煤礦超高水材料開放式充填開采礦壓顯現研究

胡海江 李永元 費思國

（1.冀中能源邯鄲礦業集團，河北省邯鄲市，056000；2.冀中能源邯鄲礦業集團陶一煤礦，河北省邯鄲市，056000；3.兗州煤業菏澤能化有限公司，山東省菏澤市，274000）

煤礦超高水材料開放式充填開采礦壓顯現研究

胡海江1李永元2費思國3

（1.冀中能源邯鄲礦業集團，河北省邯鄲市，056000；2.冀中能源邯鄲礦業集團陶一煤礦，河北省邯鄲市，056000；3.兗州煤業菏澤能化有限公司，山東省菏澤市，274000）

陶一煤礦面臨著“三下”壓煤問題。陶一煤礦利用超高水材料進行采空區充填，以開采“三下”呆滯煤炭資源。超高水材料漿體水的體積達到95%～97%，因此其灌注特性較好。超高水材料開放式充填能夠達到較高的充填率。通過開掘觀測巷道、鉆孔等手段進行礦壓監測，表明該工藝可以緩解礦壓顯現程度，漿體能夠灌注到老空區裂隙及矸石周圍，膠結效果較好。

綜采工作面 開放式充填開采 超高水材料充填 礦壓顯現

超高水材料開放式充填在邯鄲礦業集團陶一煤礦首次進行了工業性試驗，并進行了3個工作面生產，試驗結果表明，超高水材料開放式充填開采系統簡單，采充效率高，充填效果好，取得了良好的經濟社會效益。

1 試驗工作面概況

1.1 地質概況

陶一礦充填試驗工作面開采2＃煤層，位于七采區南翼、停駟頭村保護煤柱范圍內。對應地面位置為停駟頭村東部，型煤場西部，地表有民房建筑、沖溝和梯田。

試驗工作面埋深為315.1～365.9m，煤層為單一傾斜構造，屬二迭系下統山西組，煤層厚度3.5～4.3m，平均厚3.97m；煤層直接頂為粗粉砂巖，灰黑色，以石英為主，含黃鐵礦結核，層厚5.63m左右；底板為閃長巖，灰白色，厚4.1m左右。試驗面區域為單傾構造，地質構造以斷層為主，部分煤層有火成巖侵入。

1.2 工作面回采工藝及裝備

工作面開采方式為綜采一次采全高，主要配套設備為ZY6000／21／42型液壓支架、MG300／200－WD型電牽引采煤機和SGZ764／400型刮板輸送機。

2 充填工藝

超高水材料開放式充填開采工藝就是在仰斜開采條件下，隨著工作面的推進，超高水材料漿體沿煤層傾角灌注至老空區，膠結垮落的矸石，以支撐上覆頂板，減少巖層移動的一種充填工藝，如圖1所示。

圖1 開放式充填開采示意圖

為了檢驗采煤與充填銜接效果，得出最佳的采充循環距離，將充填開采分為4個階段。第一階段頂板完全垮落不充填，當推進到45m后，進行充填；第二階段工作面每推進9m充填一次，共65 m；第三階段工作面每推進6m充填一次，共70 m；第四階段工作面每推進3m，充填一次，共70 m，充填試驗各階段的充填率見表1。

表1 充填試驗階段的充填率

3 工作面礦壓觀測及顯現規律

為了驗證在各個充填階段工作面礦壓顯現程度，對工作面支架的工作阻力進行了在線監測。采用KBJ－1綜采支架工作阻力連續記錄儀監測支架工作狀況。

將支架在線觀測的數據進行處理，得出工作阻力變化曲線，見圖2。從曲線可以看出：第一階段開始時，處在切眼范圍，支架工作阻力較為平穩；第一階段至第二階段支架壓力變化顯著，有明顯的來壓現象；第三階段到第四階段支架的阻力整體降低，沒有明顯的來壓。

圖2 工作面液壓支架支護阻力變化曲線

根據工作阻力的變化進行擬合，得出擬合曲線：

根據式（1）可知4個階段支架工作阻力較為平穩，并整體隨著充填率的提高呈現下降趨勢。由此可見，開放式充填能夠減緩礦壓顯現，并且隨著充填率的提高，礦壓顯現程度逐漸降低。

4 充填效果驗證

開放式充填能夠充填采動產生的各種裂隙及矸石之間的縫隙并膠結，減少上覆巖層的進一步下沉、破斷，以達到控制地表變形的目的。其中的關鍵是材料的灌縫效果和膠結能力，因此采用在工作面上方開掘觀測巷道、打鉆方式進行觀測。

4.1 觀測巷道及探孔分布

為了檢驗充填效果，并對充填開采時的覆巖破斷情況進行監測，在推采之前，在工作面中上部20m處開掘一條觀測巷道，并在觀測巷道內開掘兩條探巷，如圖3所示。在觀測巷道內設置10個頂板下沉量的觀測點，測量其頂板下沉量。在探巷內向老空區方向進行鉆探，以探明老空區內的充填體充滿情況。

