岱莊煤礦膏體充填綠色開采技術(shù)實(shí)踐

楊賢江

（淄博礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司，山東 淄博 255120）

岱莊煤礦為核定生產(chǎn)能力300萬t/a的大型煤礦，礦井位于濟(jì)寧市城區(qū)北部，井田內(nèi)地面建（構(gòu)）筑物密集，地面村莊壓煤80%。自2000年建成投產(chǎn)以來，一直采用條帶法進(jìn)行建下壓煤開采，目前已有條帶煤柱50多個(gè)，累計(jì)條帶煤柱可采儲(chǔ)量已達(dá)1100萬t，造成了井田內(nèi)有限的煤炭資源呆滯浪費(fèi)。為回收建下遺留條帶煤柱，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，岱莊煤礦與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)等單位合作，進(jìn)行矸石膏體充填開采技術(shù)研究，建立了一套以矸石、粉煤灰、建筑廢棄物為主要原料的膏體充填系統(tǒng)，回收條帶開采遺留的煤柱。將矸石、粉煤灰、水泥、建筑廢棄物等固體廢物制作成膏狀漿體，從地面通過充填泵經(jīng)充填主管路和工作面充填管路及布料管等管件充填采空區(qū)，置換采出煤炭資源，使地表變形始終保持在建（構(gòu)）筑物安全的允許范圍內(nèi)。

1 充填設(shè)備及管路配置

1.1 充填設(shè)備

膏體充填系統(tǒng)地面充填站主要設(shè)備為：巴哈斯-桑索霍芬（天津）機(jī)械有限公司生產(chǎn)的DKXS2.50型雙臥軸槽式攪拌機(jī)；德國(guó)普特斯邁斯特公司生產(chǎn)的KOS25100HP型充填泵，最大輸送壓力可達(dá)12MPa；井下2351充填工作面采用ZC5600/17/32型充填液壓支架。

1.2 充填管布置

充填管路由主充填管路、工作面充填管路（工作面充填管路由布料閥、萬向節(jié)、工作面充填管連接組成）、布料管組成。2351工作面充填系統(tǒng)中，把鋪設(shè)在順槽內(nèi)的充填管稱之為主充填管；進(jìn)入工作面的管道稱之為工作面充填管；從工作面充填管每隔一定距離經(jīng)布料閥變向，向充填區(qū)域噴送料漿的充填管稱之為布料管。

工作面長(zhǎng)度103m（軌順下幫至皮帶上幫）安裝支架66個(gè)，面上注漿點(diǎn)6個(gè)，分別布置在12#、22#、32#、42#、52#、62#支 架 上。1#管 路Ф245×22mm，共974m，2#管路Ф245×20mm，共1160m。工作面Ф150×10mm充填管100m，Ф150×10mm布料管20m。

在每個(gè)設(shè)置布料管的地方接一個(gè)閘閥。在主充填管上，在立管底、沉淀池、軌順等多個(gè)地點(diǎn)也安裝帶有壓力監(jiān)測(cè)的閘閥，壓力監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可傳輸?shù)降孛婕厥遥瑢?shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2 膏體充填采煤工藝

根據(jù)2351膏體充填工作面地質(zhì)資料結(jié)合2351膏體充填工作面的充填開采經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行綜合分析，確定2351膏體充填工作面采用綜采一次采全高，采空區(qū)采用矸石膏體充填控制頂板。在工作面頂板完整的情況下循環(huán)步距按割4刀進(jìn)行生產(chǎn)組織，頂板破碎時(shí)根據(jù)頂板完整性及壓力情況及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)或補(bǔ)充措施。

膏體充填開采施工工藝，頂板完整時(shí)：掛網(wǎng)→割煤（2刀）→掛網(wǎng)→割煤（2刀）→隔離→充填（支護(hù)頂板）→凝固檢修（支護(hù)頂板）。

頂板破碎時(shí)：掛網(wǎng)→割煤（2刀）→掛網(wǎng)（打設(shè)錨桿支護(hù)頂板）→割煤（2刀）→隔離→充填（打設(shè)錨桿支護(hù)頂板）→凝固檢修（打設(shè)錨桿支護(hù)頂板）。

3 待充填區(qū)支護(hù)工藝

（1）頂板完整，面前掛菱形網(wǎng)，面前頂板不打錨桿托鋼帶支護(hù)頂板時(shí)待充填區(qū)內(nèi)支護(hù)方式如下：

① 工作面使用帶有支護(hù)裝置（橫梁）的充填支架，隨著支架的前移，橫梁一頭擔(dān)在支架后切頂線上方，另一頭擔(dān)在膏體墻上方，對(duì)待充填區(qū)形成有效的支護(hù)。

