厚煤層邊角煤膏體條帶充填開采技術(shù)工藝研究

李海龍

（山西高河能源有限公司，山西 長治 047199）

充填開采[1-3]是提高礦井回采率，實(shí)現(xiàn)礦井綠色可持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)手段，不僅可以處理煤矸石，同時可以保護(hù)地下水，控制地表沉陷，從而保護(hù)地表生態(tài)環(huán)境。

1 工程概況

高河能源2012 年投產(chǎn)，主采3 號煤層。煤層頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，局部為砂巖；底板為黑色泥巖、砂質(zhì)泥巖、深灰色粉砂巖。礦井為高瓦斯礦井，煤塵具有爆炸危險(xiǎn)性，煤層不易自燃。高河能源井田范圍內(nèi)村莊、鐵路、公路密集，全礦“三下”壓煤量達(dá)3.72 億t。為提高煤炭開采率，延長礦井服務(wù)年限，該礦于2020 年初研究開發(fā)出6 m 厚煤層100 萬t/a 的膏體充填采煤成套技術(shù)裝備，目前已進(jìn)行成果應(yīng)用。但是礦井井田內(nèi)仍留設(shè)有大量邊角煤柱和區(qū)段煤柱，不能布置長壁充填工作面，需采用條帶開采進(jìn)行回收。礦井首個條帶膏體充填開采試驗(yàn)區(qū)位于礦井井底車場附近，可方便利用現(xiàn)有生產(chǎn)和充填管路系統(tǒng)，試驗(yàn)區(qū)域3 號煤層平均厚度6.6 m，埋深470 m，煤層傾角1°～4°，煤層賦存條件較好，無陷落柱及斷層構(gòu)造。

2 充填工作面布置

膏體條帶充填開采[4-6]需在試驗(yàn)區(qū)掘進(jìn)巷道和切眼，形成長壁工作面的全負(fù)壓通風(fēng)系統(tǒng)和生產(chǎn)系統(tǒng)，之后將圈定的邊角煤沿運(yùn)輸巷按照21.2 m 寬分組，每組條帶寬度5.3 m，可以布置4 個條帶，條帶高度6.6 m，采3.6 m，臥底3 m。先采出每組的第一個條帶后，進(jìn)行封堵隔離充填；第一條帶充填體凝固1 個月后，再安排每組的第二條帶開采和充填，如此往復(fù)。在試驗(yàn)區(qū)布置E1310 和E1312 兩個條帶充填面。E1310 條帶充填面為寬150～380 m、長106 m 不規(guī)則梯形區(qū)域，布置20 個條帶，可采儲量28.5 萬t；E1312 條帶充填面為寬87～203 m、長678 m 不規(guī)則區(qū)域，布置約125 個條帶，可采儲量105.7 萬t，如圖1。試驗(yàn)區(qū)內(nèi)首先開采E1310 條帶工作面，布置2 個掘進(jìn)頭，在距離E1308 工作面停采線處掘一個沉淀池巷道，用于條帶充填的洗管水外排。

圖1 工作面及內(nèi)部條帶布置圖

3 條帶開采方案

3.1 開采過程

（1）頂掘

條帶充填開采工作面沿煤層頂板掘進(jìn)，由于條帶充填開采工作面煤層整體為東北部高，西南低，因此充填管路布設(shè)在運(yùn)輸巷，如圖2（a）。條帶開采采用二步一次采全高辦法回采，第一步采用局扇通風(fēng)，掘進(jìn)設(shè)備在運(yùn)輸順槽一側(cè)開口后，然后沿頂板掘進(jìn)，與回風(fēng)順槽貫通，掘進(jìn)時同時支護(hù)頂板和兩幫。由于條帶充填開采工作面長度為200～383 m，根據(jù)高河E1302 充填面充填情況，合理的料漿配比，一個出口可在150 m 左右，可以保障整個條帶充實(shí)充滿，設(shè)計(jì)在條帶最高處均勻布設(shè)2～3 根充填管和1 根排氣管，各高處的排氣管聯(lián)通。為減少投資和便于鋪設(shè)，條帶內(nèi)的充填管和排氣管采用重量較輕的PE 管材，形成全壓通風(fēng)系統(tǒng)后，進(jìn)行拉底。

