厚煤層橋拱式矸石配超高水材料置換“三下”壓煤全采技術研究

姬生華 李長厚 李永德

（微山縣付村鎮高煤公司 生產科，山東 微山 277605）

高煤公司坐落在微山湖畔，1997年10月建成投產，現核定生產能力320萬噸/年。幾年來，高煤公司牢固樹立珍惜資源、節約資源的理念，大力實施綠色開采，自主創新形成了厚煤層橋拱式矸石配超高水材料置換“三下”壓煤全采技術（以下簡稱“橋拱式”全采技術），實現了“三下”壓煤厚煤層的全采，取得了良好的經濟和社會效益。公司先后榮獲“煤炭工業節能減排先進單位”等幾十項省部級榮譽稱號。

1 “橋拱式”全采技術始于認知上的突破

高煤公司井田范圍內村莊及地面建筑物壓煤資源儲量多達4200萬噸。隨著工業和城鎮化的發展，建筑物下壓煤仍有增大趨勢，嚴重制約著礦區生產和服務年限，而且壓煤區域處于微山湖流域，村莊密集，搬遷困難。實施充填開采，解放“三下”壓煤，己成為礦井可持續發展的必然選擇。基于上述情況，我們從建設資源節約型、環境友好型企業的高度出發，瞄準提高資源回收、增加經濟效益、實現科學發展的目標，確立了解放“三下”壓煤、實施綠色開采、實現矸石不上井的思路。

為尋求一條解放“三下”壓煤的最佳方案，本著“最大限度地解放煤炭資源、減小地面建筑物破壞程度，實現效益最大化”的原則，從2006年開始，我們組織人員對充填開采進行了廣泛調研。先后去了岱莊、王集、太平、田莊、邱集、城郊煤礦等省內外多家兄弟單位。先后考察了離層注漿、膏體充填、綜采工作面架后矸石充填、高水和超高水充填等工藝，這幾種充填方式基本都是在薄及中厚煤層中應用，效果好、各有特點，特別是超高水充填材料，該材料具有含水量高（95-97%）、凝固速度快、充實率高（充填體傾斜、曲率、水平變形量小）、早期強度高的特點，固結體具有良好的承載性能和抗壓縮性，頂板及地面下沉量可控制在較小范圍，對于高煤公司充填材料的選擇可供借鑒。由于高煤公司所要置換的煤層厚度為4～6m的厚煤層，我們了解學習的礦井均為薄及中厚煤層，通過調研，我們雖然沒有尋求到厚煤層開采較為理想的充填工藝，但也從中得到了許多有益啟示，結合拱橋建筑原理，在礦井原有無煤柱開采及矸石不上井條帶充填的基礎上，創新提出了厚煤層橋拱式矸石配超高水材料置換“三下”壓煤全采技術，通過開采性實驗情況來看，完全適合于目前公司充填開采。該技術主要是利用綜掘機或連續采煤機快速掘進的特點，在厚煤層“三下”壓煤中，按奇數順序掘出巷道，以掘進方式采煤，然后用矸石充填同時注入超高水材料，兩條相鄰的奇數巷道充填后，就形成了類似于大橋橋墩的充填墻，之后再把兩個墻體之間的煤體采出，形成的空間相當于大橋“橋拱”，用于滿足井下矸石的充填。

圖1 注漿流程示意圖

2 “橋拱式”全采技術精于實踐上的創新

“橋拱式”充填全采系統由注漿充填、矸石充填和煤炭運輸三大流程組成（如圖2）。圍繞“三大流程”，我們在充填材料選擇、系統配備、工藝流程、控制三帶四個方面，大膽嘗試、勇于創新，取得了滿意的成效。

圖2 充填全采技術工藝示意圖

1）優選充填材料。超高水材料是由中國礦業大學發明的一種新型充填材料，它主要由A、B兩種物料組成。A料主要以鋁土礦等礦物質燒制并與超緩凝分散劑（AA料）混合，B料由石膏等礦物質與復合速凝劑（BB料）組成。A、B料分別加水制成A漿液和B漿液，將兩種漿液混合后在一定時間內膠結、凝聚，達到設計強度，實現采空區充填。混合后的漿體中水的體積可達95%～97%，初凝時間通過改變材料和水的配比在8-90min靈活調整。超高水材料具有以下特性：一是，固結體早強特征明顯，且固結體最終強度可根據水體積比的不同而有所變化；二是，固結體受壓后，體積應變較小，具有不可壓縮性；三是，初凝時間具有可控性；雖然該材料屬于早強、快硬型膠結材料，但是材料的初凝時間可根據工藝要求進行具體控制；四是，具有在封閉狀態下或在完全潮濕狀態下的熱穩定性、化學穩定性、受壓下穩定性，并具有微膨脹特性，可保持長期穩定。充填粗骨料選用礦井產生的井下矸石和地面洗煤廠產生的廢料洗矸，進行配合充填，不僅起到了降低材料成本，而且還能夠對形成的超高水墻體起到加固作用。

