摘要：闡述了西馬煤礦充填開采技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用情況，北翼充填采區(qū)的建設(shè)背景及必要性。對(duì)北翼充填采區(qū)1201充填首采面的生產(chǎn)工藝、充填系統(tǒng)及工藝及充填效果觀測(cè)作了詳細(xì)的介紹，對(duì)膏體充填開采技術(shù)在全省，乃至全國(guó)兄弟企業(yè)的推廣及應(yīng)用起到重要作用。

關(guān)鍵詞：三下開采;充填面;膏體;應(yīng)用;總結(jié)

中圖分類號(hào)：TD823.7 ???文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A?????文章編號(hào)：1671-2064（2019）16-0000-00

0引言

隨著煤炭開采技術(shù)水平的提高，煤礦“三下”開采技術(shù)也得到了迅速的發(fā)展。隨著充填材料的研發(fā)與推廣應(yīng)用，利用采空區(qū)充填的方法對(duì)“三下”壓煤進(jìn)行開采已經(jīng)成為一種必然趨勢(shì)。充填開采不僅能有效控制冒落帶高度、巖層移動(dòng)、地表下沉，而且資源回收率最高可達(dá)90%以上。目前常用的充填開采技術(shù)主要有似膏體充填、膏體充填、超高水材料充填和固體廢物充填等，特別是膏體充填開采技術(shù)已經(jīng)在我國(guó)的一些礦井生產(chǎn)中進(jìn)行了成功的應(yīng)用。

1礦井概況

西馬煤礦為立井單水平（-350水平）分區(qū)式上下山開拓，中央邊界抽出式通風(fēng)。設(shè)計(jì)能力為75萬t/年，經(jīng)技術(shù)改造后，核定生產(chǎn)能力為150萬t/年。井田南北走向7.5km，東西傾斜4km，井田面積30km²。礦井地表標(biāo)高+20m，現(xiàn)礦井開采深度為-170m至-700m。全井田煤層為不對(duì)稱向斜，傾角由向斜軸向兩翼逐漸變大，西陡東緩，東翼煤層傾角0～5°，西翼煤層傾角0～50°?，F(xiàn)采場(chǎng)在礦井東翼，煤層傾角在5～15°之間，屬緩傾斜煤層。全井田煤種主要為無煙煤。礦井采用以綜采為主，高檔普采為輔，走向長(zhǎng)壁（傾斜長(zhǎng)壁）后退式全部垮落法及全部充填法的回采工藝。

2 充填開采的意義

2.1 解決三下壓煤

由于礦井的煤炭有一大部分都在村莊下和高速公路下，為保證礦井的可持續(xù)發(fā)展，解決三下壓煤是西馬煤礦可持續(xù)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。行之有效的方法就是采取采空區(qū)充填，保證地表建筑物和公路不受影響。

2.2 消除礦井排矸和熱電廠排放物對(duì)環(huán)境的影響

西馬煤礦歷年排矸量達(dá)42.2萬m³，排放矸石對(duì)地面生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重破壞，主要表現(xiàn)在：壓占土地、污染環(huán)境、危害人類安全。

公司下屬的兩座熱電廠靠近礦區(qū)，熱電廠在生產(chǎn)過程中，排放大量的粉煤灰，粉煤灰也同樣占用土地、污染環(huán)境，但粉煤灰的利用率較低，需要采取措施處理掉。將礦井的矸石和熱電廠的粉煤灰處理掉，周圍生活的人們所處的環(huán)境將得到改善。

3 充填開采技術(shù)的探索試驗(yàn)

