某礦建筑物下遺留煤炭充填開采技術研究與應用

張學義

（山西焦煤西山煤電馬蘭礦，山西 太原 030205）

0 引言

某礦井西翼16 層煤全部為村下壓煤，在條帶開采過程中剩余了部分煤炭資源，因此，如何合理開發礦產資源，提高資源回收率，延長礦井服務年限已成為該煤礦亟待解決的技術性問題。根據礦井16 層煤賦存條件，在保證工作面安全、高效的前提下，擬采用充填開采技術[1-3]對剩余的16 層煤炭資源進行回采，為煤礦現有資源開采提供解決方案。

1 工程概況

某礦可采煤層四層：12 下、14、16、17 煤層，均為薄煤層，16 煤層為礦井的主采煤層。礦井采用一對立井開拓，設計東翼盤區水平標高-88 m，西翼盤區水平標高-127 m，生產能力35 萬t/a。目前西二采區只剩16205 工作面，16205 工作面一部分為完整塊段，一部分為條帶煤柱。16205 上工作面自2001 年8 月開采至2002 年3 月結束，條帶開采，共計開采14 個條帶，開采煤炭3.84 萬t；16205 下工作面自2003 年8 月開采至2004 年8 月結束，條帶開采，共計開采17個條帶，開采煤炭2.33 萬t，16205 工作面剩余儲量約為10.03 萬t。

16205 工作面位于井田西翼，布置在西二采區的東北部，北部為16207 工作面、南部為16203 工作面，西部為161-2 正斷層，東部為-130 軌道巷。

根據煤礦現有的生產條件和實際情況，選取16205 工作面為首采工作面，工作面開采16 層煤，條帶塊段約7 萬噸。工作面西側為16203 采煤工作面，東側為16207 采煤工作面，均采用充填開采方式（全采全充）回采完畢。

地面為留莊八村及農田，地面標高+36.5 m，井下標高-130.4 m 至-171.9 m。16205 工作面位于井田西翼，布置在西二采區的東北部，北部為16207 工作面、南部為16203 工作面，西部為161-2 正斷層，東部為-130 軌道巷。

16 層煤平均厚1.3 m，走向N31°E，傾向N59°W，傾角5°～10°，賦存較穩定。鉆孔和開采揭露煤層中局部含夾矸一層，厚0.02～0.04 m，巖性多為泥巖，偶為炭質泥巖或黃鐵礦層，結構簡單。可采性指數0.94，厚度變異系數27%，屬穩定煤層，煤層呈黑色半亮型，視密度1.33 t/m3，工業牌號為氣肥煤。16 煤工作面煤層頂底板情況，如表1 所示。

表1 煤層頂底板情況表

2 充采工藝及設備選型

2.1 充采工藝

首先采用充填材料對已采過的條帶充填8m，剩余2 m 作為切眼，用于回采時鋪設工作面運輸設備和通風。充填材料自充填到井下開始，到達到預期的強度（單向抗壓強度≥7.5 MPa），一般需要28 d。為了保證充填材料充分凝固，具有足夠的強度支撐上覆巖層的重量，每一個煤垛條帶必須在其兩側的充填條帶充填28 d 后才能進行回采。

一個條帶煤垛分3 次回采完畢。條采硐采出空間采用單體液壓支柱支護頂板。條帶煤垛在完成第一次截割4 m 任務后，進行二次充填4 m，待充填體凝固后，回采剩余部分。最終形成采10 m 充12 m 空8 m。

2.1.1 充填系統

充填系統采用泵送方式進行充填。充填材料輸送系統由矸石破碎系統、地面攪拌站、混凝土輸送泵，地面管路、立井管路、井下管路及各種閥門（三通）等組成，如圖1 所示。

圖1 輸送系統圖

2.1.2 管路布置

井下干線管指從充填鉆孔底到工作面入口前的充填管，其規格為：直徑203 mm×10 mm，內徑183 mm。布置路線為：西翼皮帶巷-管子道一段-八號上山—130 軌道巷16205 中運巷-16205 上、下工作面。

2.1.3 充填程序

首先用建筑模板和單體液壓支柱將待充填區域封閉，內側加掛一層編織布，形成密閉空間。由于級索煤礦煤層傾角較小，在每個充填條帶內均勻布置布料管，從標高低端到高端依次充填。待充填體初凝固后（約4～5 h，或充填體強度≥1 MPa），即可撤掉充填模板和單體液壓支柱[4]。充填步驟如圖2 所示。