圖3 矸石充填注漿流程剖面圖

2）優配系統裝備。在超高水液體制備方面，把超高水制備系統設置于井下充填現場，并創新實施了雙巷交替式生產，切實解決漿體運輸不連續的問題，提高泵送功率，一次性輸送距離達2000m以上，通過接力可實現遠距離輸送，充填能力由最初的每小時110m3提升到每小時160m3。在矸石配合充填方面，本著高效節約的原則，我們與廠家聯合創新研制了雙向給煤機、膠帶機和快速拋矸機，實現采煤與充填矸石在同一皮帶雙向運輸，降低充填系統巷道工程量，節約設備投資和人力占用，使采煤、充填工藝流程實現機械化、皮帶化、連續化。同時，在地面洗煤排矸場建設了Φ325mm大孔徑下料口，使洗選出的洗矸直接落入井下充填站附近的料場，減少洗矸運輸環節，快捷提供充填粗骨料。

3）優化工藝流程。通過科學確立材料配比、物料攪拌、漿料泵送、連續充填、立體考核“五項參數”，進行技術分析，規范調整各項參數，持續完善“橋拱式”充填全采技術；在掘進回采巷道中，采用綜掘機分層施工，成功解決了巷道施工高度高、跨度大的難題，確保了回采巷道的安全施工；對掘進流程與注漿流程優化設計，使兩套系統獨立運行，采煤和充填同時施工、互不干擾，操作更加靈活；將充填巷道沿下山布置，盡量增加巷道長度，提高漿體充填密實率和開采效率；探索創新管路漿液快速混合分離法、管路堵塞快速疏通法、材料精準配比法，破解了材料配比不準、配比不均及配合后容易堵塞等技術難題，實現了連續輸送；實行定崗定員、一崗雙責、交替補位、平行作業，推進了高產高效。

圖4 矸石注漿充填工藝流程圖

4）加強“三帶”控制。加強冒落帶、裂隙帶、彎曲帶的觀測和控制是保證地面建筑物不受破壞的關鍵。在加強“三帶”控制上，首先我們建立健全了地面巖移觀測網和井下礦壓觀測系統，充分利用沉降監測手段，跟蹤監測工作面頂板下沉和地表變形情況。其次，合理設計“橋墩”、“橋拱”的空間尺寸，兩者保持1：1的寬度，使橋墩具有足夠的支撐強度。同時，合理配置采煤與充填順序，按照采出一條巷道、充填一條巷道的方式，邊回采、邊充填，消除采空區大面積懸頂的現象，控制頂板下沉，減小地表移動與變形，達到理想的減沉效果。經過近五年的巖移觀測，充填區上方的洗煤廠棧橋、儲料倉等重要建筑物得到了有效保護。

3 “橋拱式”全采技術成于效能上的釋放

通過推廣應用“橋拱式”全采技術，較好地解決了“三下壓煤”問題，收到了良好的經濟和社會效益，主要體現為“一低、兩高、三少”：

一低。就是充填成本低，此工藝與我公司正常綜采工作面開采成本相比，噸煤成本只需增加130元，相對于其它充填開采工藝成本較低。

兩高。一是資源回采率高，通過“橋拱式”開采，可以實現開采范圍內煤體的全部采出；二是效率高，隨著工人熟練程度的提高和工藝的持續改進，產能逐年提升，一臺綜掘機從最初的年產8萬噸，提高到目前年產18萬噸。

三少。一是，使用充填物少，“橋拱式”充填開采工藝只是利用橋墩支撐的方式完成頂板控制，實現地表不下沉，只需一半的充填體積就能滿足煤體的全部采出；二是，投資少，配備一套充填系統僅相當于裝備一個綜采工作面投資的十分之一；三是，用人少，掘進工作面使用雙向給煤機、雙向膠帶機，充填巷道應用快速拋矸機，極大節約了人工成本，一個年產15～20萬噸的采煤和充填工作面僅需60人，便能完成任務。

幾年的探索與實踐，我們找到了一條厚煤層“三下”壓煤全采的有效方法。同時，也清醒的認識到，“橋拱式”全采技術還存在著一些需要改進的地方，在高產高效、機械化程度等方面還有較大的提升空間。我們將借鑒兄弟單位充填開采的成功經驗，進一步加大探索研究和成果轉化力度，促進企業安全高效和可持續發展。