超高水材料充填技術在陶一礦開采中的應用

李增波劉樹輪楊生強

（1.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.國家安全生產監督管理總局，北京市東城區，100713；3.冀中能源邯礦集團，河北省邯鄲市，056000；4.冀中能源邯礦集團陶一煤礦，河北省邯鄲市，056000）

超高水材料充填技術在陶一礦開采中的應用

李增波1，2劉樹輪3楊生強4

（1.中國礦業大學（北京）資源與安全工程學院，北京市海淀區，100083；2.國家安全生產監督管理總局，北京市東城區，100713；3.冀中能源邯礦集團，河北省邯鄲市，056000；4.冀中能源邯礦集團陶一煤礦，河北省邯鄲市，056000）

針對陶一煤礦建下壓煤問題，論述了開采技術方案，對充填試驗面進行了沉陷預計分析。為保證建下壓煤工作面的安全生產，采取超高水材料充填新技術對工作面采空區進行充填，并對充填開采地表沉降變形規律進行了監測與研究，以保證鐵路在采煤過程中的正常運行。

建下壓煤 開采技術方案 超高水充填材料 充填工藝 沉陷監測

1　建下壓煤開采的必要性

陶一煤礦歷經30余年開采，2007年底原采礦許可證范圍內剩余可采儲量不足100萬t，為合理開采煤炭資源及解決陶一煤礦資源枯竭問題，經申報批準邯礦集團將毗臨陶一煤礦九采區的陶二煤礦七采區劃歸陶一煤礦開采。現陶一煤礦剩余可采儲量主要集中在七采區和九采區。九采區所剩資源不多，七采區屬于九采區的接替采區，目前已經投入生產，屬主力采區。經核實，七采區地質儲量為814.79萬t，分為4個塊段，分別為鐵路保護煤柱334.77萬t、師窯村保護煤柱212.34萬t、康莊村保護煤柱133.25萬t和停駟頭型煤場保護煤柱134.43萬t，采區可采儲量372.97萬t，實際可采儲量219萬t。因此，區內經濟的基礎儲量剩余不多，解放建（構）物與鐵路下壓煤成為目前陶一煤礦維持礦井生產能力，延長礦井服務年限，充分利用已有礦建投資的當務之急。

2　開采技術方案

2.1開采方案設計原則

根據目前國內外建筑物下采煤研究現狀以及陶一煤礦已經進行的超高水材料充填開采實踐，結合七采區井上下具體條件，在進行七采區開采方案設計時，總體遵循以下原則:

（1）村莊下壓煤實現不搬遷開采，主要建筑物不超過原煤炭工業部頒布的 《規程》中規定的I級破壞標準。

（2）邯長鐵路為單線國家I級鐵路，故其下壓煤開采引起的變形應在其相關管理規定范圍內。

（3）在第一、第二條原則基礎上，盡量多采煤炭。

（4）盡可能采用成熟或驗證后的開采技術。（5）能取得一定的經濟效益。

2.2開采技術方案

根據開采方案總體原則，綜合考慮村莊及鐵路下壓煤開采的相關標準與技術要求，結合邯礦集團陶一煤礦的具體地質采礦條件提出長壁工作面超高水材料充填開采技術方案。

3　超高水充填材料基本性能與包式充填過程

由中國礦業大學開發研制的采空區充填材料中，水體積達95%～97%，充填膠結體中固體料用量較少，適用于井下大體積空間如采空區的充填需要。由于固體料用量較少，充填工藝系統較簡單。

3.1材料簡介

超高水充填材料主要由A、B兩種物料組成，A料主要以鋁土礦石膏等獨立煉制并復合超緩凝分散劑構成，B料由石膏、石灰與復合速凝劑構成。二者以1∶1比例配合使用，強度可據需要進行調整，滿足井下充填要求，材料水體積可達到97%。超高水材料固結體具有體積應變較小，凝結時間易調，輸送距離不受限制等優點，是井下采空區充填的理想材料。

3.2包式超高水充填工藝過程

充填工藝過程要求:

（1）工作面自開切眼開始，通過特制充填支架布置充填袋（包）；

（2）工作面每向前推進兩刀，進行充填，在充填袋（包）內充入超高水充填材料漿體至飽滿；

（3）待材料凝固后，支架向前推移，完成第一次充填開采循環，接著如此循環；

（4）當整個采空區充填結束后，在兩巷構筑封堵墻密閉采空區，對剩余空間及預留通道進行集中充填，使整個采空區充填飽滿，固結體全部處于三向受力狀態，提高采空區支撐體系的長期穩定。采空區袋（包）式充填示意圖見圖1所示。

圖1　采空區袋（包）式充填示意圖

4　沉陷監測

為滿足礦井生產的需要，掌握采取超高水材料充填新技術采煤對邯長鐵路的影響規律，以便采取合理的維護措施保障邯長鐵路在采煤過程中的正常運行，冀中能源邯鄲礦業集團委托河北工程大學測繪工程系開展冀中能源邯鄲礦業集團陶一煤礦邯長鐵路充填開采地表沉降變形規律的監測與研究。要求在陶一煤礦12706、12704和12702充填開采工作面上方沿邯長鐵路方向設置路基和軌道地表移動觀測站，監測鐵路路基和軌道的移動與變形規律，為適時采取起道、拔道和串軌等維護措施提供依據，以保證鐵路在采煤過程中的正常運行，同時獲取超高水材料充填條件下邯鄲礦區的地表移動變形規律。