圖2 充填步驟示意圖

2.2 充填材料

充填材料是由煤矸石、水泥、粉煤灰、添加劑組成，充填體濃度高，屬于流動性能好的膏體材料。充填骨料為破碎后的煤矸石，膠凝材料為普通硅酸鹽水泥，管道輸送性能改良劑為粉煤灰和減水劑。

要求混凝土有可泵性，即在泵壓作用下，混凝土能在輸送管道中連續穩定地通過而不產生離析，它取決于拌合物本身的和易性。在實際應用中和易性往往根據塌落度來判斷，塌落度越小，和易性也越小，但塌落度太大又會影響混凝土的強度，因此，一般認為18～20 cm 較合適，具體值要根據泵送距離、氣溫來決定。

1）水泥：要求選擇保水性好、泌水性小的水泥，一般選硅酸鹽水泥及普通硅酸鹽水泥，用量一般為150～300 kg/m3。

2）骨料：骨料的種類、形狀、粒徑和級配對泵送混凝土的性能有很大影響，必須予以嚴格控制。粗骨料的最大粒徑與輸送管內徑之比宜為1∶3（碎石）或1∶2.5（卵石），另外要求骨料顆粒級配盡量理想。細骨料的細度模數為2.3～3.2，粒徑在0.315 mm 以下的細骨料所占的比例不應小于15%，最好達到20%，這對改善可泵性非常重要。

3）摻合料-粉煤灰：實踐證明，摻入粉煤灰可顯著提高混凝土的流動性。一般應使用原粉煤灰。

2.3 技術參數

膏體（混凝土）由煤礦矸石、粉煤灰、水泥為主要原材料配制而成；28 d 后的單向抗壓強度為≥7.5 MPa；塌落度大于18 cm；初凝時間3～4 h，終凝時間4～5 h；最大粒徑與輸送管直徑之比小于1∶3。

3 地表變形觀測

監測點沿建筑物進行布設，建筑物一端外側設置1～10#監測點，各監測點之間的間距100 m；11～39號監測點位于16205 工作面回采沉陷的區域范圍內，各監測點之間的間距為20 m；建筑物另外一端外側設置38～47#監測點，各監測點之間的間距100 m。同時為了保護監測點不受到破壞，采用木樁與鐵進行組合進行固定。從16205 工作面回采完畢開始對地表位移進行監測，所得傾向測線下沉、傾向測線傾斜、傾向測線曲率、傾向測線水平移動、傾向測線水平變形曲線，如圖3 所示。

圖3 地表變形觀測曲線圖

由圖3 可以看出，傾向測線下沉量最大值約為265 mm，水平變形最大值0.368 mm/m，曲率最大值0.008 mm/m，傾斜最大值0.788 mm/m，各監測值均小于地表建筑物I 級破壞程度值，表明了充填開采技術可以保證地表建筑物得安全穩定。

4 經濟效益分析

由于采用原有的井巷工程，不需要開掘新巷道，因此，工程投資主要為設備投資。如表2 所示。

表2 設備投資

4.1 成本分析

設備折舊費：按照壽命期為10 年計算，采用直線折舊。每年折舊費為：1 350÷10=135 萬元；人員工資：區隊人數為32 人，人均工資12 萬元/a，年度工資費用為：12 萬元×32=384 萬元；電費：設備總功率為875 kW，年度電費為：875 kw×16 h×300×0.8 元/ kW·h×0.8=2 688 000 元；充填成本費：根據煤礦充填的經驗，充填噸煤費用為110 元/t；噸煤成本費：年產量為268 800 t/a 噸，噸煤成本費用為（1 350 000+3 840 000+100 300）/268 800+110=129.7 元/t。

4.2 經濟效益

當前煤炭銷售價格為1 100 元/t。噸煤經濟效益為：1 100-129.7=970.7 元/t；年度經濟效益為：970.3 元/t×100 300 t=97 321 090 元≈0.97 億元。

5 結語

1）采用膏體充填法進行回采后，地表各監測值均小于地表建筑物I 級破壞程度值，表明了充填開采技術可以保證地表建筑物得安全穩定。

2）通過經濟效益分析可得，采用膏體充填法進行遺留煤炭的開采可收益約0.97 億元，具有良好的經濟效益。