謝國(guó)強(qiáng)，楊軍輝，，謝生榮，張廣超，肖殿才，張興娜

（1.冀中能源股份有限公司邢東礦，河北 邢臺(tái)054000；2.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京）資源與安全工程學(xué)院，北京100083）

建筑物下壓煤?jiǎn)栴}一直制約著我國(guó)煤礦的可持續(xù)發(fā)展，且矛盾日益突出［1］。為了解決建筑物下壓煤?jiǎn)栴}，矸石充填、膏體充填、似膏體充填和高水材料充填等開采技術(shù)在許多礦區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)與應(yīng)用［2－5］。充填開采技術(shù)是煤礦綠色開采體系的重要組成部分，可有效解決建筑物下壓煤?jiǎn)栴}，提高煤炭資源開采的安全可靠性［6］。邢東礦剩余的煤炭資源儲(chǔ)量中的85%以上為村莊壓煤，制約著礦井的資源回收率及可持續(xù)發(fā)展能力，因此，村莊下煤炭煤炭資源開采已成為邢東礦首要亟待解決的難題。因此，針對(duì)邢東礦的地質(zhì)生產(chǎn)條件及各種充填技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出在1126大采高綜采面開展超高水材料充填開采技術(shù)試驗(yàn)，以期實(shí)現(xiàn)村莊下安全高效開采。

1 工程概況

邢東礦1126工作面地面標(biāo)高＋56.5～＋58.0m，位于東郭村莊北約1km處，工作面東南約1.2km是石家屯村；井下位于－760軌道大巷東北方向，西邊為2223探巷，工作面北部40m左右是DF10斷層，大致與工作面平行，南部200m為F23導(dǎo)水?dāng)鄬?；工作面走向長(zhǎng)501m，傾斜長(zhǎng)70m，平均推進(jìn)長(zhǎng)度441m，工作面長(zhǎng)度60m（加兩巷為70m），面積26467m2。1126工作面主采2＃煤層，該煤層為深黑色、玻璃光澤、塊狀構(gòu)造、節(jié)理發(fā)育、參差狀斷口，主要由亮煤組成，并夾有鏡煤暗煤條帶，屬半光亮型煤，具有灰份低、磷份低、硫份低、發(fā)熱量高等特點(diǎn)，其煤種為氣肥煤類。煤層標(biāo)高為－740～－825m，厚度為4.43～4.80m，平均厚度4.7m，煤層平均傾角10.3°。

2 綜合機(jī)械化超高水材料充填采煤技術(shù)

2.1 超高水材料充填采煤方法

綜合機(jī)械化超高水充填采煤是指在綜合機(jī)械化工作面采煤作業(yè)的基礎(chǔ)上，在采空區(qū)進(jìn)行超高水材料充填作業(yè)，實(shí)現(xiàn)采場(chǎng)礦壓與地表沉陷控制。該充填采煤法具有如下特點(diǎn)［4，7］：①超高水材料采空區(qū)充填成本低，勞動(dòng)強(qiáng)度低，適宜大規(guī)模采空區(qū)充填；②超高水材料流動(dòng)性好，不易堵管，易于遠(yuǎn)距離輸送，其制漿系統(tǒng)可置于地面，能生產(chǎn)出連續(xù)的漿液；③超高水材料所需固體材料少，解決了煤礦固體充填材料缺乏的問題，且對(duì)礦井輔助運(yùn)輸無影響；④充填工藝簡(jiǎn)單，機(jī)械化程度高，操作方便，充填與開采互不影響，適應(yīng)性較強(qiáng)；⑤高水材料構(gòu)筑充填體速度快，凝固速度快，密閉采空區(qū)效果好，有良好的承載性能；⑥充填漿液還可充填采空區(qū)冒落帶上方巖層較小的間隙，減緩圍巖下沉。

綜合機(jī)械化超高水材料充填采煤可實(shí)現(xiàn)在充填液壓支架掩護(hù)下采煤與充填并行作業(yè)，采煤與運(yùn)煤系統(tǒng)布置與傳統(tǒng)綜采相同。實(shí)現(xiàn)超高水材料充填采煤技術(shù)難點(diǎn)是要解決大采高充填液壓支架、充填系統(tǒng)及采煤與充填工藝的問題。

