高承壓工作面膏體充填開采技術(shù)應(yīng)用研究

田鏡楷

（山西西山金城建筑有限公司，山西 太原 030053）

膏體充填開采是利用水泥、煤矸石、粉煤灰、膠結(jié)料、礦井水等按一定比例制備成為似膏體充填料，從地面通過充填泵經(jīng)鉆孔和管路充填到回采工作面采空區(qū)進(jìn)行開采。該開采技術(shù)可以有效控制底板應(yīng)力變化，降低地表變形率，實(shí)現(xiàn)不遷村開采和承壓水上煤炭資源的開采，不僅適用于薄基巖提高開采上限工作面的開采，還適用于解放河堤和村莊壓煤的開采和高承壓工作面的開采。。山西西山金城建筑有限公司受斜溝礦委托，基于斜溝礦下組煤開采受太灰承壓水突出威脅的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)采用膏體充填采空區(qū)進(jìn)行開采研究[1-6]。

1 工程概況

山西西山煤電集團(tuán)斜溝礦地處河?xùn)|煤田北部遠(yuǎn)景普查區(qū)北中部，位于山西省興縣魏家灘鎮(zhèn)，井田面積約88.6 km2，煤炭總資源/儲量2 401.18 Mt，可采儲量1 578.45 Mt，主采8#、13#煤層，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力15 Mt/a。井田地質(zhì)構(gòu)造簡單，總體為近南北、傾向西的單斜構(gòu)造，傾角為9°～12°。井田內(nèi)斷層多為小斷層，傾角均較小，未發(fā)現(xiàn)大斷層。區(qū)域陷落柱不發(fā)育，現(xiàn)還未發(fā)現(xiàn)陷落柱。18105 工作面開采8#煤層， 8#煤層位于山西組下部，結(jié)構(gòu)簡單，厚度為2.23～8.34 m，平均為4.87 m，含矸二層，第一層夾矸平均厚度0.2 m，第二層夾矸厚0.3～0.55 m?；卷斨写至Ｉ皫r，厚度2.89～10.87 m，平均6.23 m，灰白色，粒狀結(jié)構(gòu)；直接頂以泥巖、粉砂巖為主，局部有泥巖或炭質(zhì)，泥巖偽頂發(fā)育，為不穩(wěn)定～中等穩(wěn)定頂板，厚度1.49～3.20 m。底板10 m 以內(nèi)為深灰色泥巖或炭質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)泥巖，強(qiáng)度極低，變異系數(shù)為6.67%。

根據(jù)斜溝礦井田內(nèi)85 號及2 個(gè)補(bǔ)充勘探的水文孔的抽水試驗(yàn)工作，補(bǔ)4 號水文孔抽水試驗(yàn)資料，石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r、砂巖含水層，本組中由L1、L2、L5 三層灰?guī)r組成，中間多隔以細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖等，間距在10 m 以內(nèi)。8 號煤層與下部太灰含水層的間距較近，那么18105 工作面底板有承壓水的存在，會形成高承壓工作面，給煤礦開采帶來安全隱患。針對這一情況，必須要對18105 高承壓工作面進(jìn)行安全開采的技術(shù)研究。

2 18105 工作面承壓開采底板突水分析

18105 工作面回采期間，底板巷道可能受多次采動影響，煤層開采過程中回采巷道圍巖應(yīng)力場會發(fā)生變化，煤巖體發(fā)生應(yīng)變破壞。從探測結(jié)果顯示，8#煤層主要受下部太灰含水層承壓水的安全威脅，18105 工作面底板距太灰含水層的高度不夠，僅僅為16.9 m，監(jiān)測數(shù)據(jù)表明煤層底板承受的最大水壓為2.4 MPa 左右，水頭壓力大，容易發(fā)生突水安全事故，對煤礦開采的危害性較大。

假定18105 工作面全部采用垮落法進(jìn)行煤炭開采時(shí)，可以采用突水系數(shù)法對18105 工作面底板太灰承壓水突水危險(xiǎn)性進(jìn)行評價(jià)。經(jīng)計(jì)算，底板太灰含水層突水系數(shù)為0.17～0.74 MPa/m，從東向西數(shù)值逐漸變大，大于0.10 MPa/m 的安全值。因此，基本可以確定18105 工作面全部采用垮落法進(jìn)行開采的話，底板突水危險(xiǎn)性大，需要調(diào)整開采方案。

