高河能源E1302 工作面分層充填開采技術分析

李 春

（山西高河能源有限公司，山西 長治 046000）

我國煤礦“三下”壓煤量大，且井工開采地表沉陷嚴重，礦區生態環境遭到嚴重破壞[1-2]。采用充填開采不僅可以提高資源回收率，而且可以減少地表沉陷、解決煤矸石等固體廢棄物的排放，改善礦區生態環境[3-4]。開展充填開采是實現礦井綠色開采的重要途徑之一[5]。

1 工程概況

高河能源E1302 充填面位于村莊保護煤柱內，面長230 m，推進長度430 m；回采3 號煤層，煤厚6.2～7.5 m，煤層平均厚度6.38 m；工作面內煤層傾角為3°～15°，平均傾角8°。3 號煤層頂底板巖性特征見表1。E1302 充填面及其E1302 綜放采煤范圍內，地面標高為+910.42～+922.243 m，3 號煤層底板標高+474.42～+529.749 m，煤層埋藏深度408.29～437.6 m。探測顯示E1302 充填面未發現陷落柱和斷層，經抽采后該工作面瓦斯含量為6.171 6 m3/t，煤塵具有爆炸性，無煤與瓦斯突出危險性，屬不易自燃煤層。

表1 煤層頂底板特征

2 分層充填開采方案設計

2.1 開采順序選擇

E1302 充填工作面所采3 號煤層平均厚6.38 m，分為2 個分層，選擇下行式開采，先采頂分層，后采底分層。E1302 工作面已有4 條回采巷道系統，可為頂分層開采服務，回采過程中兩端回采巷道沿空留巷保留下來，為底分層回采服務。

2.2 巷道布置

E1302 頂、底分層充填面均可利用現有的E1302綜放工作面沿煤層底板掘進的四條回采巷道，重點考慮開切眼巷道布置。見圖1所示。

（1）E1302 頂分層充填工作面開切眼離E1302 第2 停采線20 m，沿煤層底板掘進，推進長度430 m。E1302 頂分層充填工作面其開切眼處于底分層位置，從開切眼回采開始，逐漸抬升，通過30 m 左右過渡段逐漸過渡到頂分層正常生產層位，平均抬升坡度控制在5°～6°左右。工作面兩端頭也需由煤層底板巷道逐漸抬升過渡到頂分層正常層位，該抬升傾角同樣控制在5°～6°左右，抬升過渡段為30 m左右。

（2）E1302 底分層充填面開切眼在E1302 頂分層面中部過渡到正常層位后沿煤層底板掘進，其位于頂分層開切眼向外30 m 位置，停采線早停5 m，底分層充填面推進長度395 m。在頂分層開切眼兩端各掘1 條聯絡巷，使工作面每側的2 條回采巷道在開切眼附近相互連通，以便安裝設備。

圖1 工作面巷道布置

2.3 隔離充填工藝

E1302 分層充填工作面采煤工藝與普通綜采工作面一致，其采煤、隔離與充填工藝之間的配合關系是充填開采的需關注的重點。

（1）采煤與隔離準備關系

采煤班開始前，工作面支架隔離板處于隔離狀態，其內的充填體需凝固達到脫模條件，支架具備采煤前移條件；割完1 刀煤后，支架前伸縮梁伸出及時支護頂板，此時同步完成布料管與工作面主管分離，方便工作面主管隨支架前移過程中向前移動；同時將隔離板收縮到最終狀態（與頂底板都均不接觸），頂底柔性條在固定繩的拉力作用下，恢復到與底座和基本后梁初始關系位置；第一次移架完成后，支架后部有1 個截深（0.8 m）的新待充填區產生，后伸縮梁處于伸出狀態，待充填區頂板有支護，可安排回撤隔離布；割完第2 刀煤，支架第二次移架完成后，支架處于新的充填前的最終位置，可以掛隔離布，然后可以做底隔離；采煤班結束時，全工作面支架都前移到位，隔離布全部掛好，完成板底隔離，見圖2。

圖2 充填工作面采煤板與隔離準備關系

（2）充填班隔離準備

充填班開始時工作面隔離布已經全部掛好，板底隔離已經完成；頂隔離完成后，先伸隔離板，完成頂隔離；同時可進行漿推水工作，完成后開始充填作業；充填班正常充填時，工作面保留必要的人員操作切換布料閥，其他人巡檢充填管路和清理管道沖洗水沉淀池；充填班結束時，膏體已經充滿采空區，但尚未凝固，隔離板必須繼續保持隔離狀態，直到達到脫模條件，在等待充填區膏體凝固時實施水推漿、壓氣推水，沖洗充填管路。

