王虎偉

(潞安環(huán)能股份公司 常村煤礦，山西 長治 046000)

隨著煤炭資源的枯竭，“三下”壓煤嚴(yán)重制約我國煤礦的可持續(xù)發(fā)展，并且在開采過程中排放大量煤矸石造成環(huán)境破壞[1]。而膏體充填開采技術(shù)不僅能解決“三下”大量壓煤開采問題，也是解決煤矸石外排的有效途徑，因此得到了廣泛的應(yīng)用[2]。膏體充填技術(shù)是將破碎矸石、粉煤灰、劣質(zhì)土等固體制成不需脫水的膏體狀漿體，在充填泵加壓和重力的雙重作用下通過管道輸送至充填工作面，待工作面煤炭資源采出后，將膏體適時(shí)充填至采空區(qū)，待膏體凝固后形成一定的強(qiáng)度，以最大限度地減少地表沉陷，進(jìn)而釋放“三下”煤炭資源儲量，延長礦井服務(wù)年限，是一種綠色、環(huán)保的采礦技術(shù)[3]。

膏體技術(shù)經(jīng)過多年的探索與實(shí)踐，在深部礦山、富水礦山、礦巖破碎礦山以及高應(yīng)力礦山均取得了良好效果。另外，我國在尾砂濃密、管道輸送、膏體采場性能、新材料開發(fā)以及工程實(shí)驗(yàn)室建設(shè)方面也取得重大突破。目前膏體技術(shù)研究逐漸趨向于智能化和精細(xì)化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)膏體的高質(zhì)量制備、降低充填成本以及系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性[4]。結(jié)合常村煤礦基本開采條件，提出了適合常村煤礦膏體充填開采的應(yīng)用技術(shù)。

常村煤礦煤炭資源經(jīng)過多年開采，可采儲量大幅減少，大量“三下”煤炭資源被壓占而無法得到有效開采，已嚴(yán)重影響到了礦井的開采部署和可持續(xù)發(fā)展。截止2020年12月底，常村煤礦可采儲量僅為7 102萬t，而“三下”壓煤量約1.4億t。為此，在3號煤層CTN3-01工作面進(jìn)行膏體充填開采試驗(yàn)，為后續(xù)村莊下采煤提供實(shí)踐指導(dǎo)，提高采出率、延長礦井服務(wù)年限。

1 常村煤礦膏體充填工藝簡介

常村煤礦膏體充填系統(tǒng)由地面充填站、充填管路和充填工作面組成。地面充填站位于礦井布置在矸石山北側(cè)的閑置場地；充填站附近布置一個(gè)充填鉆孔，內(nèi)徑為450 mm，充填管路選擇為D273 mm×18 mm的無縫鋼管，制備好的漿體通過充填泵加壓和重力的雙重作用下經(jīng)管道輸送至充填工作面。

充填系統(tǒng)可劃分為8個(gè)子系統(tǒng)，分別為：原料矸石供給子系統(tǒng)、成品矸石制備子系統(tǒng)、除塵子系統(tǒng)、膏體配比攪拌子系統(tǒng)、泵送子系統(tǒng)、充填管路子系統(tǒng)、充填專用控制閥子系統(tǒng)和智能化控制子系統(tǒng)。井下采用矸石基膏體充填開采方式，充填材料配比為煤矸石∶粉煤灰∶水泥∶水∶外加劑=1 319∶200∶100∶372∶2.5(kg/m3)，充填膏體質(zhì)量濃度為81.34%.安裝2臺HGBS310.21.1420型充填工業(yè)泵，一用一備，最大輸送方量為256.2 m3/h，最大出口壓力為19 MPa。每臺泵配備電動機(jī)額定功率為4×355 kW，額定電壓為10 kV。

工作面采用條帶式充填采煤法，綜掘采煤工藝。工作面巷道布置兩條膠帶巷和一條回風(fēng)巷。在回風(fēng)巷兩翼布置巷道進(jìn)行充填開采，利用兩套掘進(jìn)機(jī)及配套設(shè)備進(jìn)行條帶式開采，雙翼各分四階段進(jìn)行采充循環(huán)。

2 CTN3-01工作面充填開采技術(shù)

2.1 工作面開采技術(shù)條件

CTN3-01充填工作面開采的3號煤層位于山西組的中、下部，為全井田可采。煤層總厚為5.68～6.2 m，平均厚度為5.92 m，局部發(fā)育兩層夾矸，平均厚度為0.05～0.15 m，煤層埋藏深度為403.7～459.2 m。3號煤層直接頂為泥巖，平均厚度為1.46 m；基本頂為粉砂巖，平均厚度為8.91 m；直接底為粉砂巖，平均厚度為1.45 m；基本底為中粒砂巖，平均厚度為2.02 m。工作面局部會遇斷層，整體呈東北高，西南低，為單斜構(gòu)造。該工作面屬于承壓開采區(qū)域，突水系數(shù)為0.021 MPa/m。工作面長度為220 m，設(shè)計(jì)可采儲量為144萬t，生產(chǎn)能力為25萬t/a。

