超高水材料充填開采的應(yīng)用與研究

馬民樂 李永元 于曉偉

（冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)陶一煤礦，河北省邯鄲市，056000）

陶一煤礦1976年投產(chǎn)，目前90%資源都位于村莊等建筑物下。因此，尋求一種有效解決建下煤炭開采技術(shù)是十分迫切的任務(wù)。

1 超高水材料充填的特點(diǎn)

冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)合作，在高水材料沿空留巷的基礎(chǔ)上創(chuàng)造性地將高水材料應(yīng)用于老空區(qū)充填，并研發(fā)了超高水材料，于2008年首次進(jìn)行了充填開采工業(yè)化試驗(yàn)，并取得了成功。超高水材料充填開采與其他煤礦充填開采技術(shù)相比具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

（1）與傳統(tǒng)的膠結(jié)充填開采相比，超高水材料充填固體資源用量少（固體粉料的體積分?jǐn)?shù)3%～5%），漿體凝固速度快而時(shí)間可控，早期強(qiáng)度高而且可調(diào)，固結(jié)體處于封閉的三軸受力狀態(tài)，在這種環(huán)境下充填體基本不可壓縮，具有良好承載性能。

（2）技術(shù)工藝簡(jiǎn)單，制漿和輸送系統(tǒng)具有自動(dòng)化程度高、勞動(dòng)強(qiáng)度低、系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠、輸送距離遠(yuǎn)、輸送能力大等良好性能。目前陶一煤礦充填站具有400 m3／h的制漿能力，輸送距離達(dá)到3200 m，為全國(guó)乃至全世界膠結(jié)充填開采制漿能力最大，無泵輸送距離最遠(yuǎn)。

（3）超高水材料充填可以根據(jù)煤層賦存條件采用多種不同充填開采工藝方法，充填工藝適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)安全高效連續(xù)開采。

（4）充分利用了礦井產(chǎn)生的廢水，防止地表水的污染，充分利用了資源。

（5）超高水材料充填開采初期投資小，是其他充填開采的10%～20%；操作簡(jiǎn)單，不需額外增加井巷工程。

2 超高水材料充填工作面系統(tǒng)

2.1 漿體制備及輸送工藝

2.1.1 漿體制備系統(tǒng)

超高水材料制漿系統(tǒng)分為A料區(qū)制漿系統(tǒng)和B料區(qū)制漿系統(tǒng)，每個(gè)料區(qū)都是由儲(chǔ)料系統(tǒng)、稱量系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)組成。

制漿和輸送的整個(gè)過程都是在PLC自動(dòng)控制下進(jìn)行。由螺旋給料機(jī)和管道泵將粉料和水分別倒入稱量斗中，進(jìn)行自動(dòng)稱量，稱量后倒入攪拌桶內(nèi)，經(jīng)過攪拌后，分別制成A料漿和B料漿進(jìn)入成品漿池。將成品漿通過泵送或自流的方式經(jīng)管道輸送至工作面前方90～200 m的范圍進(jìn)行混合，之后輸送至充填作業(yè)點(diǎn)。充填工藝系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 充填系統(tǒng)地面立面布置與工藝流程示意圖

該系統(tǒng)具有整體投入低、自動(dòng)化程度高、系統(tǒng)簡(jiǎn)單可靠、漿體配比準(zhǔn)確性高和易于控制等特點(diǎn)，遠(yuǎn)距離輸送無需額外增加井巷工程。陶一煤礦的地面充填站，制漿能力達(dá)到了400 m3／h，無泵輸送距離達(dá)到3200 m，具備了年產(chǎn)百萬噸充填生產(chǎn)能力。

2.1.2 漿體輸送雙液匹配流量控制系統(tǒng)

超高水填充要求A料、B料兩種料漿按照1∶1的比例進(jìn)行混合。為保證充填體的穩(wěn)定性，研究應(yīng)用了大流量雙液匹配自動(dòng)控制裝置。該裝置在每條輸料管道中加裝流量傳感器，探測(cè)料漿的流量，提供給PLC信號(hào)。根據(jù)生產(chǎn)設(shè)置流量，PLC控制裝置自動(dòng)調(diào)控電動(dòng)閥門，使兩趟管路流量達(dá)到平衡。如圖2所示。