3 膏體充填開采技術(shù)方案的設(shè)計(jì)

通過分析可知，18105 工作面底板太灰水含水層突水可能性較大，開采安全性非常差。針對18105 高承壓工作面采用膏體充填采空區(qū)的開采工藝，充填開采的示意圖如圖1。

圖1 18105 高承壓工作面膏體充填開采示意圖

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)采空區(qū)充填體強(qiáng)度大于1.5 MPa 時(shí)，可以有效地對采空區(qū)進(jìn)行維護(hù)。結(jié)合為了充分保證高承壓工作面的開采特點(diǎn)，確定采空區(qū)充填體后期強(qiáng)度為2.0 MPa。

3.1 充填材料及配比

充填材料主要包括膠結(jié)料和骨料，經(jīng)過試驗(yàn)和優(yōu)化最終確定的充填材料的構(gòu)成和配比為：膏體膠凝材料3%為膠結(jié)料、煤矸石50%為粗骨料、粉煤灰23%為細(xì)骨料，料漿質(zhì)量濃度為76%。充填材料優(yōu)化配比后在12 h、1 d、3 d、7 d、28 d 后抗壓強(qiáng)度分別為0.12 MPa、0.29 MPa、0.53 MPa、0.92 MPa、1.83 MPa。充填采空區(qū)的步距為2.4 m，充填采空區(qū)充填體高度為3.3 m。

3.2 充填系統(tǒng)構(gòu)成

充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)充填能力72 m3/h。膏體充填技術(shù)采用泵送充填工藝，主要設(shè)備包括雙臥軸攪拌機(jī)1臺，柱塞泵1 臺，配料機(jī)1 臺，立式料倉1 座，配套鋼結(jié)構(gòu)1 套，自動控制系統(tǒng)1 套，集中輸送帶和上料輸送帶3 條，蒸汽鍋爐1 臺。立式料倉用來存放膠凝材料。為達(dá)到膏體料漿養(yǎng)護(hù)溫度要求，冬季用蒸汽鍋爐提高攪拌水溫。

3.3 充填工藝

充填工藝分析：（1）采用設(shè)備將煤矸石進(jìn)行破碎備用；（2）將破碎矸石、粉煤灰、膠結(jié)料和水等物料按優(yōu)化好的比例制備成似膏體漿液；（3）采用充填泵及相應(yīng)管道把膏體漿液輸送至充填工作面；（4）充填施工并檢查充填情況，是否需要補(bǔ)充充填。整個(gè)充填工藝施工過程中都是采用集中系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)連續(xù)的自動化控制。

4 應(yīng)用效果

采用鉆孔注水法來檢測18105 高承壓工作面采用膏體充填開采的效果。在18105 運(yùn)輸順槽距離停采線80 m 處位置布置2 個(gè)測站，每個(gè)測站布置4 個(gè)注水孔，孔間距2.0 m。注水壓力0.11～0.16 MPa，壓水時(shí)間20 min 左右，每隔5 min 對鉆孔注水量進(jìn)行一次記錄。從監(jiān)測數(shù)據(jù)可知，18105 高承壓工作面采用膏體充填開采時(shí)，對底板的破壞深度約為6 m，在監(jiān)測期間工作面未出現(xiàn)涌水異常情況。膏體充填開采的效果較為理想，有效地保障了18105 高承壓工作面的安全高效開采。

5 結(jié)論

斜溝礦18105 高承壓工作面底板太灰承壓水經(jīng)理論分析和計(jì)算得知，全部采用垮落法進(jìn)行開采的話，底板存在非常大的突水危險(xiǎn)性，針對這一情況設(shè)計(jì)采用采空區(qū)膏體充填進(jìn)行開采。在應(yīng)用實(shí)踐過程當(dāng)中，采用鉆孔注水法檢測結(jié)果表明：18105 高承壓工作面采用充填開采后底板破壞深度約為6 m，未出現(xiàn)異常涌水現(xiàn)象，充填效果較為理想，證明該技術(shù)的工業(yè)性試驗(yàn)是成功的。