張新國(guó)，江興元，江 寧，史俊偉，李楊楊

(1.山東科技大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院, 山東 青島 266510；2.山東科技大學(xué)礦山災(zāi)害預(yù)防控制教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266510)

岱莊煤礦井田范圍內(nèi)80%的煤炭資源被地面建筑壓覆，從礦井投產(chǎn)開始，岱莊煤礦一直應(yīng)用條帶法進(jìn)行建筑物下壓煤開采。條帶采出率不高，僅能解放約50%的可采儲(chǔ)量。為解放條帶開采得保護(hù)煤柱，同時(shí)保護(hù)地表建筑，2009年該礦利用矸石膏體充填回采條帶煤柱留下的條帶保護(hù)煤柱[1-2]。

岱莊煤礦目前已有條帶煤柱49個(gè)，統(tǒng)計(jì)見表1。針對(duì)岱莊煤礦村莊壓煤嚴(yán)重，大量條帶煤柱丟失的實(shí)際情況，開發(fā)固體廢物膏體充填開采技術(shù)，既可靠保證地面村莊建筑物不受破壞，又最大量地采出煤炭資源, 具有高產(chǎn)、高效、高采出率、環(huán)保的優(yōu)點(diǎn)[3-4]。

表1 岱莊煤礦3上煤層條帶煤柱匯總表

備注：①煤視密度取值1.37 t/m3；②每個(gè)條帶煤柱兩側(cè)各留5m寬護(hù)巷窄煤柱未算在本表儲(chǔ)量?jī)?nèi)。

1 岱莊煤礦及充填面概況

1.1 井田概述

井田地處濟(jì)寧市城北城鄉(xiāng)結(jié)合部，地面村莊等建(構(gòu))筑物密集，村莊下壓煤量高達(dá)80%。井田東西走向長(zhǎng)約9.0km，南北傾斜寬7.2km，面積約65.0km2。主要可采煤層為3上、16和17煤層，3下煤層局部可采。其中3上煤層村莊下壓煤量5000多萬(wàn)t，占全部村莊壓煤量的63%。目前礦井采用長(zhǎng)短壁結(jié)合的綜合開采體系，非壓煤區(qū)用長(zhǎng)壁綜采一次采全高采煤方法，村莊壓煤區(qū)采用寬條帶法綜采一次采全高采煤方法[5]。

1.2 試驗(yàn)區(qū)域煤層及覆巖條件

膏體充填不遷村采煤技術(shù)的應(yīng)用首先從回收條帶煤柱開始，試驗(yàn)區(qū)域選擇在2300采區(qū)上幫建下開采區(qū)，首試工作面計(jì)劃布置在2302長(zhǎng)壁工作面采空區(qū)與2303條帶工作面采空區(qū)之間的煤柱，即CT2301充填工作面。

CT2301充填工作面煤柱寬110m，長(zhǎng)960m，其東北側(cè)為2301、2302兩個(gè)長(zhǎng)壁垮落法開采工作面采空區(qū)，西北側(cè)為2303等14個(gè)條帶垮落法開采工作面采空區(qū)。

2300膏體充填試驗(yàn)采區(qū)地面地表地勢(shì)平坦，地面平均標(biāo)高+38.85m。開采3上煤層底板標(biāo)高為-354.56～-464.30m，煤層埋深平均440.15m，煤層平均厚度2.74m，煤層傾角一般在3°～11°，平均6°。頂?shù)装宸植技皫r石力學(xué)性質(zhì)見表2、表3。

表2 岱莊煤礦2300采區(qū)3上煤層頂?shù)装迩闆r

表3 CT2301煤層及頂?shù)装逯饕獛r石力學(xué)特性

2 條帶煤柱矸石膏體充填開采方案設(shè)計(jì)

2.1 充填工作面布置

為了盡可能回收煤炭資源，條帶煤柱充填開采工作面巷道設(shè)計(jì)沿空留窄煤柱掘進(jìn)，在膏體充填首試工作面，初步選擇護(hù)巷煤柱寬度3～5m，將巷道布置在卸壓帶內(nèi)，以便于維護(hù)。充填工作面見圖1。

圖1 充填工作面布置

條帶采空區(qū)測(cè)試充填試驗(yàn)中，曾在1304采空區(qū)一側(cè)留10m煤柱掘進(jìn)巷道和垂直采空區(qū)作探巷，探巷直接揭開采空區(qū)，試驗(yàn)巷道均采用錨網(wǎng)索支護(hù)，維護(hù)狀況良好?？紤]充填工作面礦山壓力顯現(xiàn)不明顯，留5m煤柱布置條帶煤柱充填工作面巷道，采用錨網(wǎng)索支護(hù)是可行的。6300、7300等新采區(qū)，則布置長(zhǎng)壁全部充填工作面，工作面之間采用沿空留巷，不留區(qū)段保護(hù)煤柱，最大量提高煤炭資源采出率。