圖2 物料流量的工藝控制流程

2.1.3 風(fēng)水聯(lián)動(dòng)管路清洗系統(tǒng)

充填后，為防止管道內(nèi)積液固結(jié)堵管，要及時(shí)清洗管道。初期采用清水沖洗時(shí)產(chǎn)生大量的尾漿，這些尾漿總量達(dá)到100 m3以上，嚴(yán)重影響了充填開采效果，污染了工作環(huán)境。經(jīng)反復(fù)研究試驗(yàn)，采用了高壓風(fēng)水聯(lián)合清洗的方法，使清洗管路用水量減少至20 m3以下。

2.2 袋式充填方法

采空區(qū)袋式充填方法是在采空區(qū)有后掩護(hù)頂梁的專用支架下布置充填袋，袋內(nèi)充入超高水充填材料，漿體凝固移架后充填袋對(duì)頂板直接進(jìn)行支撐，使頂板不垮落。這種方法將工作面支架每10～12架為一組（與充填袋長(zhǎng)度一致），組間設(shè)一架隔板支架作為模板，保障充填袋安全使用。如圖3和圖4所示。

袋式充填適用于現(xiàn)有大多數(shù)回采條件下開采，無論是傾斜長(zhǎng)壁、走向長(zhǎng)壁，還是俯采條件都能夠適用，在大水工作面優(yōu)勢(shì)更為突出，是理想的常規(guī)化充填開采工藝方法。陶一煤礦利用此方法已開采3個(gè)工作面，采高為4.2 m，充填率達(dá)到93%。

2.3 開放式充填方法

開放式充填方法是指在仰斜開采條件下（一般情況下角度不小于10°），采用常規(guī)全部垮落法開采，采空區(qū)完全處于開放與自由狀態(tài)的充填開采狀態(tài)。其充填工藝為自開切眼始，即對(duì)采空區(qū)實(shí)施充填，隨采隨充。隨著工作面的不斷推進(jìn)，充填漿體液面不斷上升，逐漸將低于工作面位置水平以下的采空區(qū)及冒落裂隙充填密實(shí)，并將部分垮落下來的矸石膠結(jié)起來，形成整體支撐上覆巖層的充填膠結(jié)承載體。

開放式充填方法的關(guān)鍵是控制基本頂不發(fā)生彎曲下沉和斷裂，在煤層傾角較小（10°以下）或采高較大時(shí)，通過在支架尾梁下設(shè)置擋板抬高充填液面高度的方法來縮小基本頂懸頂跨度，保證基本頂不斷裂下沉。該方法在陶一礦應(yīng)用了4個(gè)工作面，取得了良好的效果。開放式充填工藝具有回采與充填互不影響的特點(diǎn)，在適宜條件下，采空區(qū)充填效率非常高。

3 充填效果驗(yàn)證

通過對(duì)地表下沉與充填率的實(shí)際觀測(cè)，采用袋式充填時(shí)，充填率可達(dá)到93%，地表最大下沉量為180 mm，變形在一級(jí)破壞以內(nèi)。開放式充填時(shí)，采空區(qū)大小空間與裂隙得到密實(shí)填充，且充填體固結(jié)凝固狀態(tài)好，充填率可達(dá)到85%以上，根據(jù)等效采高理論對(duì)影響地表下沉量的各因素進(jìn)行反演，證實(shí)超高水材料進(jìn)行無煤柱充填開采后，其壓縮量因素對(duì)地表下沉的影響力很小，這也從具體實(shí)踐中驗(yàn)證了超高水材料充填體的不可壓縮性。

4 結(jié)論

（1）超高水材料制漿系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，制漿能力大，容易實(shí)現(xiàn)無泵遠(yuǎn)距離輸送，是保證充填工作面高產(chǎn)高效的必要條件。

（2）兩種超高水材料工作面充填方法各有優(yōu)勢(shì)，其中袋式充填適用范圍廣，充填效果明顯；開放式充填適合煤層傾角10°以上仰斜開采，具有與采煤互不影響的優(yōu)點(diǎn)。

（3）通過對(duì)地表沉陷觀測(cè)，超高水材料充填能夠較好地控制圍巖變化，降低礦壓顯現(xiàn)程度，使得地表總體破壞在一級(jí)范圍內(nèi)。

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