薄煤層泵送矸石充填技術在王河煤礦的研究與應用

鶴煤公司王河煤礦主要開采一1煤層，煤層平均厚1.09m，采用全部垮落法管理頂板，由于頂板垮落造成地表沉降，對地面建筑物造成影響，為了保護地表的完整性，不破壞地表原狀，解決“三下”壓煤，最大限度回收煤炭資源。我礦與河南工程學院、山東泰安恒馳工貿有限公司合作，在10903工作面進行泵送矸石充填項目的技術研究。泵送破碎矸石管道充填采空區技術具有系統簡單、充填能力大、充填效率高，能夠處理井下原生矸石，實現矸石不升井，充填密實度高等優點。本項目的研究成果將產生廣泛的社會效益和巨大的經濟效益，具有廣泛的推廣應用前景。

礦井概況

王河煤礦位于滎鞏煤田中部，滎密背斜的北翼，總體為一向北傾斜的單斜構造，走向約N1050E，傾角一般130，構造簡單，屬于低緩丘嶺地形，基巖大面積被第四系掩蓋，僅有零星露頭。礦井地質條件簡單，構造以近南北向的正斷層為主，落差一般在1m以下，對礦井開采影響不大。除此之外，頂板裂隙和沿走向分布的寬緩褶皺均對開采影響不大。礦井主要可采煤層一1煤層，該煤層賦存穩定，厚度基本均勻，平均厚度1.09m，中間一般含一層0.1m夾矸，巖性為灰質泥巖、砂質泥巖。本礦正常涌水量為1100m3/h，礦井最大涌水量為1800m3/h。

歷年來礦井瓦斯鑒定均為瓦斯礦井。

項目實施地點及工作面基本情況

本項目選擇在地面上村莊稠密的109采區，為井田中部王河水庫和我礦工業場地所占壓的煤炭資源。充填地點選擇在地面劉河鎮下10903工作面。

工作面煤層情況

工作面地面對應位置位于劉河鎮王河村，地形屬丘陵階地。上方大部分區域為村莊，村莊內多數為居民小樓。該工作面開采石炭系太原群一1煤層，該煤層賦存穩定，煤層總體走向N105€癊，傾向N15€癊，煤層傾角12～14€埃驕漢？.09m，煤厚均勻穩定，埋深約247.47～309.8m。一1煤層為黑色塊狀無煙煤，以亮煤為主，含一層0.05～0.1m的夾矸。煤層硬度大，f值在2～3之間，容重1.6T/m3，煤層結構簡單。

地質構造及水文地質

煤層直接頂為太原組L1灰巖，巖溶裂隙發育，富水性強，頂板巖層較為完整，但具有明顯的分層現象，可以隨放頂而冒落；煤層底板為本溪組鋁土質泥巖，其下為奧陶系灰巖強含水層。目前礦井實際涌水量為1300m3/h。該工作面實施矸石充填采煤工藝，其目的是保護工作面上方地表村莊建筑物，阻止一1煤頂板含水巖層斷裂，減少礦井涌水量，即可回收村莊下呆滯煤量，又可減輕王河煤礦的排水壓力，是實施矸石充填理想的試驗場地。

該區煤層地層為一單斜構造，從10903工作面上順槽和下順槽掘進揭露的地質情況分析，本工作面范圍內未發現大的斷層，但存在有小型斷層，對工作面回采會造成一定影響。

回采工藝流程

工作面采用走向長壁后退式布置，炮采采煤工藝，爆破落煤，人工攉煤，采用刮板運輸機和膠帶輸送機相結合的方式運煤，矸石充填管理頂板。工作面采用（3·5）排頂板控制，最小控頂距3.2m（三排），最大控頂距5.6m（五排），如圖所示。

工作面基本支護：采用DZ12-30/100、DZ14-30/100單體液壓支柱點柱支護。

充填工藝及流程

充填工藝流程見下圖所示

充填工藝

工作面推采達到最大控頂距時，充填管路敷設在次邊排支架空檔內。

按照“見五充二，自下向上”順序，分段回柱充填，分段長度為10～15m。在充填點處輸送管路上安裝90€巴涔苤斂煽漲？

靠邊排用竹芭或菱形網、塑料彩布封閉，竹芭或菱形網由細鐵絲將彩布固定在單體支柱上，彩布由底板鋪至頂板，不得留有縫隙，傾斜壓茬不得小于0.5m。

邊排單體支柱密度比正常支設密度大一倍，形成密集支柱，支柱間距不得大于0.3m。

一個循環充填完畢，下一個循環解開固定彩布的鐵絲，將竹笆、菱形網與彩布回收，移至下一個循環繼續使用。每三個循環更換一次彩布，竹笆或菱形網可隨時更換。

在工作面上順槽下方用塑料袋裝碎矸石壘砌3m寬的矸石帶，作為沿空留巷的巷幫支護，將上順槽保留下來。

在充填過程中，由注漿站向充填點引兩條注漿管路，向采空區噴灑添加劑，一路輸送主劑，一路輸送輔劑，兩種材料與矸石充分結合，使之與矸石中的水份和粉末混合，快速凝固，及時支撐頂板。