（3）勞動組織

充填工作面采用“四六”工作制度，實行“采煤—充填（凝固/ 檢修）”交替進行的作業方式，循環圖表見圖3，其中：

采煤班以采煤機割煤為主線，移架的同時需完成掛隔離布和底隔離工作，并作好工作面布料管、混合器等拆洗和重新安裝工作，待充填管路重新連接好以后，進行管道充水，為充填班作好準備。充填作業時，工作面見矸石漿以后從充填開始階段進入正常充填階段。充填結束階段是灰漿推矸石漿，水推灰漿過程，通過對待充填區容積自動探測，計算機自動校對充填量，在水推灰漿中灰漿幾乎全部進入待充填區時達到充滿條件，盡量減少多余料漿量。最后工序是壓風吹管。

圖3 充填工作面作業循環圖表

3 充填材料及系統

3.1 充填材料

高河能源每年矸石排放量約為1.32～1.65 Mt，矸石量充足。因此，利用煤矸石、粉煤灰作為主要充填材料，添加膠結料和水配制成膏狀漿體，利用充填泵通過管路輸送的井下采空區進行充填。其充填系統由地面充填站、管道輸送系統及充填工作面三部分構成。

3.2 充填工藝系統

（1）地面充填站

地面充填站的主要作用是將煤矸石、粉煤灰、膠結料、水加工配制成膏體并泵送到管路中，主要包括集中控制中心，動篩車間、篩分破碎車間、充填車間構成。集中控制中心可實現充填開采的自動化控制，包含井下分系統和地面分系統，井下分系統控制著支架、管路壓力監測、充填區體積監測、管路閘閥開啟、速凝劑泵啟停；地面分系統控制著各車間設備啟停，材料稱量配制等。動篩車間主要作用是實現原煤“煤、矸”分離，矸石塊送至矸倉，之后進入篩分破碎車間加工成末矸；最后在充填車間將充填材料配制成膏體并泵送的充填管路。

（2）管路輸送

管路輸送系統由地面水平管路、垂直鉆孔管路、井下水平干線管路、工作面管路和回水管路五部分構成。其管路布置為：由地面充填站開始，布置130 m 的水平管路到充填鉆孔； 再通過440 m 的充填鉆孔到+450 m 水平東翼進風大巷；之后布置1 600 m的井下水平輸送管路，通過充填工作面順槽到充填工作面，該工作面管路長230 m；總管路長2 400 m。充填干線管路使用Φ325×27 高壓耐磨無縫鋼管，工作面充填管路和回水管路采用Φ219×10 高壓耐磨無縫鋼管。

（3）充填工作面

每個循環根據頂板情況割2 刀或者3 刀煤，之后進行隔離作業，支架移架到位后往支架后鋪“高強柔性網+ 塑料布”；隔離完成進行充填，地面充填站開始配制膏體，井下充填工作面開啟工作面布料管，按照“壓風吹管→打水→打灰漿→打矸石漿膏體→打灰漿→打水→壓風吹管”模式將膏體充入待充填區。

4 應用分析

高河能源膏體充填開采于2018年3月開始施工建設，2020年1月初，地面充填站、充填管路及井下E1302 充填工作面全部安裝及空載調試到位；1月中旬開展了第一次井上下聯合帶料調試，4月初開始試生產。截至6月底，累計充填43 個循環。累計采煤108 刀，回采86.4 m，回采產量0.097 Mt；累計充填86.4 m，充填量6.71 萬m3，消耗矸石量0.080 6 Mt。

在第一階段的生產過程中，通過調整充填支架主進主回配液盤和后部操作閥組布置，使移架過程中充填管有足夠活動寬度，實現一刀一次移架到位，采煤效率提高了1 倍；并采用雙網維護頂板，降低了頂板維護時間，同時將2 刀一個充填步距提高到3 刀一個步距，效率提高50%；通過改進隔離充填工藝，實現了單次大規模充填，單次充填量達到1 850 m3。

5 結語

采用充填開采技術后，不僅能夠提高回采率，延長高河能源服務年限，而且可以處理礦井產生的煤矸石，實現礦井綠色開采。通過E1302 工作面前期的分層充填開采實踐，解決了充填工作面采煤和充填效率低的問題，采煤效率提高1 倍；同時實現了單次大規模充填，單次充填量達到1 850 m3。為高河能源后續開展充填技術積累了寶貴經驗，也為礦井實現綠色開采奠定了基礎。