陳慶偉

（山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司，山西 高平 048407）

1 工程概況

山西蘭花科技創(chuàng)業(yè)股份有限公司唐安煤礦分公司3510 上分層工作面位于七五二水平五盤區(qū)原3402 綜放工作面回撤線外段，地面位于掌握回風(fēng)立井北，掌握村西北，南為盤區(qū)大巷，其余均為采空區(qū)。工作面開采3#煤層，平均煤厚6.09 m，煤層層理明顯，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，煤質(zhì)較好。煤層傾角3°～7°，大致呈南北走向，東高西低，普氏硬度f=2，煤層頂板巖層為泥巖和細砂巖，底板巖層為粉砂巖。3510 上分層工作面設(shè)計長度121 m，采用綜合機械化開采，采高為3 m。

由于3510 上分層工作面區(qū)域為村莊，根據(jù)礦井3313 工作面的地表移動變形實測結(jié)果分析知，工作面采用全部垮落法開采后，區(qū)域地表下沉嚴重，地表下沉平均約3000 mm。為在地面不沉降的基礎(chǔ)上采出3510 上分層區(qū)域的煤炭資源，決定采用膏體充填技術(shù)進行開采。

2 充填設(shè)備系統(tǒng)

（1）充填支架選型。液壓支架的設(shè)計與選型是根據(jù)煤層賦存條件、頂?shù)装鍓毫?、巖石巖性等相關(guān)條件決定。

① 支架高度。根據(jù)工作面分層開采的采高為3 m，可初步確定支架平均采高為3 m。另外考慮到工作面煤層厚度變化、充填布料管在支架上的布置及后部隔離裝置的結(jié)構(gòu)的影響，確定支架最大高度為3300 mm。根據(jù)礦井實際需求[1-3]，下井支架最小高度不超1850 mm，結(jié)合立柱伸縮比，故支架最低高度為1800 mm。選定支架的結(jié)構(gòu)高度為1800～3300 mm，最大采高為3100 mm。

② 支護強度和工作阻力。 確定采用ZC7000/18/33 型液壓支架，該支架底座采用開底式箱型結(jié)構(gòu)，配備推移機構(gòu)、抬底機構(gòu)。推移機構(gòu)為正裝差動連接，推桿為短推桿形式，可以在井下方便拆裝；底座后端連接下?lián)醢澹聯(lián)醢蹇缮舷乱苿?，下?lián)醢逑露嗽O(shè)置柔性密封材料。具體支架方案如圖1。

圖1 支架方案結(jié)構(gòu)圖（mm）

（2）管路輸送系統(tǒng)。充填鉆孔布置在掌握風(fēng)井場地中部位置，對應(yīng)地下巷道為五盤區(qū)北軌道巷與北回風(fēng)巷之間，孔深243 m，充填泵出口至鉆孔管路距離30 m。結(jié)合地面充填站位置及井上下空間關(guān)系，充填主管路通過鉆孔底通道進入五盤區(qū)北軌道巷，經(jīng)工作面運輸順槽敷設(shè)至工作面切眼。

鉆孔內(nèi)安設(shè)Φ273×（20+8）mm 堆焊耐磨層無縫鋼管，充填立管及套管壁后均用水泥漿固定在充填鉆孔內(nèi)。充填鉆孔孔口標高+961 m，孔深243 m。根據(jù)膏體充填物料特性、輸送流量及粒徑、孔底水平，并考慮一定的安全系數(shù)，確定充填立管選用材質(zhì)為Q345 鋼的Φ273 mm×20 mm 無縫鋼管，內(nèi)層堆焊8 mm 厚的合金耐磨層[4-6]。充填干線管路采用壁厚為18 mm 的16Mn 耐磨無縫鋼管，工作面充填管選擇219 mm×12 mm規(guī)格的16Mn耐磨無縫鋼管。

充填管路布置如下：充填泵出口→立管→充填管子道→五盤區(qū)北軌道巷→3510 上分層皮帶巷→工作面→3510 上分層軌道巷→沉淀池。具體充填管路布置如圖2。

圖2 充填管路布置示意圖

（3）矸石破碎系統(tǒng)。為保證生產(chǎn)期間原材料供應(yīng)，采用鏟車取矸，轉(zhuǎn)運至受矸坑。為了保證充填期間的連續(xù)性，綜合計算確定矸石每循環(huán)用量為1392 t/d。考慮矸石破碎與矸石利用的動態(tài)平衡，矸石棚所需最大有效容量2400 t 即滿足系統(tǒng)能力。有效儲存容積按照 50%計算，則儲矸棚尺寸約20 m×20 m×8 m。唐安煤礦充填用矸石來源為綜放大塊矸石和洗選矸石，由于多數(shù)綜放大塊矸石粒徑較大，因此需設(shè)置顎式破碎機，先將矸石破碎為小粒徑矸石；同時考慮洗矸中水分的影響，二次破碎設(shè)備選用適合含水量大的高細破碎機。設(shè)計進入破碎系統(tǒng)的矸石最大粒徑為500 mm，經(jīng)過破碎加工的矸石最大粒徑需控制在15 mm 以內(nèi)。雖然高細破碎機出料粒度能控制在15 mm 以下，但隨著破碎機錘頭的磨損，仍會有大顆粒物料排出破碎機，因此系統(tǒng)配置1 臺篩分機，保證充填物料粒度全部滿足要求。