充填安全技術措施

啟動輸送泵前，認真檢查輸送管路接頭處對接是否嚴密，檢查輸送管路的固定狀況，發現對接不嚴或管路固定不牢靠等情況立即處理，否則不能啟動輸送泵。

充填時要密切觀察工作面及充填區頂板動態，發現異常現象（如：巨大的震頂聲，頂板來壓顯現強烈或出現臺階下沉現象等），必須立即發出警報，撤離所有人員，待頂板穩定后，方可繼續施工。

每一段充填完后，用電話聯系輸送泵站停止供料，然后方可掐縮管路及回柱工作。處理管內存留矸石余矸采用高壓注液槍進行清理。沖洗管路時，人員必須側式操作避開管子口，防止蹦出的泥漿對人員造成傷害。

拆卸后的管子，擺放在充填區前方支柱空檔內，碼放整齊不得妨礙行人及運料。在搬運鋼管時妨礙的支柱，嚴格執行先支后回的規定，嚴禁空頂作業。搬運管子時，用長繩拴住管子控制下滑，不得任意放手，防止意外下滑傷人，當班班組長現場指揮，人員要密切配合，用力一致。

回柱時必須安排工作經驗豐富的人員操作，帶齊工具，一人觀察頂板，一人回撤支柱，嚴格按照“自下而上、由里向外”的順序進行回撤。

為防止工作面充填期間下順槽積水，在下順槽始終保持臨時水窩，用風泵或潛水泵抽排積水。每班安排專人負責看管清理水窩，以保持正常疏水。

采空區充填期間，如充填材料水分過多，充填負責人及時通知輸送泵房停止充填，立即調整充填材料的配比。對充填區邊排設專人巡查，對封堵不嚴的地點必須重新加固，嚴禁膏體外溢，工作面出現失效變形支柱及時更換撤除。

工作面向采空區充填期間，加強對邊排支柱的管理，發現失效、變形支柱及時更換，每班對邊排支柱注液兩次。

每個充填段完成后，在回撤下一個充填段前必須先在充填的新邊排以外掛牢竹笆和塑料彩布，然后方可按照“自下而上、由里向外”的施工順序逐列回出支柱。

周期來壓時，密切關注采空區頂板變化，發現震頂、掉渣等冒頂征兆時，停止向采空區充填，人員撤離到充填區上方的安全地點，待頂板穩定后，方可繼續充填。

膏體外溢時，必須電話通知輸送泵房停止充填，將充填區下方人員迅速撤離到膏體外溢點上方。當班管理人員立即組織人員對膏體外溢孔進行封堵，封堵外溢孔按照“自上向下”的順序進行。處理事故時當班領導負責合理組織人員，施工時嚴禁人員碰撞。

整體充填采煤工藝的效果分析

王河煤礦泵送矸石充填從2011年6月份開始前期論證，8月開始設計充填方案，設計充填巷道、充填硐室、矸石倉等施工圖。9月開始進行井巷工程改造，11月成立專門充填隊伍，開始充填設備安裝調試，12月試運轉。2012年正式開始10903工作面采空區充填。目前，已經成功充填置換原煤約6萬噸，取得了良好的充填采煤效果。

王河煤礦成立了專門充填隊伍，通過系統的培訓和幾個月的現場實際操作，已經形成了一支高素質的專業充填隊伍。

制定了一整套充填管理制度，建立了充填質量保障體系和評估機制，結合泵送矸石充填特點，研究充填管理質量保證體系，積極探索建立充填考核評價機制。

結合王河煤礦“三下”滯留煤量的特點，探索出了一整套安全、高效、經濟、簡易的充填采煤方法。

泵送矸石充填骨料主要為破碎的巖巷掘進矸石，大部分為硬度較大的鋁土巖、灰巖、細砂巖。破碎后的矸石形狀不規則，粒徑變化也較大。現場統計表明，管道磨損速度與矸石粒徑、硬度及不規則度成正比。通過實踐，摸索出了泵送矸石充填管道磨損與堵塞成因及對策研究。

