紫晟煤業“三下”壓煤工作面充填開采方案研究

胡智平

（霍州煤電集團紫晟煤業有限責任公司，山西 霍州031400）

0 引言

我國存在大量的“三下”壓煤資源約58億t，截止目前開采出的壓煤資源僅占壓煤總量4%，主要有搬遷、條帶充填、膏體充填等幾種開采方式。目前開采“三下”壓煤的方式，超過一半的煤層采用搬遷村莊的方式，這種方式一方面土地征用困難、手續復雜，另一方面給煤礦企業帶來了沉重的經濟負擔。因此，如何安全高效的開采“三下”壓煤，提高煤炭資源采出率，減小采礦業對自然及社會環境的影響和破壞，實現煤炭資源的綠色開采是目前的重要課題；而充填開采作為綠色開采方式，能有效的控制上覆巖層移動和地表沉陷，解決“三下”壓煤開采問題[1-4]。

1 工程概況

1.1 工程概況

紫晟煤業隸屬于霍州煤電集團，位于霍州市辛置鎮西南約2 km處北益昌村一帶，礦井瓦斯絕對涌出量1.93 m3/min，相對涌出量1.26 m3/t，瓦斯等級鑒定為低瓦斯礦井。礦井采用斜井-立井聯合開拓，礦井目前在2號煤層布置1個綜采工作面和2個綜掘工作面，工作面采用走向長壁采煤方法、采煤工藝為綜采一次采全高，頂板管理方法為全部垮落法。

2號煤層直接頂以粉砂巖、砂質泥巖為主，局部為細砂巖、中砂巖及泥巖，平均厚度4.29 m，底板以泥巖為主，其次為砂質泥巖及粉砂巖，平均厚度2.49 m。該礦多年采掘生產中，2號煤層頂、底板較穩定，截止2018年底，2號煤層資源儲量為2265萬t，“三下”壓煤量達715.1萬t，占礦井資源儲量的31.6%。煤層可作為很好的煉焦用煤。2號煤賦存穩定、煤層厚、煤質好、儲量豐富，井田具有良好的資源條件。因此，如何解決“三下”壓煤的安全開采是紫晟煤業目前面臨的急迫問題。

1.2 設計區域地質概況

根據紫晟煤業回采工作面的地表移動變形實測結果分析得出，大面積全部垮落法開采后區域地表下沉嚴重，地表下沉平均值約2 061 mm。地表沉陷不但給居民生產生活帶來較大影響，同時也給企業造成大量的資金投入，嚴重影響著煤礦的安全生產和可持續發展。

設計區域地面位于南東村以南，汾河、南同蒲鐵路以西，山西橡膠廠以北，辛置煤礦以東，設計區域面積約1.65 km2。井下位于工業廣場保護煤柱南側，西至回風大巷，南至一采區回風上山，東至F1斷層，北部、南部均為未采實區。井下標高+107～+197 m，埋深390～503 m。設計區域南部幾乎被北益昌村壓覆，開采將對地表建（構）筑物有一定的影響。充填開采技術能夠解決紫晟煤業2號煤層建筑物下壓煤開采的問題，確保地面村莊及建筑物的安全。解決村莊下壓煤安全開采難題、解放安全保護煤柱、最大限度地回收了礦產資源、保護地下與地表環境、提高安全開采保障程度等，實施充填開采具有重大現實意義。

2 壓煤開采方案的比選

目前的方案主要有：①搬遷開采；②條帶開采；③綜采固體充填開采；④長壁膏體充填開采。針對以上4種開采方案，搬遷開采費用很高及實施起來較為困難，周期長；條帶開采掘進率高、回采率低、工作面設備搬家次數多。相比較后2種開采方法較為合適，下面對后2種方法進一步對比分析，見表1。

表1 技術對比表

通過比較分析可知，矸石固體充填雖然費用較低，但是矸石直接充填密實度較低，控制地面沉陷效果較差；而膏體充填密實度較高，充填材料費用便宜，且能夠靈活調節充填體強度，對地面沉陷控制較好，可以適應各種開采條件。因此，膏體充填開采更為合適。