西馬煤礦首先在南一采區(qū)1326工作面成功地進(jìn)行了膏體充填開采，共計(jì)采出原煤2.3萬噸。通過1326工作面的開采，積累了大量的生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)和數(shù)據(jù)資料，為本礦全面實(shí)施“三下”開采奠定了基礎(chǔ)。依據(jù)1326工作面開采的數(shù)據(jù)資料，對(duì)位于工業(yè)廣場(chǎng)煤柱內(nèi)的1327工作面進(jìn)行了開采論證?；谡撟C結(jié)果，西馬煤礦對(duì)1327工作面實(shí)施了膏體充填開采。1327工作面已經(jīng)于2014年2月份采完，在地表受影響范圍內(nèi)最大下沉值為185mm，最大傾斜變形值為+1.4mm/m和-1.5mm/m，正曲率值、負(fù)曲率最大值分別為+0.06×10^-3/m和-0.07×10^-3/m，最大水平變形值分別為+1.3mm/m和-1.7mm/m。將各測(cè)點(diǎn)移動(dòng)變形值與《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》中所規(guī)定的建筑物損壞等級(jí)I級(jí)范圍（水平變形ε≤2.0mm/m，曲率K≤0.2×10^-3/m，傾斜i≤3.0mm/m）相比較，其移動(dòng)變形值均在I級(jí)范圍內(nèi)，廣場(chǎng)內(nèi)洗煤廠沉陷值在+10mm至-40mm，洗煤設(shè)備正常使用。

4 北翼充填采區(qū)的建立

基于南一區(qū)1326、1327采面充填開采的成功經(jīng)驗(yàn)，西馬煤礦對(duì)井田東北部“三下”壓煤集中區(qū)劃定為北翼充填采區(qū)，面積為3.346km²，采區(qū)內(nèi)12煤層共有煤炭?jī)?chǔ)量為597.06萬t，其中邊界防水煤柱的儲(chǔ)量為284萬t，高速公路保護(hù)煤柱的儲(chǔ)量為95.96萬t，白家荒地村保護(hù)煤柱的儲(chǔ)量為81萬t，西馬峰村保護(hù)煤柱的儲(chǔ)量為63.4萬t，變電所及中學(xué)保護(hù)煤柱儲(chǔ)量的儲(chǔ)量為17萬t，儲(chǔ)量共計(jì)541.36萬t，占采區(qū)總儲(chǔ)量的90.7%。2014年在該區(qū)域內(nèi)進(jìn)行水文地質(zhì)補(bǔ)勘，施工了5個(gè)水工鉆孔，2014年施工了1個(gè)水工兼水位、基巖移動(dòng)動(dòng)態(tài)長(zhǎng)期觀測(cè)孔，區(qū)內(nèi)共施工鉆孔38個(gè)，鉆孔密度為11.4/km，2012年對(duì)該區(qū)煤層頂板鉆探取芯進(jìn)行了巖石物理性質(zhì)、力學(xué)性質(zhì)測(cè)試。

對(duì)保護(hù)煤柱實(shí)施膏體充填開采，實(shí)質(zhì)上是降低了煤層采高，降低冒落帶高度及沉陷的范圍，為了使充填開采安全、經(jīng)濟(jì)合理，保證防水安全，地面建筑物能安全使用，決定只采12煤上煤，首采面布置在西馬峰村保護(hù)煤柱內(nèi)。

5 1201充填面的充填工藝

5.1 充填系統(tǒng)概述

北翼充填采區(qū)設(shè)置水泥倉(cāng)、矸石倉(cāng)和充填泵站。

水泥經(jīng)由輔助運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)至水泥倉(cāng)上口，翻車進(jìn)入水泥倉(cāng)。放倉(cāng)經(jīng)膠帶輸送機(jī)與北翼充填采區(qū)矸石倉(cāng)下的膠帶輸送機(jī)上的矸石混合，經(jīng)北翼充填采區(qū)材料上山膠帶輸送機(jī)運(yùn)至北翼充填采區(qū)充填泵站。

粉碎的矸石和粉煤灰由地面矸石山經(jīng)1#充填立孔進(jìn)入井下1#矸石倉(cāng)，放倉(cāng)經(jīng)北翼充填皮帶運(yùn)輸巷膠帶輸送機(jī)運(yùn)輸?shù)奖币沓涮畈蓞^(qū)矸石倉(cāng)，放倉(cāng)后與水泥混合，經(jīng)北翼充填采區(qū)材料上山膠帶輸送機(jī)運(yùn)至北翼充填采區(qū)充填泵站。