2.2 充填工作面巷道布置

CTN3-01充填工作面的運(yùn)輸、通風(fēng)、供電等系統(tǒng)均接入N3采區(qū)現(xiàn)有系統(tǒng)。工作面中部布置一條回風(fēng)巷，在兩翼分別布置一條膠帶巷，形成兩進(jìn)一回的通風(fēng)方式。工作面總長度220 m，在工作面內(nèi)部分南、北雙翼進(jìn)行條帶式開采，布置兩個(gè)掘進(jìn)面和一個(gè)充填面。在工作面南翼，回風(fēng)巷高于S翼膠帶巷，將南翼掘進(jìn)面垂直于回風(fēng)巷布置，便于充填接頂。在工作面北翼，回風(fēng)巷低于N翼膠帶巷，將北翼掘進(jìn)面沿著等高線方向布置，使掘進(jìn)面近水平布置，北翼掘進(jìn)面與回風(fēng)巷夾角為30°。另外，為便于條帶充填的洗管水外排，設(shè)置一條沉淀池巷，用于條帶充填的洗管水存儲空間。CTN3-01充填工作面巷道布置如圖1所示。

圖1 CTN3-01充填工作面巷道布置示意(mm)

CTN3-01工作面雙翼開采，每個(gè)充填巷長度即為條帶巷的長度，南翼掘進(jìn)面與回風(fēng)巷垂直，條帶巷長度為105 m；北翼掘進(jìn)面與回風(fēng)巷夾角為30°，條帶巷長度最大為210 m充填工作面寬度即為條帶巷的凈寬，設(shè)計(jì)為5.0 m。設(shè)計(jì)全煤層進(jìn)行充填開采，即采高確定為5.92 m。分為切眼和臥底兩步，切眼掘進(jìn)高度為3.3 m，臥底高度為2.62 m。

2.3 充填工作面開采工藝

2.3.1 工作面采充工藝

利用礦方已有的兩套掘進(jìn)機(jī)及配套設(shè)備進(jìn)行充填工作面條帶式開采，采掘一體。雙翼各分四階段進(jìn)行采充循環(huán)，每個(gè)階段采充3個(gè)條帶，一組循環(huán)共采充12個(gè)條帶巷；條帶巷寬5 m，一組循環(huán)總寬度為60 m。一組循環(huán)全部采充結(jié)束，再進(jìn)入下一組循環(huán)。充填工作面雙翼采充巷布置如圖2所示。

圖2 CTN3-01工作面雙翼采充巷布置

1) 南翼采充順序：簡述為“A2采+A1充—A3采+A2充—B1采+A3充—B2采+B1充—B3采+B2充—C1采+B3充—C2采+C1充—C3采+C2充—D1采+C3充—D2采+D1充—D3采+D2充”。每組分為12條巷，首先在距離巷道聯(lián)巷15 m位置施工完第1條巷(A1巷)，作為首充巷；再在距離A1巷中20 m位置掘進(jìn)第2條巷(A2巷)，同時(shí)對A1巷進(jìn)行充填；A2巷施工完畢和A1巷充填完畢后，在距離A1巷中40 m位置掘進(jìn)第3條巷(A3巷)，同時(shí)對A2巷進(jìn)行充填；A3巷施工完畢和A2巷充填完畢后，在距離A1巷中10 m位置掘進(jìn)第4條巷(B1巷)，同時(shí)對A3巷進(jìn)行充填；……；依此類推，直至第一組的最后一條(第12條巷、D3巷)施工完畢，同時(shí)D2巷充填完畢。再進(jìn)行下一組12條巷道的充填開采，直至南翼全部可采區(qū)域煤炭資源充填開采完畢。

2) 北翼采充順序：與南翼順序一致。但南、北兩翼巷道掘進(jìn)開采時(shí)宜錯開一定距離，使開采相互交錯，避免交岔口應(yīng)力集中。一個(gè)充填工作面僅設(shè)置一套充填管閥，南、北兩翼充填時(shí)應(yīng)錯開一定的時(shí)間，一條巷道充填完畢后方可充填另一條巷道，使充填相互交錯有序的進(jìn)行。

2.3.2 工作面采運(yùn)工藝

CTN3-01工作面采用條帶式充填采煤法，綜掘采煤工藝。在工作面南、北兩翼各設(shè)置一個(gè)掘進(jìn)面，采用掘進(jìn)機(jī)進(jìn)行割煤、落煤，采用刮板輸送機(jī)和可伸縮帶式輸送機(jī)進(jìn)行運(yùn)煤。

3 工作面充填工藝

根據(jù)CTN3-01工作面煤層賦存條件，為便于充填接頂，將南翼掘進(jìn)面垂直于回風(fēng)巷布置，北翼掘進(jìn)面沿著等高線方向布置(與回風(fēng)巷夾角為30°)。CTN3-01工作面采用“三八制”正規(guī)作業(yè)方式，即兩班生產(chǎn)+凝固、一班檢修+充填。全煤厚日進(jìn)尺為18 m，日可采出煤量平均為757.6 t，形成待充填采空區(qū)體積為532.8 m3。確定工作面充填膏體的動壓力為15 MPa，充填系統(tǒng)能力為200 m3/h，有效充填時(shí)間為2.7 h，小于充填班8 h，滿足要求。