② 發(fā)現(xiàn)待充填區(qū)內(nèi)頂板上的菱形網(wǎng)有破損時(shí)必須及時(shí)補(bǔ)網(wǎng)。

（2）頂板破碎，面前掛菱形網(wǎng)，面前采取打錨桿托鋼帶支護(hù)頂板時(shí)待充填區(qū)內(nèi)支護(hù)方式如下：

① 頂板破碎不完整時(shí)，采取割煤兩刀后在面前平行于煤壁打設(shè)一排錨桿托鋼帶對(duì)頂板加強(qiáng)支護(hù)的方式進(jìn)行施工。錨桿采用Ф18×2300mm無縱肋螺紋鋼式樹脂錨桿，每孔用樹脂藥卷MSZ2350兩支，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)頂板巖性情況，確定合理間排距，及時(shí)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況編制措施。采用2200×60×3.8mm型鋼帶，鋼帶平行于工作面布置。采用10#鐵絲制作的1700×5000mm 菱形網(wǎng)。

② 在頂板破碎處及溜幫嚴(yán)重的地段在面前采取打設(shè)錨索加強(qiáng)頂板支護(hù)頂板。錨索采用Ф15.2mm的低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線截制而成，長(zhǎng)度為4500mm，每條錨索梁兩條錨索線，每孔裝入樹脂藥卷MSZ2350三支。錨索梁采用礦10#槽鋼加工制作而成，梁長(zhǎng)2000mm，兩錨索孔間距為1500mm。

（3）發(fā)現(xiàn)待充填區(qū)內(nèi)頂板上的菱形網(wǎng)有破損時(shí)必須及時(shí)補(bǔ)網(wǎng)。

4 待充填區(qū)隔離施工工藝

4.1 支架與底板之間的隔離

在緊貼支架底座后部，平行工作面挖一條寬×深=200×200mm的地溝，然后把隔離布（長(zhǎng)×寬=20×5m）的一端埋入挖好地溝內(nèi)，另一端鋪設(shè)在支架頂梁與頂板之間。

4.2 支架與頂板之間的隔離

（1）頂板完整時(shí)的隔離方法：首先降下支架（支架的降落高度不大于400mm）把塑料布的一端（約500mm）鋪在支架頂梁上，然后再在塑料布上面鋪上隔離材料，最后升起支架，密封好支架與頂板之間的空隙。塑料布的另一端埋入已經(jīng)挖好的地溝內(nèi)。

（2）頂板破碎時(shí)支架不能落架時(shí)的隔離方法：首先把塑料布的一端（約500mm）纏在3m長(zhǎng)的半圓木上，然后在塑料布上面鋪上隔離材料并與半圓木固定好，防止隔離材料脫落，最后用圓木柱（高度適宜、材質(zhì)合格）托半圓木支撐在頂板上，圓木柱不少于3棵并用木楔背實(shí)。塑料布的另一端埋入已經(jīng)挖好的地溝內(nèi)。

4.3 支架與支架之間的隔離

檢查支架與支架之間是否有間隙。若相鄰支架之間有間隙，可以通過支架側(cè)護(hù)板進(jìn)行調(diào)整。若相鄰支架之間的間隙較大，打開支架側(cè)護(hù)板后仍不能滿足隔離要求，必須在相鄰支架之間塞入隔離材料后再打開側(cè)護(hù)板，并在支架尾梁后吊掛草苫，保證相鄰兩支架之間隔離嚴(yán)密。

4.4 兩端頭的隔離施工方法

（1）底板的隔離方法：在隔離位置的底板挖一條300×300mm的地溝（必須挖到實(shí)底），然后把隔離布一端埋入地槽內(nèi)，埋設(shè)塑料布的長(zhǎng)度不小于300mm。

（2）頂板的隔離方法：在打設(shè)隔離墻位置的頂板上吊掛好雙層草苫，草苫用鐵絲固定到頂板錨網(wǎng)上。在草苫下方鋪設(shè)雙層隔離布，隔離布回頭的長(zhǎng)度不小于1m，并用鐵絲固定到頂板草苫和錨網(wǎng)上，固定點(diǎn)間距不大于0.3m，固定點(diǎn)不少于兩排，保證固定點(diǎn)牢固可靠。