矸石顆粒不大于25mm，小于5mm的顆粒占40%左右，最有利與料漿輸送能夠減小管道磨損和管道堵塞；

料漿質量濃度78～88%，充填料漿在管道中形成柱塞流，能夠有效減小管道摩擦阻力；

最適合泵送矸石充填的管道直徑為159mm，管道流速為1.0～1.5m/s。

減少了王河煤礦開采一1煤層由于頂板冒落或底板擾動而突水的概率，大大降低了排水費用，并消除了由于突水而帶來的安全隱患。

實現原生矸石充填與開采同時作業，協調推進；實現充填速度50m3/h，垂直輸送300m，水平輸送1200m。

提高了充填機械化程度，充填工藝簡單、易操作，充填成本低，勞動強度低，避免矸石上井，大幅度減少崗位人員，減少了安全隱患。

對充填體強度及充填料漿坍落度、泵送料漿流動阻力與相關因素之間的關系進行了理論分析和試驗研究。在泵送料漿試驗中，通過摻加粉煤灰，可以提高充填體的坍落度，從而降低泵壓損失，可以延長充填體的泵送距離。

“矸石井下充填”應用的效益

經濟效益

一是解放建筑物及水體下的煤炭資源、提高資源回收率；二是消耗了大量的固體廢棄物—煤矸石，減少矸石的運輸、提升費用，避免了矸石地面堆積占用耕地產生的費用；三是充填工作面上、下順槽采用沿空留巷，節約了巷道掘進費用；四是工作面實施該項技術，顯著減少了工作面的涌水量，節約了排水費。計算時間自2011年12月至2012年9月，共10個月。

該技術實施現場為鶴煤公司王河煤礦10903工作面，工作面煤炭資源為村莊下壓煤，通過充填開采，采出煤炭共計6萬噸，原煤市場價格平均為680元/噸，充填成本平均為66.72元/噸，產值總額為：6萬噸€祝？80-66.72）元/噸=3679.68萬元。

采空區采取全部充填，矸石充填體與煤等體積置換，消耗矸石5.25萬噸，折合為5.25萬礦車（1噸礦車），每礦車矸石的運輸、提升環節產生的總費用平均為10.5元，節約的費用為：5.25萬車€？0.5元/車=55.125萬元。

充填工作面走向長550m，工作面順槽采用沿空留巷，巷道掘進工程費用，根據有關規定計算出巷道掘進單價為7350元/米，共計節約巷道掘進費用為550m€？€？.735萬元/米=808.5萬元。

該項技術的應用，不但降低了工作面突水危險，而且顯著減少了工作面的涌水量，節約了排水費用，取得了較好經濟效益和安全效益。

技術效益分析

充填速度快，實現了采充平行作業，每月可采煤約0.8萬噸，保證了矸石的消耗量和換煤量。

采用泵送矸石充填工藝開采，充填密實度高，粉碎后的矸石在泵送作用下，接實頂板對頂板有一定的支撐作用，大大減少了頂底板的移進量和破壞深度。地表移動變形值未超過I級破壞范圍，保證了安全開采，減少了賠償，具有明顯的社會和經濟效益。

泵送管道充填矸石向充填地點采用管道運送，可實現運輸過程中的封閉管理，減少了粉塵的產生，安全性較高，污染少，保證了員工的健康。

泵送矸石充填回填利用了矸石山的煤矸石，解決了矸石堆積地面占用土地的問題，也可恢復開發利用原矸石山的土地。

消除了因矸石堆放造成的自燃及酸雨危害，同時解決了因矸石山自燃爆炸造成的滑坡事故等安全問題，改善了礦區生態環境。

泵送矸石充填開采技術工藝簡單，機械化程度高，易操作，勞動強度低，費用低，減少了矸石上井的提升運輸環節及崗位人員，消除了安全隱患。

資源是企業發展之基。面臨資源枯竭的礦井，為了延長礦井開采服務年限，走可持續發展之路，利用泵送矸石充填技術，直接充填到采空區，支撐采空區頂板，從而置換開采出呆滯煤柱、“三下”壓煤。應用這項技術，既可以保護環境、保護生態、節約土地、提高資源利用率，又能夠減小頂板下沉和地表沉陷，防止地表塌陷、解決承壓水煤層開采、用于工作面防滅火管理，不失為建設資源節約型、環境友好型、和諧礦區的極好路徑，是一種具有廣泛推廣應用前景的充填開采技術。

（作者單位：鶴煤公司王河煤礦

生產技術科）