前灣礦膏體材料連采連充技術研究與應用

馬云龍

（山西鄉寧焦煤集團臺頭前灣煤業有限公司，山西 鄉寧 042100）

近年來，隨著煤礦開采強度的增大，礦井可采儲量逐漸減小，以矸石固體、膏體和超高水三種不同材料為代表的綜合機械化充填開采技術為最大限度采出壓覆煤炭資源開辟了一條新的途徑。但綜合機械化充填開采存在初期投資大、充填成本高的問題，限制了其大面積的推廣應用[1-3]。為此，結合山西鄉寧集團前灣煤業的實際情況，開展了連采連充技術的研究。

1 工程概況

前灣煤業主采煤層為2 號煤，煤層傾角3°～8°，平均傾角5°。煤層賦存穩定，全區可采。煤層結構簡單，含0～2 層夾矸。煤層頂底板如圖1。

圖1 2 號煤頂底板巖性

2 號煤層為優質主焦煤，為提高資源的回收率，對工業廣場下的2 號煤資源進行回收。該區域地面標高+1333～ +1397 m，井下標高+1163～ +1189 m，平均埋深190 m。

2 連采連充系統布置

2.1 掘充接替

在工業廣場保護煤柱中劃定500 m×100 m 的區域進行工業性試驗，如圖2。按工作面布置的方式開掘工作面上下巷和開切眼。工作面采用間隔跳采，全部回收的方式。在區域中部開掘一條支巷，將區段劃分為兩部分，在兩側分別掘進副巷出煤充填。

圖2 連采連充系統布置

（1）掘進出煤

為降低設備投入，副巷出煤采用煤礦現有的EBZ160 懸臂式掘進機，后期試驗成功之后可以采用效率更高的連采機。巷道的規格為5.0 m×3.0 m，巷道之間留設5.0 m 的煤柱。為方便掘進機出入，副巷與支巷之間的夾角為50°。一條副巷掘進完成后，工作面呈現“采空區-煤柱-采空區”的形式。

（2）充填

副巷掘進完成后，在頂板吊掛充填管路，對巷道進行臨時封閉，滯后兩個副巷進行充填。充填完成后，工作面呈現“充填體-煤柱-充填體”的形式。

（3）煤柱回收

待充填體穩定后，將煤柱回收。煤體全部為充填體。

2.2 副巷支護

采用全斷面一次成巷方法，按地測部劃定的中線施工，沿2號煤層底板掘進，掘進與支護順序作業。正常順槽巷道掘進時，錨桿間排距為800 mm×800 mm，考慮到后期充填，頂板下沉預計較小，可適當降低錨桿索的支護密度。

頂錨桿為Ф20 mm×2000 mm 的高強螺紋鋼錨桿，排距為1000 mm，間距如圖3 所示。每排錨桿用W 鋼帶連接，鋼帶規格4800 mm×100 mm×5 mm（長×寬×厚）。

頂錨索為Ф15.2 mm×6000 mm 的鋼絞線，呈五花布置，排距為1000 mm，同排的兩根錨索間距為2000 mm，分別向巷道兩幫傾斜20°，如圖3。

圖3 副巷支護設計

巷道兩幫采用Φ18 mm×2000 mm 的玻璃鋼錨桿，配一卷Z2360 樹脂錨固劑錨固，每排三根，間排距為1100 mm×1000 mm。

3 連采連充工藝設計

3.1 充填體強度的確定

根據威爾遜提出兩區約束理論計算所需的充填體強度，受邊緣效應的影響，充填體承受載荷如圖4[4-5]。

圖4 充填體受載示意圖

根據三角形相似計算可得，充填體所需強度計算公式如下：

式中：σp為充填體強度，MPa；γ為上覆巖層的平均容重，MN/m3；h為工作面頂板的垮落高度，m；a為充填體寬度，m；b為煤柱寬度，m。

代入計算可得，充填體所需強度為2.78 MPa。

3.2 充填材料的選擇

當前常用的充填材料有矸石固體、超高水和膏體三種，與之對應的三種充填方式在不同的地質條件下應用，取得了理想的控制效果。不同材料的優缺點見表1。

表1 不同充填材料的對比

前灣礦充填的目的是在保證地面建筑物不損壞的情況下回收煤炭資源，對凝結速度的要求較低，對材料后期強度要求較高。根據計算，充填體所需的強度為2.78 MPa，該強度的超高水材料成本超過300 元/m3，經濟性差，而矸石固體充填無法滿足強度要求，為此選用膏體作為充填材料。

