厚煤層短壁分層跳采矸石膠結充填技術應用研究

文/葛金福 左文強

相關統計表明，我國建（構）筑物下壓煤炭多達94.68億t，充填采煤不僅是提高煤炭資源回收率和安全生產的一項重要舉措，也是解決矸石污染及處理城市固體垃圾的一個新方法。目前我國部分礦井通過矸石、膏體、似膏體、高水、超高水、城市垃圾等材料成功實施充填開采，最大限度“置換”壓煤的同時有效控制了地表沉陷。內蒙古裕興煤礦因棋盤井生態園壓覆所采16號煤，故提出厚煤層短壁分層跳采矸石膠結充填綠色采煤法，實現了采充作業平行、工程造價低、現場施工高效、地表沉陷控制良好等效果，為類似建（構）筑物壓煤條件開采提供了有益參考。

一、工程概況

裕興煤礦11601充填面主采16號煤，工作面傾斜長約80m，煤厚約6m，煤層傾角平均8°，埋深約291m，普氏系數f=2.4，該煤層結構簡單，無地質構造且夾矸較少；直接頂為2m厚的細粒砂巖，基本頂為6.22m厚泥砂巖互層，直接底為2.5m厚的炭質頁巖，其下部為2m厚的細粉砂巖。

16號煤南部資源均壓覆在棋盤井生態園之下，總壓煤量達10Mt，在不影響正常開采部署、提高“三下”壓煤資源采出率的同時，如何有效保護地表建（構）筑物是裕興煤礦亟待解決的問題。

二、11601工作面設計

1. 11601工作面支巷寬度合理計算

通過實驗對A.H.Wilson煤柱兩區約束理論經驗公式作進一步完善，得出煤柱處于三向應力時可承受的極限覆巖重力為：

式中：σs為煤柱承受的極限覆巖重力，MPa；c為粘聚力，MPa；φ為內摩擦角，°；λ為側向壓力及應力集中系數，取0.6；γ為覆巖平均容重，kN/m3；L為工作面長度，m；H為采深，m；a為煤柱留設寬度，m；M為煤層采厚，m。

11601工作面上分層初次短壁跳采后呈現留-采間隔布局，此時留設煤柱承擔上方所有覆巖重力。考慮到開采范圍較小及煤柱對頂板的夾持，直接頂不會冒落，故留設煤柱實際承受的覆巖重力為：

式中：σp為煤柱承受的實際覆巖重力，MPa；γ為上覆巖層平均容重，kN/m3；L為工作面長度，m；H為采深，m；a為煤柱開采寬度，m；b為煤柱留設寬度，m。

考慮到EBH200懸臂式掘進機最大截割寬度為5.5m，為方便工作面施工，保證設備靈活運行，確定煤柱留設寬度與開采寬度均為5m。

2. 11601工作面布置

結合長壁工作面的通風管理和短壁工作面采掘一體的特點，設計了全負壓連采連充工作面。工作面巷道布置為一進一回，主巷、切眼形成工作面時采用全負壓通風。運輸平巷與16煤集中運輸上山相連進風，回風平巷通過車場與16煤回風上山相連回風，支巷回采時采用局部供風機進行通風，支巷臥底時采用全負壓通風，支巷充填時采用局部通風機供風。保證工作面具有兩個安全出口。

工作面走向長度232m，支巷長度80m，支巷寬度5m，高度6m。支巷分兩次回采，第一次回采上分層3.5m，第二次采用臥底的方式回采下分層2.5m，相鄰支巷之間留設5m的煤柱。工作面的上、下平巷和聯巷巷道寬度為5m，巷道高度為3.5m，回采上分層時采用玻璃鋼單體支柱和木板坯做臨時支護，實現掘支平行作業。

回采支巷采用EBZ-160綜掘機自行裝煤，通過刮板輸送機（開門點拐彎選用防爆轉載機運煤）與布置在運輸平巷中的運煤膠帶機搭接，最后與運輸上山搭接構成運煤系統。回風上山與回風平巷布置運矸膠帶機和輸漿管路，矸石和漿料在充填支巷的上口充分混合，通過高壓漿料直沖法或耙裝機耙裝推入采空區進行充填作業，充填時采取自上而下的方式充填，形成充填系統。兩套系統互不影響，分工明確，提高了運煤和充填的工作效率，實現采充平行作業。

3. 11601工作面采充順序

支巷回采采用跳躍后退開采方式，分上下分層兩次回采。自開切眼起劃分多個5m寬的條帶支巷并依次編號，先開采上分層奇數支巷，開采后續奇數支巷的同時對已采支巷進行充填作業直到奇數號支巷全部完成充填；待奇數號支巷充填體穩定后開采上分層遺留偶數號支巷，同樣在開采剩余偶數號支巷的同時充填已采偶數支巷。下分層采充順序同上分層。

三、膏體連采連充工藝系統

裕興煤礦井底煤矸分離系統及地面洗煤廠每年產生矸石約20萬t，同時棋盤井附近存在大量的粉煤灰和砂石資源，為求效益最大化，充填方式確定應用比較簡單的機械輸送方式，采用皮帶機運輸矸石，地面制漿站制漿（水泥粉煤灰漿）。在順槽和支巷交叉口設置攪拌槽，在下巷設置擋漿板，洗煤廠矸石經地面鉆孔和煤矸分離矸石混合與地面制漿站產生的水泥粉煤灰漿在順槽和支巷三岔門口專門混合池混合，攪拌后矸石漿通過高壓漿料直沖法或耙裝機充填支巷。矸石膠結充填系統流程如圖1所示。