2.2 充填方法的選擇

根據(jù)前期條帶采空區(qū)測(cè)試充填試驗(yàn)結(jié)果，岱莊煤礦條帶煤柱回收，采空區(qū)充填只能在本工作面進(jìn)行，又考慮條帶煤柱工作面一般較短，3上煤層為中等厚度，為了提高充填工作面產(chǎn)量，增加充填工作面效益，特地為岱莊煤礦條帶煤柱回收設(shè)計(jì)提出“大步距隔離全部充填法”。條帶煤柱工作面每推進(jìn)4～5m，沿工作面作隔離，然后對(duì)所隔離封閉的采空區(qū)進(jìn)行全部充填。大步距隔離全部充填法見圖2。

圖2 大步距隔離全部充填法

2.3 膏體充填系統(tǒng)能力

充填系統(tǒng)能力的需要主要決定于充填工作面的長(zhǎng)度、采高、充填步距、采充比和完成充填作業(yè)的時(shí)間要求等，計(jì)算公式如下：

式中：Qf為充填能力，m3/h；L為煤壁長(zhǎng)度，m；M為采高，m；d為充填步距，m；kf為采充比；S1為運(yùn)輸?shù)罃嗝婷娣e，m2；S2為材料道斷面面積，m；Tf為有效充填時(shí)間，h；kp為充填泵效率系數(shù)。

對(duì)于膏體充填首試CT2301條帶煤柱工作面，工作面煤壁長(zhǎng)度90m，考慮兩條回采巷道寬度均為4m，采煤機(jī)截深0.8m，如果工作面日進(jìn)尺4.0m，則煤炭產(chǎn)量1280t/d，若年工作日300d，年產(chǎn)量38萬(wàn)t/a，要求充填系統(tǒng)能力150m3/h；如果工作面日進(jìn)尺3.2m，則煤炭產(chǎn)量1030t/d，年產(chǎn)量30.8萬(wàn)t/a，要求充填系統(tǒng)能力120m3/h。岱莊煤礦3上煤層工作面產(chǎn)量與推進(jìn)度關(guān)系見圖3，圖4為工作面產(chǎn)量與充填能力關(guān)系圖。

綜合考慮充填關(guān)鍵設(shè)備系列能力和岱莊煤礦膏體充填工作面循環(huán)作業(yè)方式，設(shè)計(jì)條帶煤柱充填工作面單產(chǎn)能力大于30萬(wàn)t/a，充填系統(tǒng)能力150m3/h。

圖3 岱莊煤礦3上煤層工作面產(chǎn)量與推進(jìn)度關(guān)系

圖4 工作面產(chǎn)量與充填能力關(guān)系

3 充填工藝流程

岱莊煤礦膏體充填使用的材料是破碎煤矸石、粉煤灰(兩種)、專用膠結(jié)料和水等五種物料，充填的過(guò)程是一個(gè)先將矸石破碎加工，然后把矸石、粉煤灰、專用膠結(jié)料和水等物料按比例混合攪拌制成膏體漿液，再通過(guò)充填泵把膏體漿液輸送到井下充填工作面，充填由液壓充填支架和輔助隔離措施形成的封閉采空區(qū)空間的過(guò)程，經(jīng)過(guò)多方案優(yōu)化以后，設(shè)計(jì)推薦的充填工藝流程見圖5，可以劃分為矸石破碎、配比攪拌、管道泵送、充填體構(gòu)筑等四個(gè)基本環(huán)節(jié)。

為了盡量減少充填管路清洗水對(duì)回采工作面和巷道的不良影響，工作面兩巷均布置排水管，排水管可以與工作面充填管快速連接，以便于充填管道清洗水絕大部分能夠通過(guò)兩巷排水管外排到西翼皮帶下山排水溝。工作面正常充填程序如下：

1)檢查準(zhǔn)備。通過(guò)井上下檢查、聯(lián)系，確認(rèn)系統(tǒng)正常，設(shè)備完好，攪拌機(jī)與料漿斗清水濕潤(rùn)，管道內(nèi)充滿清水以后，設(shè)定好當(dāng)班充填量以后，方可進(jìn)入下一步工作。

2)灰漿推水。先泵送由粉煤灰和膠結(jié)料制成粉煤灰膏體料漿，把管路內(nèi)的清水排出，此過(guò)程充填管路前段為清水，后段為粉煤灰膏體料漿。

3)矸石漿推灰漿。待設(shè)計(jì)量的粉煤灰膏體料漿的快泵送完時(shí)，要將正常配比的矸石粉煤灰膏體料漿(粗漿)放入緩沖料漿斗，繼續(xù)泵送，此時(shí)充填管路前段為清水，中間為粉煤灰膏體料漿，后段為矸石粉煤灰膏體料漿。

4)正常充填。工作面正常充填由低處向高處充填。充填正式開始時(shí)，軌道巷側(cè)工作面第一個(gè)轉(zhuǎn)換閥接通旁路，布料管從該閥旁路接口連接到充填孔進(jìn)行充填，同時(shí)準(zhǔn)備第二個(gè)轉(zhuǎn)換閥接通旁路，第一個(gè)充填孔充填完成以后，充填漿液即轉(zhuǎn)而從第二根布料管充填采空區(qū)。如此重復(fù)，直到完成整個(gè)工作面待充空間充填的任務(wù)。

