8318 工作面無煤柱充填采煤工藝設計及試驗

李瑞興

（晉能控股煤業集團忻州窯礦，山西 大同 037036）

忻州窯礦8318 工作面走向長度為1290 m，傾斜工作面長度為203 m，工作面煤層厚度1.5～2.3 m，平均1.76 m，煤層傾角6°～10°，平均7°。頂底板條件見表1。

表1 8318 工作面頂底板條件

1 充填材料的試驗設計

1.1 充填材料的選擇

結合目前煤礦無煤柱充填采煤工藝中常采用的充填材料的類型，并綜合考慮8318 工作面的地質條件，擬采用高水速凝材料為充填材料，該材料具有強度高、膠結性能好、支撐力大以及適應一定變形的優勢[1]。

高水速凝充填材料在實際應用中對應的輸送和混合工藝相對復雜，尤其是對漿料凝結速度的控制尤為重要，直接影響充填材料的運輸成本和最終的充填效果[2]。根據工作面實際地質條件和輸送條件確定合理的充填材料的配比十分重要。

1.2 充填材料的配比

本工程所需的高水速凝充填材料采用以硫鋁酸鹽水泥熟料為基礎原料，并在其中加入一定比例的石灰、懸浮劑、復合緩凝劑、石膏等配料后制備而成[3]。在前人研究的基礎上，可以得出不同高水速凝充填材料水灰比下，最終所得高水速凝充填材料的特性及其適用范圍見表2。

表2 不同配比高水速凝充填材料屬性及應用范圍

根據表2 不同配比下高水速凝充填材料的屬性，并結合8318 工作面地質條件，本工程采用高水速凝材料水灰比小于2:1 的充填材料[4]。綜合考慮充填材料的制備成本，初步確定采用高水速凝材料水灰比為1.5:1 的充填材料，并在實驗室中驗證上述充填材料是否適用于工作面的應用。實驗結論表明：

（1）當高水速凝材料水灰比為2:1 時，對應的充填材料的殘余強度為4.6 MPa；當高水速凝材料水灰比為1.5:1 時，對應的充填材料的殘余強度為3.7 MPa，可滿足充填強度要求。

（2）對應的高水速凝材料水灰比為1.5:1 時，對應所得充填材料的初凝時間為10 min，在12 h 內均可采用泵體進行輸送，從而解決長距離的輸送要求。

2 無煤柱充填采煤工藝的設計

2.1 充填采煤工藝

充填采煤工藝是將提前配比的充填體采用注漿泵和輸送管路運輸至工作面采空區，使得充填體與原巷共同形成一個可對工作面圍巖進行有效控制的“人工煤柱”[5]。工作面充填后的效果如圖1。

圖1 工作面充填效果示意圖

為與當前工作面綜合機械化采煤工藝的效率相匹配，實現工作面的機械化充填也勢在必行[6]。因此，本工程將采用機械化原巷充填方式取代傳統人工充填方式，達到提高充填效率和效果的目的。

（1）充填設備的選型。高水速凝充填設備選型的主要依據為其充填速度與工作面的推進速度相匹配。目前，工作面每天最大推進速度為6 m，工作面斷面的平均面積為10 m2。可以得出，工作面在一天正常推進過程中，理論所需充填材料的體積為600 m3；在“三八”工作制度下，每班所需充填材料的體積為200 m3。但是，在實際生產中，每班工作時間還包括清理設備和維護檢修的時間，按照每班實際工作時間4 h 計算，則要求充填設備每小時輸送充填材料的體積為50 m3。同時，綜合考慮充填設備80%的充填效率，則對應所需充填設備的額定輸送能力不得小于62.5 m3/h。

（2）充填管路系統設計。在充填泵的作用下，將充填材料分兩條輸送管路進行輸送[7]。為保證輸送的平穩性，所布置的輸送管路具備一定的抗壓能力，本工程采用高壓軟管進行輸送。同時，管路在安裝時，為了減少輸送過程中的阻力，應盡可能地避免彎頭、閥門等元件的使用，避免在輸送管路上形成死角。結合8318 工作面的現場條件，設計對應的輸送充填管路如圖2。

圖2 充填材料輸送管路系統

2.2 充填采煤工藝的實施工藝

充填采煤工藝需要融合機械化采煤工藝中，對應工藝流程為：采煤機截割煤層—移液壓支架—將充填模箱和支模安裝在預設位置—配比充填材料—啟動充填—完成充填任務—移出超前支護液壓支架—采煤機截割煤層。本工程中，除了配套核心的充填泵外，還需要自動拆包卸料機、充填模箱以及超前液壓自移液支護支架作為輔助設備。根據8318工作面的現場條件，關鍵核心設備的選型結果見表3。

表3 充填采煤工藝核心設備選型

3 充填采煤工藝的工業性試驗

3.1 工作面圍巖支承應力對比

對8318 工作面未充填高水速凝材料和充填高水混凝充填材料兩種情況下巷道圍巖的超前支承壓力進行測量。測定結果如下：

工作面未充填高水速凝材料時，在實際開采中對應的超前支承應力峰值為44.2 MPa，應力集中系數為1.46。工作面充填高水速凝材料后，在實際開采中對應的超前支承應力峰值為39MPa，應力集中系數為1.15。8318 工作面采用充填采煤工藝后，工作面圍巖的最大支承應力減小5.2 MPa，對應的應力集中系數降低0.31。

3.2 工作面圍巖控制效果

對未充填和充填高水速凝材料后，隨著工作面推進對應頂底板的移近量進行對比，對比結果見表4。

表4 工作面頂底板位移量對比 mm

如表4 所示，8318 工作面采用充填采煤工藝后，工作面圍巖的頂底板移近量減小近160 mm，起到了明顯的支護效果。

3.3 生產效果

機械化充填采煤工藝可極大地解放現場勞動力，減少工作人員的勞動強度。其中，在上料機的作用下，作業人員的數量由原15 人減少為3 人；采用超前液壓支護支架取代單體挑棚進行支護，作業人員的數量由原10 人減少為3 人；在充填模的作用下，充填作業人員由4 人減少為1 人。參與充填工藝的人數由29 人減少為7 人。

實踐表明，8318 工作面采用充填采煤工藝后，采煤機日產最大為9刀，每個月工作面推進約160 m，煤炭產量為15 萬t。

4 結語

（1）采用高水速凝材料，結合工作面的地質條件，確定水灰比為1.5:1，可滿足充填強度要求。

（2） 結 合8318 工 作 面 生 產 能 力， 配 套ZBYSB-90/15 充填泵完成充填材料的輸送，同時為其配套自動拆包卸料機、充填模箱以及超前液壓自移液支護支架等設備提高充填效率。

（3）充填采煤工藝在8318 工作面應用后，工作面的圍巖變形得到有效控制，頂底板移近量減少近160 mm，同時，工作面圍巖的最大支承應力減小5.2 MPa，應力集中系數降低0.31。

（4）機械化充填采煤工藝可極大地解放工作面的勞動力，總的參與充填工藝的人數由29 人減少為7 人，對應的每個工作面推進尺度可達160 m，產量高達15 萬t。