工藝流程：矸石由汽車運輸進入磚廠儲矸棚，經(jīng)裝載機轉(zhuǎn)運至矸石受料坑，受料坑下布置板式給料機，板式給料機下方布置顎式破碎機，粗破后矸石經(jīng)2#上料皮帶機轉(zhuǎn)運至細破車間進行細破，經(jīng)過細破后的矸石通過篩前皮帶機轉(zhuǎn)運至篩分車間進行篩分，篩下物（成品矸石）經(jīng)卸載皮帶機卸載至成品矸石棚，篩上物經(jīng)漏斗自流至2#上料皮帶機轉(zhuǎn)運至細破車間進行二次破碎。矸石破碎系統(tǒng)工藝流程如圖3。

圖3 矸石破碎系統(tǒng)工藝流程框圖

（4）配比攪拌泵送系統(tǒng)。儲矸坑內(nèi)成品矸石通過帶式輸送機運至充填車間三層矸石待料斗，鋼板筒倉里的粉煤灰和水泥通過倉底螺旋給料機運至充填樓三層粉料稱量斗中稱量，蓄水池內(nèi)的水通過水泵泵送至充填樓三層水稱量斗中稱量。以上各種物料分批次稱量后投放至充填樓2 層攪拌機內(nèi)，攪拌合格的膏體投放至下方料漿斗，料漿斗出口設(shè)置可回轉(zhuǎn)溜槽，使兩套配料攪拌系統(tǒng)制成的膏體既可以進入1#充填泵也可以進入2#充填泵，然后通過充填管路泵送至井下工作面[7]。配比攪拌泵送系統(tǒng)工藝流程如圖4（a），充填車間工藝布置如圖4（b）。

圖4 泵送系統(tǒng)流程及充填車間工藝布置圖

3 充填方案及效果

3.1 充填方案

本次3510 上分層工作面膏體充填開采方案中，采用兩種膏體充填材料，分別為粉煤灰膏體和矸石膏體。具體各項膏體材料的配比情況見表1。

表1 膏體材料配比表 kg/m3

膏體充填開采施工工藝：頂板完整時，掛網(wǎng)→割煤（2 刀）→掛網(wǎng)（支護頂板）→割煤（2 刀）→隔離→ 充填（掛網(wǎng)、支護頂板）→凝固檢修（支護頂板）。頂板破碎時割煤步距縮短為1 刀即進行一次充填。

根據(jù)眾多充填開采經(jīng)驗研究數(shù)據(jù)，確定3510工作面充填體的后期強度要求按照 Bieniawski 計算方法進行確定，公式中關(guān)于充填體容許強度計算公式如下：

式中：W/h為煤柱寬高比；當W/h＞5 時n取1.4，其他情況取1。根據(jù)唐安煤礦開采條件，即工作面采寬121 m、采高為3 m 計算，W/h＞5，取n=1.4。

充填煤柱強度穩(wěn)定性的評價方法為：

式中：γ為充填體上覆巖層平均容重，MN/m3；H為工作面平均采深，m；We為煤層采出條帶寬度，m；Wp為條帶充填體寬度，m；其余符號含義同上。

代入唐安煤礦五盤區(qū)北及3510 上分層工作面地質(zhì)采礦條件，煤層埋深平均200 m，采厚按3 m計算，工作面采寬121 m，可得出充填體強度與安全系數(shù)之間的關(guān)系。計算表明，充填開采時充填體28 d 的強度大于1 MPa，安全系數(shù)大于13.0，可滿足充填體長期穩(wěn)定性要求。后期可適當調(diào)整長期強度至3 MPa。

3.2 效果分析

在3510 上分層工作面回采期間，在開采區(qū)域?qū)?yīng)的地面設(shè)置沉降觀測站，根據(jù)觀測站得出的數(shù)據(jù)能夠繪制得出工作面開采后地表移動變形等值線如圖5。

分析圖5 可知，3510 上分層首采充填面（3510 充填面）上分層開采后，地表最大下沉值140 mm，傾斜變形值-1.4～1.4 mm/m，水平變形值-1.4～1.0 mm/m。首采充填面（3510 充填面）上分層開采后只會影響掌握村地表建筑物；掌握村地面建筑物所在范圍內(nèi)最大下沉為 100 mm，傾斜變形值-1.0～1.0mm/m，水平變形值-0.8～0.6 mm/m。掌握村地表建筑物在I 級建筑物損壞等級之內(nèi)，充填開采方案有效控制了地表的沉降。

圖5 工作面開采后地表下沉等值線

4 結(jié)論

根據(jù)地表沉降控制要求和3510 上分層工作面上下位置對比圖，設(shè)計采用充填開采方案，充填系統(tǒng)主要由充填支架、管路輸送系統(tǒng)、矸石破碎系統(tǒng)和配比攪拌泵送系統(tǒng)組成。根據(jù)工作面地質(zhì)條件，確定充填材料采用粉煤灰膏體和矸石膏體，并對充填參數(shù)進行設(shè)計，根據(jù)充填開采后地表沉降數(shù)據(jù)可知，充填開采有效控制了地表的下沉。