針對膏體充填提出2種方案：一是綜合機械化膏體泵送充填；二是短壁膏體短壁膏體連采連充充填。綜合機械化膏體泵送充填機械化程度高，出煤量大，同時對地面沉陷效果較好；但該技術設備投資較大，且對煤層地質條件適應性較差，且礦井現有支架為綜采液壓支架，新購置一套充填液壓支架資金投入較大。相比之下，短壁膏體短壁膏體連采連充充實率、充填效果及對地表下沉控制都要好于綜合機械化膏體泵送充填，對地質條件要求較低，且投資相對要少。綜上所述，紫晟煤業推薦采用短壁膏體短壁膏體連采連充技術。

3 充填工作面方案設計

3.1 工作面設計

設計區域為一采區，支巷設計長度120 m、寬5 m，共布置8個工作面接替順序為102、104、106、108、110、112、114、116，均采用短壁矸石膏體短壁膏體連采連充開采，工作面布置如圖1所示。

圖1 一采區短壁膏體連采連充工作面布置圖

結合礦井地質及掘進現場實際情況，減少連采機的拐彎次數，盡量增加支巷的長度，保證連采機后部連續運輸系統有一定的長度，增加掘進效率，確定工作面長度120 m。根據工作面巖層柱狀圖厚度、各巖層巖性（容重、彈性模量、單軸抗壓強度等指標），同時考慮到采煤現場的施工因素，采掘一體機的割煤范圍，綜合確定一個開采單元寬度10 m，其中支巷寬5 m，煤柱寬5 m。

3.2 工作面回采工藝

一采區2號煤層工作面設計支巷長度為120 m，支巷寬度5 m，工作面回采采用跳采間隔充填的方式，如圖2所示。支巷平行布置，靠近順槽的第一個支巷設置保護煤柱，5 m寬，支巷由內向外編號為1、3、5…，支巷之間煤柱寬5 m，煤柱由內向外編號為2、4、6…，因此，先采奇數支巷充填后再采偶數支巷，直至整個工作面回采充填完畢。

圖2 短壁短壁膏體連采連充工作面示意

3.3 近水平煤層充接頂工藝

短壁膏體連采連充最大的技術問題是要保證支巷充分接頂，一般在設計過程中要充分利用煤層的傾角實現膏體自流充分接頂，煤層傾角最好控制在8°～10°，傾角太小膏體自流效果較差，傾角太大則對支巷口擋漿墻形成較大的沖擊，不利于安全生產。紫晟煤礦設計區煤層傾角3°～5°，屬于近水平煤層，為提高充填接頂效果，采用分段帶壓接頂方法，每一條支巷分成4段，每段長度30 m，膏體管道出口壓力控制在0.3～0.5 MPa，實現帶壓接頂。

4 工作面覆巖變形觀測

對工作面充填體變形監測，每隔25 m布置1個觀測點。走向觀測線和傾向觀測線的布置充分考慮了礦區周圍實際情況，使測點利于埋設和長期觀測。根據監測數據繪制圖3：

圖3 支巷6位置25、55 m處充填體變形-時間曲線

如圖3所示，支巷6充填體在25m處前六天保持穩定，而后出現2次變形量明顯增加，但變形量很小；在55m處，前23d充填體保持變形穩定，而后出現1次變形量明顯增加，且變形量很小。

如圖4所示，支巷10充填體在25m處前15d保持穩定，而后出現1次變形量明顯增加，但變形量很小；在55m處，前15天充填體保持變形穩定，而后出現1次變形量明顯增加，且變形量很小。

圖4 支巷10位置25、55 m處充填體變形-時間曲線

如圖5所示，支巷14充填體在25 m處前5 d保持穩定，而后出現1次變形量明顯增加，約30 cm左右；在55 m處，充填體保持變形穩定。

圖5 支巷14位置25、55 m處充填體變形-時間曲線

綜上所述，充填體變形量處于控制范圍內，對地表建筑物不會產生影響。

5 效益分析

針對紫晟煤業充填開采“三下”壓煤進行經濟效益分析，參考紫晟煤業2019年原煤價格750元/t，采用膏體充填法導致成本增加472.24元/t，每年多采出煤炭30萬t，充填30萬t，年實現利潤 8 332.8萬元，不但提高了煤炭采出率，而且取得了巨大的經濟效益。