圖1 矸石膠結充填系統流程示意圖

1. 料漿制備系統

膏體料漿制備配比：普通42.5#水泥25%、粉煤灰25%、水50%，料漿濃度控制在50%左右，比重控制在1.25～1.35，設計28d充填體強度不小于2MPa。

料漿制備站制漿能力60m3/h，采取地面制漿方式，通過管道輸送，主要包括地面制備站、鉆孔工程、井下充填管路等。為了便于集中管理、減少設備和運輸環節，合理利用現有場地，達到降低費用的目的，將地面設施和設備集中布置，建成集中的地面充填站，即將集料場、料倉、微機配比系統、攪拌系統（泵送系統）、監測系統等集中布置，將水泥、粉煤灰、膠結料配比、攪拌后利用靜壓（或充填泵加壓）通過充填管路輸送至充填工作面，利用2.5～3.0Mpa高壓漿料與現場矸石充分攪拌混合，采用高壓直沖法或耙礦機充填巷道，充填用水泥、粉煤灰由自卸汽車運至充填站儲料灌。

2.矸石輸送系統

（1）地面洗選矸石輸送流程：地面洗選矸石→專用溜矸孔（直徑500mm，垂深240m）→矸石緩沖倉(500m3的平巷矸石緩沖倉)→倉下膠帶輸送機→矸石運輸下山膠帶機→順槽膠帶輸送機→待充巷道混合漿體攪拌→充填支巷，通過高壓漿料直沖法或耙裝機耙裝推入采空區進行充填作業。

（2）井下煤矸分離系統主要產生粒徑大于15mm的矸石顆粒，煤矸分離系統矸石輸送流程：分選矸石→矸石緩沖倉→矸石運輸下山皮帶機→矸石運輸2#皮帶→矸石運輸下山皮帶→待充巷道混合漿體攪拌→充填支巷。

四、充填體應力-變形監測與分析

膏體連采連充技術作為一種新的采煤方法，雖然在采空區進行實物充填，接頂效果較好，但上覆巖層仍會隨著煤層的采出及充填體的緩慢壓實變形而受到影響，從而產生礦壓顯現及地表緩慢變形。因此，在充填開采的同時需要對頂板活動規律進行觀測和分析。故在支巷12、20、28的25m和55m分別布置應力和位移傳感器。

1. 充填體應力監測

充填體應力監測從2015年7月3日到8月30日，監測共接近2個月時間。據充填體應力變化與時間關系曲線可知，支巷12位置25、55m處壓力傳感器應力值未發生變化，保持初始值狀態，這是由于頂板應力變化不足以引起壓力計監測精度（力大于0.1Mpa時，壓力值開始變化）的變化，說明巷道頂板保持穩定。支巷20位置25m處壓力傳感器率先出現應力升高現象，持續時間約為7天，隨著時間推移有所降低并趨于穩定，推測頂板可能出現離層甚至下位頂板可能冒落，局部離層巖體厚度大約2m；此外支巷20位置55m處壓力始終處于初始值，說明巷道頂板基本保持穩定。支巷28位置25、55m處壓力傳感器應力值未發生變化，說明巷道頂板保持穩定。

2. 充填體變形監測

充填體變形監測從2015年7月3日到8月30日，共監測接近2個月時間。據充填體變形與時間關系曲線可知，支巷12位置25m處充填體在前6天之內基本保持穩定，隨著時間推移出現小幅度增加，但變形量增加很小；支巷12位置55m處充填體在前23天之內基本保持穩定，隨著時間推移出現小幅度增加，但變形量增加較小。支巷20位置25m處充填體在前15天之內基本保持穩定，隨著時間推移下沉量小幅度增加至1.8mm，變形量增加很小；支巷20位置55m處充填體在前15天之內基本保持穩定，隨著時間推移下沉量小幅度增加至0.9mm，但變形量增加較小。支巷28位置25mm處充填體在前5天之內基本沒有變形，后期變形出現增加，頂板下沉約30mm左右；支巷28位置55mm處充填體基本沒有變形。

五、充填開采地表移動變形分析

1. 概率積分法地表移動變形預計

膏體充填采煤前地表沉陷預計結果是評價“三下”采煤可行性的重要依據。目前預測礦山開采沉陷普遍使用的方法是概率積分法。

運用山東科技大學研發的開采沉陷預計分析軟件得到的11601充填面采后生態園下沉、傾斜、曲率變形、水平變形結果顯示，該生態園各建（構）筑物地表移動變形均處于Ⅰ級損壞范圍內，故11601工作面膏體充填開采后僅需對棋盤井生態園部分建（構）筑物進行簡單維修或不維修。

2. 地表巖移觀測與分析

為驗證預計結果，將地表移動觀測站設立于11601工作面的正上方，分別沿礦體走向和傾向主斷面垂直布設兩條觀測線并在11601充填面回采期間進行巖移觀測。據地表移動變形實測結果顯示，各地表移動變形最值相差較小，表明應用概率積分法預計得到的地表移動變形是符合實際的。

六、 結論

1.結合11601工作面地質采礦條件提出了厚煤層短壁分層跳采矸石膠結充填技術，工作面回采長為232m，設計支巷長為80m，通過A.H.Wilson煤柱兩區約束理論表明支巷合理留設寬為5m，分層連采連充。

2.現場應力監測表明充填體只有10號支巷25m處所受壓力最大，為0.2Mpa，原因可能局部偽頂掉落；位移監測表明頂板下沉最大30mm。監測表明11601充填面頂板基本穩定。

3.將膏體充填采煤“等價采高”數學模型與開采沉陷預計分析軟件相結合，預計裕興煤礦11601膏體充填面采后地表移動變形，觀測表明預計值與實測值相符，地表處于不充分采動狀態，棋盤井生態園各建（構）筑物變形控制在Ⅰ級損害范圍之內，不影響正常使用。