在充填泵站設(shè)置容量40m³的蓄水池供充填用水。在1201上、下順中部，分別設(shè)置排水池用于排出工作面充填洗管水。

在工作面內(nèi)充填管路每隔15～25m為一個(gè)充填段，每相鄰充填段間隔不大于1.5m，中間用柈子將頂板封嚴(yán)，相鄰未充填區(qū)域在下次充填時(shí)采用改變充填段位置的方式將其充填。

在工作面內(nèi)每隔15m設(shè)置一個(gè)布料閥，各充填管之間采用萬向節(jié)連接。工作面充填管路固定在工作面運(yùn)輸機(jī)上，隨工作面運(yùn)輸機(jī)推移移動(dòng)。

1201充填面采用膏體充填的方法管理采空區(qū)頂板，即將破碎的矸石、水泥、粉煤灰加水按比例混合形成膏體，經(jīng)充填泵加壓，通過布置在巷道內(nèi)的充填管路將膏體運(yùn)送至工作面充填。

管路輸送膏體路線：充填采區(qū)充填泵站→北翼充填采區(qū)入風(fēng)材料上山→中部運(yùn)輸巷→Nc-1201中順→上、下采面。

5.2 膏體配比及充填工藝流程

5.2.1 膏體配比

膏體為水泥、粉煤灰、破碎的煤矸石和水，按重量比1：4：10：4混合而成。

5.2.2 充填工藝流程

回收待充填區(qū)域單體液壓支柱→設(shè)置擋漿簾→充填管路連接→充填管注入0.5m³水→充填管注入0.5m³砂漿（水泥和粉煤灰混合物）→充填管注入膏體→注水清洗充填管路。

5.3 工作面充填前準(zhǔn)備

先回收單體液壓支柱，然后設(shè)置擋漿簾，再使用充填軟管將待充填采面固定在運(yùn)輸機(jī)上的充填管和中順的充填管對(duì)接。

5.4 工作面充填方法

充填前，先向充填管內(nèi)注入0.5m³水，將管路潤(rùn)滑。水注入后，向充填泵內(nèi)注入0.5m³砂漿（水泥和粉煤灰混合物）。由機(jī)頭向機(jī)尾方向充填，通過布料閥的開啟或關(guān)閉改變充填位置。本段充填即將結(jié)束前，先開啟下一充填段布料閥，待本充填段充滿后關(guān)閉布料閥，下一充填段進(jìn)入正常充填階段，以此類推，直至充填結(jié)束。

待膠帶輸送機(jī)上充填料轉(zhuǎn)空后，向充填泵內(nèi)加入水。充填至上、下順擋漿排時(shí)，由充填負(fù)責(zé)人通知充填泵司機(jī)充填結(jié)束，清洗充填泵和管路。充填結(jié)束后將工作面的充填布料閥關(guān)閉，使充填管內(nèi)的水自流到上、下順的排水池內(nèi)。及時(shí)將1201上、下順排水池充填水排出，將池內(nèi)的淤清凈。

采空區(qū)膏體凝固6個(gè)小時(shí)，將擋漿排單體液壓支柱回收，回收后擋漿排單體液壓支柱柱距不大于1.5m。

6 1201充填面各項(xiàng)觀測(cè)成果

對(duì)1201充填面充填前后進(jìn)行觀測(cè)，上部共計(jì)進(jìn)行328次充填及觀測(cè)，經(jīng)計(jì)算采空區(qū)平均充填前高1.578m，采空區(qū)平均充填高度1.462m，采空區(qū)平均未充填高度0.116m，充填率為92.6%。下部共計(jì)進(jìn)行335次充填及觀測(cè)，經(jīng)計(jì)算采空區(qū)平均充填前高1.544m，采空區(qū)平均充填高度1.442m，采空區(qū)平均未充填高度0.102m，充填率為93.4%。

6.1 充填體內(nèi)頂?shù)装逡平考皯?yīng)力觀測(cè)