圖3 充填觀測巷道及探孔的分布

4.2 觀測巷道頂板下沉

隨著充填工作面的不斷推進，觀測巷頂板觀測點的最大下沉量是逐步減小。其中觀測點1至觀測點10的最大下沉量分別為2.90m、2.62m、2.10m、1.64m、1.36m、0.87m、0.62m、0.53m、0.63m和0.57m。說明隨著充填率的提高，觀測巷道的觀測點的下沉量逐漸下降，因此提高充填率可以減小上覆頂板的下沉。

圖4 巷道頂板觀測點1～10的下沉量

隨著測點距工作面的距離變化，觀測巷道的觀測點的下沉量的大小如圖4所示（橫坐標中＋表示在工作面前方，—表示在工作面后方），第一階段內的觀測點在工作面后方4m左右開始顯著下沉，第二階段觀測點在工作面后方6m左右開始顯著下沉，第三階段和第四階段觀測點在工作面后方8 m左右開始顯著下沉。各點在工作面后10～20m處左右，處于變化活躍期；距工作面煤幫40m時，基本處于穩定狀態。

充填工作面于2009年1月3日回采結束，通過觀測巷測點的觀測，充填試驗面回采結束一個月后，各測點沒有出現明顯的變化下沉。

5 漿體擴散范圍

在探巷內向老采空區打設垂直鉆孔（見圖3），并采用鉆孔攝像機對老采空區內的漿體灌注情況進行觀測。第一探巷共施工3個探孔，孔深分別為24.60m、25.35m和19.0m，距煤層頂板的距離分別為27.0m、22.11m和20.37m；第二探巷共施工3個探孔，孔深分別為24.60m、25.35m和24.1m，距煤層頂板的距離分別為19.061m、22.11m和20.66m。

探孔1－1孔深至9.8m時，有超高水材料固結體，充填于上下兩巖層之間，至孔深11.39～12.28m左右，有一縱向裂隙，超高水材料固結體充填于縱向裂縫中，充填密實，至13.38～15m之間，有很多的固結體存在與縱向裂隙與破碎的巖石之間，至16.38～20.4m之間，可以明顯地看到有大量的固結體充填于巖層離層裂隙之間，同時還有小塊的矸石被漿體膠結包裹，至20.68～21m處，有大量固結體充填于矸石及其與巖層的裂縫之間。其它探孔與第一探孔的揭露情況基本一致。

鉆孔取出的超高水充填材料固結體芯明顯顯示，充填密實，與圍巖固結情況良好。

6 結論

（1）超高水材料開放式充填是一種采充效率較高的充填方式，充填不影響采煤進度，是煤礦充填常規化開采的手段之一。

（2）通過對工作面的礦壓觀測來看，超高水材料開放式充填能夠較好地控制工作面礦壓顯現程度，較好地控制上覆巖層的移動、斷裂和破斷。

（3）通過對充填工作面老空區進行觀測可以得知，超高水材料漿體的灌注性能優越，大小裂隙都能得到較好地填充，能夠保證足夠的充填率，得以控制地表下沉程度。

［1］ 楊富禹.煤礦綠色開采技術實踐［J］.中國煤炭，2009（12）

［2］ 錢鳴高，許家林等.綠色開采的理念與框架［J］.科技導報，2007（7）

［3］ 錢鳴高，許家林，繆協興.煤礦綠色開采技術［J］.中國礦業大學學報，2003（4）

［4］ 馮光明，丁玉.超高水充填材料基本性能試驗研究［J］.中國礦業大學學報，2011（7）

On strata behavior during open filling mining with ultra－high－water material

Hu Haijiang1，Li Yongyuan2，Fei Siguo3
（1.Jizhong Energy Handan MIG，Handan，Hebei 056000，China；2.Taoyi Coal Mine，Jizhong Energy Handan MIG，Handan，Hebei 056000，China；3.Heze Energy and Chemical Co.，Ltd.，Yangzhou Coal Mining Co.，Ltd.，Heze，Shangdong 274000，China）

In Taoyi Mine，there exists a problem of"three unders"mining.In order to explore the dead"three unders"coal resources，Taoyi Mine adopts ultra－high－water material to fill the goaf.The slurry water volume of ultra－high－water material reaches 95%～97%，so it has good perfusion characteristics.The open filling with ultra－high－water material can reach higher filling rate.The results of strata control observation by excavating roadway，drilling and other means for observing the filling effect show that this technique can alleviate the strata behavior degree，and the slurry can be grouted in fissures in old goaf and around gangue，and it has a good cementation effect.

fully mechanized mining face，open filling mining，ultra－high－water material filling，strata behavior

TD823.7

A

胡海江（1956－），河北武安人，冀中能源邯鄲礦業集團副總工程師、工程碩士、高級工程師，從事煤礦充填開采、生態礦山建設工作。

（責任編輯 張毅玲）