（3）隔離模板與煤壁之間的隔離方法：首先把隔離模板與煤壁接觸處的煤壁找平找直，然后在煤壁上吊掛不少于兩層的草苫，保證草苫與煤壁接觸嚴(yán)實(shí)，最后把模板的一端緊貼草苫擺放好，保證模板與草苫的接觸嚴(yán)實(shí)。若煤壁松軟，必須在隔離模板與煤壁結(jié)合處內(nèi)側(cè)緊貼煤壁和隔離墻垂直頂?shù)装宸胖酶叨群线m的木板或者半圓木，木板或半圓木必須用鐵絲固定在煤壁上，然后在木板或半圓木外側(cè)吊掛雙層草苫和隔離布。

（4）隔離模板與支架之間的隔離方法：首先在支架上吊掛不少于兩層的草苫，保證草苫與支架接觸嚴(yán)實(shí)，然后把模板的一端緊貼草苫擺放好，保證模板與草苫的接觸嚴(yán)實(shí)。

（5）緊貼模板打設(shè)一排單體液壓支柱擋住模板，柱距不大于200mm，單體液壓支柱底部打在連體柱鞋上，頂部打在半圓木上，且保證單體液壓支柱的初撐力不小于11.5MPa，嚴(yán)禁使用失效的單體支柱。

5 充填工藝

（1）管道注水

打水潤(rùn)濕管路階段，不用開泵，可以利用重力作用，通過水自流的方式達(dá)到對(duì)管路內(nèi)壁潤(rùn)濕的目的，一般注水時(shí)間為30min。

（2）灰漿推水

灰漿推水階段，灰漿為過渡漿體，起隔離水與矸石漿作用，防止矸石漿與水見面產(chǎn)生離析。灰漿由粉煤灰、水泥和水三種物質(zhì)配比而成，濃度設(shè)定根據(jù)粉煤灰性質(zhì)不同而有所變化，目前濃度設(shè)定為56%左右，坍落度為270mm左右，可泵時(shí)間4h，16h后膏體強(qiáng)度為0.1MPa。根據(jù)管路長(zhǎng)度，灰漿量設(shè)定為60m3。打灰漿時(shí)間為30min左右。

（3）矸石漿推灰漿

矸石漿為主打漿體，主要由煤矸石、粉煤灰、水泥和水四種物質(zhì)配比而成，目前濃度設(shè)定為72%左右，根據(jù)矸石顆粒變化情況和粉煤灰變化情況上下浮動(dòng)，使矸石漿體始終處在合適的坍落度范圍，保證其具有良好的流動(dòng)性能，而又不發(fā)生離析。矸石漿坍落度在260mm左右，可泵時(shí)間3h，16h后膏體強(qiáng)度為0.14MPa。

（4）灰漿推矸石漿

作用同（2），灰漿量設(shè)定為60m3。打灰漿時(shí)間為30min左右。

（5）水推灰漿

此階段打水目的用于清洗管路，為下一個(gè)循環(huán)充填做好準(zhǔn)備。打水要一直到管路出水較干凈為止，說明干路內(nèi)壁已清洗徹底，時(shí)間一般為50min。

（6）打風(fēng)

打風(fēng)一方面在于吹出管路內(nèi)打水階段無法沖出的碎小石子，另一方面吹出管路內(nèi)的存水，吹干管路內(nèi)壁，防止銹蝕管路，以延長(zhǎng)管路使用壽命。打風(fēng)至管路內(nèi)不再出水為止，時(shí)間約為2h。

6 充填情況

自2009年12月23日以來，2351工作面已經(jīng)充填開采完畢，充填膏體280450m3，消耗矸石105375m3，置換出原煤420280t。膏體充填整體運(yùn)行平穩(wěn)，無嚴(yán)重漏漿和堵管事故發(fā)生。充填體拉架后自穩(wěn)較好，無變形塌落現(xiàn)象，且接頂良好，有效地支護(hù)了頂板。

7 結(jié)語

（1）采用充填開采能夠提高煤炭采出率，把原來無法回采的條帶遺留煤柱回收，提高煤炭的回收率。

（2）采用充填開采提高了開采安全性，能有效控制開采過程中頂?shù)装宓姆€(wěn)定性，防止頂?shù)装逋凰乐鬼敯迕奥涫鹿省?/p>

（3）延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限，通過充填技術(shù)，可提高岱莊煤礦服務(wù)年限10年以上，為企業(yè)創(chuàng)造出更多的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）充填開采后可實(shí)現(xiàn)土地不塌陷，地面建筑物不破壞，村莊不用搬遷，同時(shí)可以消化矸石，地面不用設(shè)置矸石山場(chǎng)地，有利于環(huán)保，真正實(shí)現(xiàn)了綠色開采。