4.1項目內容

（1）根據陶一煤礦地質采礦條件及有關規程的規定，在3個充填工作面上方沿邯長鐵路方向設置路基和軌道地表移動觀測站，具體工作包括地表移動觀測站技術設計、觀測站所有觀測線的布設、各觀測線基準點和監測點位置的確定及基準點與監測點標石的制作與埋設。

（2）根據設計要求和實際情況，按規定的周期與精度要求及時進行觀測線基準點連接測量、全面測量與日常測量、數據處理與變形分析；及時準確的為保證鐵路正常運行而采取的維護措施提供數據。

（3）在地表沉降變形分析的基礎上研究采取超高水材料充填技術下地表的移動和變形規律。為礦井安全開展 “三下”采煤工作、土地復墾及礦區生態環境恢復與重建提供科學依據和技術保證。

4.2各工作面沉降監測概況

（1）12706工作面。2012年2月15日-2012年3月15日，根據12706工作面地質采礦條件進行沉陷觀測的方案設計和圖上選點；4月29日，根據設計方案實地選點，路基和軌道監測點按設計方案布設，考慮到工農關系和監測點的保存，傾斜觀測線沿傾向主斷面附近的小路布設；5月12日進行連接測量和首期全面觀測，5月12日、6月8日和7月14日分別進行了沉陷前的3次全面觀測和與鐵路高程系統的聯測；2012年7月-2013年8月進行日常觀測，沉陷活躍期監測頻率為1次/周，衰退期為1次/2周；2013年8月-2013年10月按技術設計要求完成項目的全部工作，包括監測信息采集的全面測量、日常測量、監測信息的數據處理和分析。

圖2　技術路線圖

（2）12702工作面。2013年3月15日-4月15日，根據12702工作面地質采礦條件進行沉陷觀測的方案設計和圖上選點；4月20日，根據設計方案實地選點，路基和軌道監測點按設計方案布設，考慮到工農關系和監測點的保存，傾斜觀測線沿傾向主斷面附近的小路布設；5月4日進行連接測量和首期全面觀測，5月4日和5月18日分別進行了沉陷前的兩次全面觀測和與鐵路高程系統的聯測；5月-11月進行日常觀測，沉陷活躍期監測頻率為2次/月，衰退期為1次/月；11月-12月，按技術設計要求完成項目的全部工作。

（3）12704工作面。2013年10月10日-10月15日，根據12704工作面地質采礦條件進行沉陷觀測的方案設計和圖上選點；10月20日，根據設計方案實地選點，路基和軌道監測點按設計方案布設，考慮到工農關系和監測點的保存，傾斜觀測線沿傾向主斷面附近的小路布設；11月10日進行連接測量和首期全面觀測；2013年12月-2014年11月進行日常觀測，沉陷活躍期監測頻率為2次/月，衰退期為1次/月，遇有特殊情況觀測周期適當加密；2014年11月—2015年4月，沉降穩定期監測，監測周期1次/月。

4.3監測方法

陶一煤礦采用GPS技術進行坐標聯測，以測區周邊3個已知點為基準，采用GPS靜態測量將坐標傳遞至測區，使沉陷監測成果與礦區坐標系統保持一致，測量等級為E級；采用全站儀進行平面位置和水平方向移動的測量，以GPS確定的聯測點為基準，采用導線測量方法確定各監測點初始坐標和各期全面觀測坐標。測量等級為Ⅰ級導線；高程聯系測量和日常觀測采用水準測量確定各點高程，用于計算監測點下沉，首次全面觀測將監測點和基準點共同構成閉合水準路線，確定各點初始高程，日常觀測采用單程雙轉點，間隔2～3個月聯測基準點。測量等級為四等水準。

4.4技術路線

根據本礦區地質采礦條件和有關規程的要求，以及各工作面的布置位置、采空區上方地形和地物條件、便于基準點和監測點的長期保存及土地占用補償費等因素，沿工作面主斷面分別布設一條走向觀測線和傾向觀測線。平面控制測量采用GPS定位技術、全站儀測量，高程控制測量采用四等水準測量，按規定周期和觀測精度分別進行觀測站的連接測量、全面測量和日常測量；采對監測信息進行數據處理與變形分析。技術路線流程見圖2。

5　結論

本文監測了2014年11月-2015年4月末路基觀測點的累積下沉觀測成果，近半年來路基最大累計下沉12 mm。《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》規定，當開采結束后六個月累積下沉小于30 mm時可判定地表沉降已穩定。由此可知，陶一礦鐵路沉降已穩定。

（責任編輯 張艷華）

Application of filling technology with super high-water materials in coal mining in Taoyi Coal Mine

Li Zengbo1，2，Liu Shulun3，Yang Shengqiang4
（1.Faculty of Resources&Safety Engineering，China University of Mining and Technology，Beijing，Haidian，Beijing 100083，China；2.State Administration of Work Safety，Dongcheng，Beijing 100713，China；3.Jizhong Energy Handan Mining Group Co.，Ltd.，Handan，Hebei 056000，China；4.Taoyi Coal Mine of Jizhong Energy Handan Mining Group Co.，Ltd.，Handan，Hebei 056000，China）

Aiming at the problem of coal under buildings in Taoyi Coal Mine，the mining technical proposals were discussed，and the subsidence of filling test surface was predicted and analyzed.In order to guarantee the safety mining under buildings，the new filling technology with super high-water materials was applied in the goaf of filling mining face，and the subsidence and deformation laws of ground surface were monitored and studied，which ensured the normal running of railway in process of mining.

coal under buildings，mining technical proposal，super high-water filling meterials，filling technology，subsidence monitoring

TD325.4

A

李增波（1966-），男，山東青島人，博士研究生，研究方向為安全管理及政策研究。