5)灰漿推矸石漿。當(dāng)泵送充填料漿達(dá)到設(shè)計(jì)充填量以后，地面充填站制備少量粉煤灰膏體，適當(dāng)降低泵送速度，待緩沖漿斗內(nèi)的正常配比料漿快泵送完畢時(shí)，把粉煤灰料漿放入緩沖漿斗，用粉煤灰漿把料漿斗和充填泵入口內(nèi)的矸石漿全部推入充填管道中，使沖洗水不會(huì)與矸石膏體混合。

6)水推灰漿。當(dāng)料漿斗內(nèi)設(shè)計(jì)量的粉煤灰漿泵送完之前，向料漿斗放入清水，在粉煤灰漿后面泵送清水洗管。工作面發(fā)現(xiàn)粉煤灰漿以后，等到設(shè)計(jì)時(shí)間及時(shí)切換到工作面排水管，將后續(xù)的清洗水通過(guò)排水管排到西翼皮帶下山排水溝，下山排水溝見清水以后關(guān)閉控制閥門，完成管道清洗工作，這時(shí)管道中保持滿管清水，可供下一個(gè)充填班灰漿推水使用。

圖5 岱莊煤礦矸石膏體充填系統(tǒng)工藝流程

4 充填效果評(píng)價(jià)

隨著充填的進(jìn)行，在地表設(shè)立巖移觀測(cè)站，對(duì)地表沉陷效果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，為充填效果提供現(xiàn)實(shí)有效地?cái)?shù)據(jù)支持。

在地表移動(dòng)觀測(cè)時(shí)采用數(shù)字水準(zhǔn)儀與GPS相結(jié)合的方式進(jìn)行定期測(cè)量。測(cè)站設(shè)立2351工作面的正上方。地表巖移觀測(cè)站分別沿礦體走向和傾向主斷面布設(shè)了兩條觀測(cè)線。預(yù)測(cè)地表移動(dòng)盆地邊界角值為：走向綜合邊界角為52°；上山綜合邊界角為52°；下山綜合邊界角為51°。觀測(cè)結(jié)果如圖6～圖9所示。

圖6 鐵路點(diǎn)的下沉量

圖7 公路南點(diǎn)的下沉量

圖8 公路北點(diǎn)的下沉量

圖9 小路點(diǎn)的下沉量

根據(jù)測(cè)量結(jié)果，2351工作面的充填效果是非常好的，地表下沉較小，主要結(jié)論如下：

1)由圖6～圖9可知，2351工作面的開采還沒有影響到鐵路和公路南側(cè)的測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)的變化值不穩(wěn)定，在誤差允許的范圍內(nèi)。

2)在距工作面對(duì)應(yīng)的地表較近的位置，測(cè)點(diǎn)下沉量最大值為20.09mm左右，然而公路北距離工作面較遠(yuǎn)的測(cè)點(diǎn)下沉較大，最大值為58.2mm。

3)從圖6～圖9中數(shù)據(jù)可以看出，測(cè)點(diǎn)的測(cè)量有季節(jié)性因素的影響，夏季測(cè)點(diǎn)的高程要比冬季測(cè)點(diǎn)的高程高30～40mm。

4)2351矸石膏體充填工作面地表下沉系數(shù)為0.08～0.10。

5 結(jié)論

該項(xiàng)目研究成功，不僅為解決岱莊煤礦及濟(jì)北礦區(qū)不遷村開采難題，最大限度地采出煤炭資源，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限，更重要的是為解放我國(guó)煤礦大量村莊等建筑物占?jí)旱拿簩影l(fā)展、形成一套 “高采出率、環(huán)境協(xié)調(diào)、高效安全”的新型不遷村膏體充填開采技術(shù)，這是一項(xiàng)具有十分重要的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)保意義的工作。

[1] 李飛.岱莊煤礦2351綜采工作面膏體充填工藝[J].煤炭科技,2011(1),82-84.

[2] 錢鳴高,許加林,繆協(xié)興. 煤礦綠色開采技術(shù)[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2003,32(4):344-347.

[3] 周華強(qiáng)，侯朝炯，孫希奎，等. 固體廢物膏體充填不遷村采煤[J]. 中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，33(2):154-158.

[4] 郭文兵,鄧喀中,鄒友峰.我國(guó)條帶開采的研究現(xiàn)狀與主要問(wèn)題[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2004(8)：10-14.

[5] 溫國(guó)惠,周華強(qiáng),孫?？?等. 岱莊煤礦建筑物下遺留條帶煤柱砰石膏體充填開采[C].//第3屆全國(guó)煤炭工業(yè)生產(chǎn)一線青年技術(shù)創(chuàng)新文集.北京：煤炭工業(yè)出版社，2008.