分析

1．技術(shù)可行性分析

經(jīng)坊煤礦研究和控制煤壁片幫，狠抓煤壁管理是大采高綜采充填工作面生產(chǎn)技術(shù)管理的重要內(nèi)容之一。

煤層一般是有節(jié)理、裂隙的，當(dāng)煤體受到較大的頂板壓力作用時(shí)，不但會(huì)使煤層原有的裂隙擴(kuò)大，而且會(huì)使相鄰裂隙互相聯(lián)接，引起片幫。煤壁片幫主要有兩種形式，一種是剪切滑移破壞，另一種是失穩(wěn)破壞。充填支架可設(shè)計(jì)前護(hù)幫梁，對(duì)工作面煤壁上部進(jìn)行及時(shí)保護(hù)，并可保證充填支架的支護(hù)阻力達(dá)到設(shè)計(jì)要求，采用高效充填技術(shù)加快工作面推進(jìn)速度，可以有效地防止充填工作面煤壁的片幫程度。

2．經(jīng)濟(jì)可行性分析

膏體充填成本由充填材料費(fèi)用、充填系統(tǒng)固定資產(chǎn)折舊費(fèi)用、充填水電費(fèi)用、充填人工費(fèi)用、充填輔助材料費(fèi)用等部分組成。

經(jīng)坊煤礦膏體充填增加噸煤成本約71.26元/t，考慮充填產(chǎn)量占礦井年生產(chǎn)量1/3左右，3#煤層充填將使礦井總的噸煤費(fèi)用增加23.75元/t，相比目前經(jīng)坊礦原煤售價(jià)370元/t，完全成本301.97元/t，充填增加成本在可接受范圍內(nèi)。

圖2 “矸石+黃土”膏體充填工藝流程圖

四、結(jié)語

經(jīng)坊煤礦3#煤層實(shí)施“矸石+黃土”膏體充填開采技術(shù)，提高了資源采出率，解放了建（構(gòu)）筑物下煤炭資源，并實(shí)現(xiàn)無煤柱開采。通過實(shí)施該項(xiàng)技術(shù)，可多回收煤炭資源76.7Mt，按照240萬t/a的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力，將延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限32年，為礦井和地方發(fā)展帶來了巨大的經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益。

（作者單位：山西長(zhǎng)治經(jīng)坊煤業(yè)有限公司）

（責(zé)任編輯：周瓊）