（2）拉底

頂掘完成后，進(jìn)行拉底采煤，同時支護(hù)兩幫，完成條帶一次采全高，如圖2（b）。

（3）隔離

單個條帶掘進(jìn)完成后，在掘出條帶的上下端頭處支設(shè)隔離墻，并將條帶內(nèi)充填管與布料閥連接，如圖2（c）。隔離墻可沿用現(xiàn)有綜采充填工作面端頭隔離墻支設(shè)方法，即采用單體支柱、高強(qiáng)隔離布和木板等支設(shè)隔離墻。由于條帶充填的隔離墻寬度大于綜采充填工作面端頭隔離墻，如沿用原隔離墻支設(shè)方法有困難，可采用單體支柱和柔模支設(shè)隔離墻，利用柔模和單體支柱支撐漿體壓力，取消木板。膏體充填條帶隔離墻設(shè)置如圖3。

（4）充填

隔離完成后，將該條帶充填滿膏體，以排氣管出口出漿作為充填管出口接頂標(biāo)志，完成本條帶采充工作，如圖2（d）。

圖2 條帶充填開采過程

圖3 膏體充填條帶隔離墻設(shè)置圖

3.2 充填開采系統(tǒng)

（1）主、輔運(yùn)輸

采用掘進(jìn)機(jī)截割煤，工作面采用刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤，運(yùn)輸順槽采用可伸縮膠帶運(yùn)輸機(jī)。工作面所需材料、設(shè)備輔助運(yùn)輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)以無軌膠輪車為主，其他運(yùn)輸方式輔助。

（2）通風(fēng)系統(tǒng)

E1310 條帶充填工作面兩個掘進(jìn)條帶采用局部通風(fēng)機(jī)通風(fēng)，當(dāng)掘通后采用全負(fù)壓通風(fēng)方式。

（3）充填管路系統(tǒng)

條帶充填開采工作面首充區(qū)充分利用現(xiàn)有的E1302 充填工作面充填管路，僅需從現(xiàn)有充填主管路井下速凝劑泵站附近巷道交叉口增加一個切換閥，切換閥一路連接現(xiàn)有充填管路，切換閥另一路通過連巷到+450 m 水平東翼膠帶大巷和E1308 輔運(yùn)順槽進(jìn)入條帶首充區(qū)。由于條帶首充區(qū)充填管路短，為實(shí)現(xiàn)滿管流以保證管路安全，增加管道阻力，切換閥出口經(jīng)3 個Φ325 mm×27 mm-90°彎頭后，在進(jìn)入首采區(qū)附近接1 個Φ325 mm 調(diào)節(jié)閥和1 個Φ325 mm 截止閥，再接Φ325 mm～Φ219 mm 變徑管，從變徑管至條帶首充區(qū)充填管路均為Φ219 mm×10 mm。另外，為方便各個條帶充填，在合適位置每隔20 m 布置2～3 個布料閥服務(wù)本區(qū)域4～5個條帶充填區(qū)，并在沉淀池條帶位置布置一個布料閥。首采區(qū)充填管路開始布置管路長度1750 m，其中井下長1200 m，最遠(yuǎn)布置長度2700 m，其中井下長2150 m。如圖4。

圖4 首采條帶管路布置圖

4 效益

膏體條帶充填開采工作面掘進(jìn)、運(yùn)輸、充填泵站等采用礦井現(xiàn)有設(shè)備，主要新增成本為掘進(jìn)巷道成本、充填電費(fèi)、充填站運(yùn)行成本等。根據(jù)目前礦井巷道掘進(jìn)成本和預(yù)估充填站運(yùn)行成本，合計(jì)膏體條帶充填開采綜合成本約為340 元/t；可節(jié)約矸石處理費(fèi)、資源稅費(fèi)優(yōu)惠等共計(jì)67 元/t，合計(jì)膏體條帶充填開采噸煤成本為273 元/t，經(jīng)濟(jì)效益顯著；同時可提高礦井資源回收率，降低固體廢棄物的污染，可實(shí)現(xiàn)礦井綠色可持續(xù)開采，社會效益明顯。

5 結(jié)語

在分析高河能源礦井開采系統(tǒng)和工作面布置的基礎(chǔ)上，通過合理布置邊角煤膏體條帶充填開采工作面，充分利用現(xiàn)有膏體充填開采設(shè)備系統(tǒng)，提高了礦井資源開采率，提升了礦井經(jīng)濟(jì)效益，延長礦井服務(wù)年限，實(shí)現(xiàn)了高河能源煤矸石等固體廢物利用，豐富了高河能源充填開采技術(shù)體系內(nèi)容。