3.3 膏體材料配比

制備膏體的膠結材料為425 硅酸鹽水泥，粉煤灰取自附近的電廠，矸石為地面矸石山堆積的矸石。矸石需要進行破碎，最大粒度小于20 mm，且小于5 mm顆粒所占比例不低于30%。在實驗室進行試驗，最終確定的材料配比及結果見表2。

表2 膏體材料配比及不同齡期強度

3.4 充填工藝

膏體材料連采連充的工藝流程如圖5。

圖5 膏體制備及充填工藝流程

在地面設膏體充填站，進行膏體材料的制備。地面矸石山的矸石破碎至設計粒徑后，按照一定的級配與粉煤灰、水泥加水混合后攪拌制成膏體。利用充填泵將膏體輸送至井下副巷，膏體材料全程采用管路輸送。將管路出漿口吊掛到頂板上，在待充填的副巷端口設置擋墻，漿液在巷道內自流。每條副巷分三次充填至接頂，每次充填間隔時間不小于24 h。

4 連采連充效果分析

該區域共計采出煤炭資源18.2 萬t，矸石消耗量為15 萬t，消耗粉煤灰6 萬t，平均充填率為94%。

前灣礦第一次采用連采連充，為檢驗充填效果，對充填體受力和地面沉降進行了觀測。

4.1 充填體穩定性監測

充填過程中在充填體中安設多組應力計和位移傳感器。監測表明，充填結束后，充填體受力緩慢增加，分析是由于巷道支護的作用，頂板巖層未破斷，緩慢彎曲下沉，上覆巖層的重力逐漸施加到充填體上。35 d 之后，充填體受力穩定在2.9 MPa 左右，與計算結果相近，低于膏體材料的終凝強度，充填體控制了頂板的變形，頂板未出現下沉，與多點位移計的觀測結果一致。

4.2 地面沉降觀測

在地面工業廣場區域設置了兩條測線，布置測點36 個，埋設多個基樁，對地面沉降進行觀測。最大下沉值出現在支巷中間靠近集中運料巷32 m的位置，最大沉降值不超過10 mm，下沉系數小，地面工業廣場的廠房沒有出現裂縫等，變形在I 級以內。

4.3 效益分析

（1）經濟效益

經測算，巷道掘進成本為2230 元/m，合噸煤成本114 元/t，由于膏體材料充填噸煤增加成本約78 元/t。而2 號煤為焦煤，噸煤售價約為420 元，合計噸煤利潤為228 元。僅該區段的煤炭資源回收可創收4000 萬元。

（2）社會效益

充填消耗了地面堆積的矸石，減少了對環境的污染，同時該方式實現了地面建筑的保護性開采。采用該方式對工業廣場或風井保護煤柱進行資源回收，可延長礦井的服務年限，具有顯著的社會效益。

5 結論

（1）前灣礦連采連充中所需的充填體強度不應小于2.78 MPa，膏體材料成本低，后期強度高，適用于連采連充。

（2）以前灣礦矸石山矸石為骨料破碎后制成膏體，28 d 單軸抗壓強度可達3.92 MPa，能夠滿足生產要求。

（3）現場觀測表明，充填35 d 后充填體受力保持在2.9 MPa，頂板基本穩定，最大下沉量為10 mm，地面建筑物變形在I 級以內。

（4）前灣煤礦膏體充填連采連充技術消耗了大量的地面矸石，解放了優質煤炭資源，噸煤成本低，經濟和社會效益顯著，對解決“三下一上”壓煤具有一定的指導意義。