采用頂?shù)装逡平縿?dòng)態(tài)報(bào)警儀及應(yīng)力傳感器監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)頂板移近量進(jìn)行了觀測(cè)，通過對(duì)上各點(diǎn)觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，頂?shù)装逡平考皣鷰r應(yīng)力采用18個(gè)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。觀測(cè)最大下沉量（22#點(diǎn)）為0.261m，最大應(yīng)力值（17#點(diǎn)）為6.5MPa。頂?shù)装逡平坎捎?2#點(diǎn)，圍巖應(yīng)力采用17#點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。22#點(diǎn)位膏體充填高度為1.650m，地面監(jiān)測(cè)下沉量為0.261m欠接頂高度為0.20，充填前頂板移近量0.036m， 其膏體充填壓縮率為（0.261-0.20+0.036）÷1.650=0.015m/m= 1.5%。觀測(cè)17#測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力為3.68MPa， 相當(dāng)于368t/㎡，十二煤采深為191m，按覆巖容重2.6t/㎡計(jì)算，原巖應(yīng)力為497t/㎡，采空區(qū)內(nèi)充填體承載強(qiáng)度為原巖應(yīng)力的74%。

6.2 1201充填面地表觀測(cè)

高程測(cè)量分別于2014年5月8日至2018年4月22日進(jìn)行了7次觀測(cè)，每次觀測(cè)后對(duì)水準(zhǔn)測(cè)量記錄認(rèn)真檢查，按規(guī)程要求不超限進(jìn)行平差，通過觀測(cè)最大下沉量為0.292m。

1201充填面2014年9月25日開采，2018年7月20日結(jié)束，在此期間每月對(duì)地表觀測(cè)巡視一次，未發(fā)現(xiàn)地表有裂縫現(xiàn)象。

1201充填面2014年9月25日開采后，對(duì)影響范圍內(nèi)地面建筑物每季度進(jìn)行一次觀測(cè)調(diào)查。影響范圍內(nèi)共計(jì)160戶，破壞程度均在Ⅰ級(jí)以內(nèi)。

7 經(jīng)濟(jì)分析

1201充填面地質(zhì)儲(chǔ)量50.5萬t，可采儲(chǔ)量 47.9萬t ，實(shí)際動(dòng)用煤量50.4萬t，實(shí)際采出煤量為48.3萬t，回收率95.8%。在經(jīng)濟(jì)方面為企業(yè)創(chuàng)造利潤(rùn)7245萬元，在環(huán)境治理方面回填矸石352224m³、粉煤灰140889m³。

1201采面充填開采主要消耗材料有：水泥、粉煤灰、矸石、充填袋、圓木等。其它消耗有人工，電力及設(shè)備折舊等。t煤充填成本約80元左右。

8結(jié)語(yǔ)

通過以上對(duì)北翼充填采區(qū)1201充填面開采充填工藝的描述及對(duì)開采期間各項(xiàng)參數(shù)的觀測(cè)、測(cè)試與模擬對(duì)比結(jié)果，證明北翼充填采區(qū)采用膏體充填開采是科學(xué)、可行的，為西馬煤礦充填開采的進(jìn)一步開展奠定了基礎(chǔ)。通過膏體充填技術(shù)在北翼充填采區(qū)的應(yīng)用，解決了西馬煤礦三下壓煤的回采問題，使礦井的可采儲(chǔ)量增加3320萬t，延長(zhǎng)了礦井的服務(wù)年限20年，使國(guó)家的煤炭資源得以有效利用，對(duì)企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展起到了保障作用，具有可觀的經(jīng)濟(jì)效益和良好的社會(huì)效益。

參考文獻(xiàn)

[1]徐永圻.煤礦開采學(xué)[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1999.

[2]陳炎光，徐永圻.中國(guó)采煤方法[M].徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，1991.

[3]錢鳴高.采場(chǎng)礦山壓力與控制[M].煤炭工業(yè)出版社，1983.

收稿日期：2019-07-12

作者簡(jiǎn)介：莊百宏（1966—），男，漢族，遼寧大連人，本科，工程師，研究方向：采礦工程。