1) 南翼?xiàng)l帶巷充填工藝。南翼掘進(jìn)面傾角2.4～7.4°，東部較緩，西部稍陡。膏體充填料漿一般靜止角為1～3°，所以條帶充填時(shí)其中下部可自然密實(shí)接頂，只是靠近回風(fēng)巷時(shí)需補(bǔ)充接頂。南翼?xiàng)l帶巷充填分為4步，充填工藝如圖3所示。

圖3 CTN3-01工作面南翼?xiàng)l帶巷充填工藝

由于條帶巷中充填料面上升較快，使充填隔墻承受較大壓力，所以必須采取分次充填方式，確保隔墻穩(wěn)定、作業(yè)安全以及充填接頂率。首先在條帶巷的膠帶巷端設(shè)置一個(gè)充填隔墻，進(jìn)入首充階段，首充必須控制充填料漿在隔墻處的上升高度不大于1.75 m；待首充料漿凝固后再進(jìn)入二充階段，二充充填至隔墻頂端，設(shè)計(jì)充填高度同樣為1.75 m；待二充料漿凝固后再進(jìn)入三充階段，在條帶巷的回風(fēng)巷端設(shè)置一個(gè)充填隔墻，三充可一次充填至回風(fēng)巷端隔墻1.75 m位置；待三充料漿凝固后再進(jìn)入四充階段，補(bǔ)充料漿至回風(fēng)巷端隔墻頂部，至此完成整個(gè)條帶巷的充填工作。

2) 北翼?xiàng)l帶巷充填工藝。北翼掘進(jìn)面沿著等高線方向布置，條帶巷與回風(fēng)巷呈30°斜交布置，條帶呈近水平狀態(tài)，為保證充填接頂率，需采用分步充填，充填工藝如圖4所示。

圖4 CTN3-01工作面北翼?xiàng)l帶巷充填工藝

首先在條帶巷的兩端各設(shè)置一個(gè)充填隔墻，進(jìn)入首充階段，首充必須控制充填料漿在兩端隔墻處的上升高度不大于1.75 m；待首充料漿凝固后再進(jìn)入二充階段，先在充填上層的膠帶巷端30 m位置設(shè)置子隔墻，再進(jìn)行充填；待二充料漿凝固后進(jìn)入分段充階段，將余下未充的條帶巷上層，每隔30～40 m設(shè)置一個(gè)子隔墻，依次逐段進(jìn)行充填，直至完成整個(gè)條帶巷的充填工作。接頂充填時(shí)，應(yīng)適當(dāng)降低充填料漿濃度，加大粉煤灰添加量，降低充填料漿輸送流量，從而提高充填料漿流動性和流平性，降低其靜止角，確保充填的可靠度和接頂率。所有充填作業(yè)過程中，當(dāng)條帶巷一段隔斷后，應(yīng)采用局部通風(fēng)機(jī)對未充條帶巷進(jìn)行局部通風(fēng)，確保通風(fēng)安全。

3) 充填工藝流程。充填準(zhǔn)備—管道打水—灰漿推水—矸石漿推灰漿—正常(輪流)充填—灰漿推矸石漿—水推灰漿—打風(fēng)。

4 CTN3-01工作面地表沉陷預(yù)計(jì)

常村煤礦CTN3-01工作面采用膏體充填后，理論上充填體的壓縮率為5%～10%，充填體的充填率不低于90%，充填前頂板的下沉量為0～100 mm?；谏鲜鰲l件分析，計(jì)算得出常村煤礦充填開采等價(jià)采高為541 mm。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和已有的關(guān)于膏體充填開采地表沉變形數(shù)據(jù)，確定3號煤層膏體充填后下沉系數(shù)取0.06，水平移動系數(shù)取0.3，主要影響角正切取2.1，拐點(diǎn)偏移距取0。計(jì)算得出膏體充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)值見表1。根據(jù)預(yù)測所得地表沉陷數(shù)據(jù)，預(yù)計(jì)結(jié)果均低于磚混結(jié)構(gòu)建筑物損壞等級I級規(guī)定的地表變形值[5-6]。因此，預(yù)計(jì)CTN3-01工作面全部充填開采完畢后，不會造成上方建(構(gòu))筑物產(chǎn)生I級以上的采動破壞。

表1 充填開采地表移動與變形極值

常村煤礦在3號煤層CTN3-01工作面膏體充填開采的應(yīng)用與推廣，可以大幅提高礦井煤炭資源儲量的產(chǎn)出率，延長礦井服務(wù)年限，對后續(xù)村莊下充填開采具有實(shí)踐指導(dǎo)意義。另外，充填開采可以二次利用矸石，既可減少矸石堆放占用山地，也可有效避免煤矸石引起的大氣污染、水污染和土壤污染等問題。