2.2 分體式充填液壓支架

為了與1126大采高綜采面超高水充填系統(tǒng)相配套，邢東礦與相關(guān)單位合作研發(fā)了新型超高水充填材料分體式液壓支架。該支架由前置支架和后置支架組成，前置液壓支架負(fù)責(zé)采煤機(jī)割煤時(shí)期的頂板支護(hù)，后置液壓支架負(fù)責(zé)充填時(shí)期的頂板支護(hù)，實(shí)現(xiàn)了回采充填分離式采煤工藝，不僅可以起到采煤時(shí)對(duì)頂板的支護(hù)，還可以實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的充填，兩項(xiàng)工藝互相配合、互相補(bǔ)充、節(jié)約時(shí)間、提高效率，真正意義上實(shí)現(xiàn)支護(hù)充填一體化作業(yè)。為了防止頂部落矸，頂梁設(shè)計(jì)成框型插接結(jié)構(gòu)，保證支架頂梁全部密封。前后支架采用油缸連接，油缸長(zhǎng)度2100mm，按照采煤進(jìn)刀步距700mm計(jì)算，每采三刀煤移動(dòng)一次后置支架。

1126大采高綜采面共采用ZC7730／30／50前置支架、ZC4670／30／50后置支架和ZC6535／30／50后置支架三種支架，其技術(shù)參數(shù)見表1。ZC7730／30／50前置支架和 ZC4670／30／50后置支架組成ZC12400／30／50分體式充填液壓支架，ZC7730／30／50前置支架和 ZC6535／30／50后置支架組成ZCG14265／30／50隔板支架，5架隔板支架將工作面分成了4個(gè)不同的充填區(qū)域進(jìn)行充填。充填支架主要配套設(shè)備為 MG500／1140－WD采煤機(jī)、SGZ－800／500刮板輸送機(jī)和SZZ－800／200轉(zhuǎn)載機(jī)。

2.3 超高水材料充填系統(tǒng)

2.3.1 充填材料及充填袋

充填材料選用超高水速凝固結(jié)充填材料（簡(jiǎn)稱超高水材料），主要由AB兩種物料，分別加入8～11倍水組成。A料主要以鋁土礦石膏等獨(dú)立煉制并復(fù)合超緩凝分散劑構(gòu)成，B料由石膏、石灰和復(fù)合速凝劑構(gòu)成，兩者按1∶1的比例進(jìn)行配比。超高水材料固結(jié)體具有體積應(yīng)變小，凝固時(shí)間易調(diào)，輸送距離不受大的限制等優(yōu)點(diǎn)［8－9］。

充填袋規(guī)格尺寸與工作面面長(zhǎng)、采高及循環(huán)進(jìn)尺三個(gè)維度形成的采空空間有關(guān)。充填袋規(guī)格為15m×2.2m×4.8m（長(zhǎng)×寬×高），其材質(zhì)有足夠的強(qiáng)度及抗靜電、抗阻燃性能，接縫結(jié)實(shí)牢靠，其上縫制的吊掛（固定）環(huán)間距為1000mm，每個(gè)充填袋留有4個(gè)孔，分別為注漿孔和排氣孔，注漿孔和排氣孔直徑100mm，外漏長(zhǎng)度600mm。

2.3.2 料漿制備系統(tǒng)

料漿制備是按充填要求，將固體粉料配制出相應(yīng)的液態(tài)漿體，便于長(zhǎng)距離輸送，料漿制備的好壞將直接影響充填的成功與否。制漿系統(tǒng)由A、B兩套系統(tǒng)組成，每套系統(tǒng)的設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為110m3／h，其中A、B制漿系統(tǒng)設(shè)備完全相同，每條生產(chǎn)線均由攪拌主機(jī)、配料裝置、卸料裝置、添加劑配制裝置、氣路控制系統(tǒng)和電器控制系統(tǒng)等組成。邢東礦料漿制備系統(tǒng)布置于地面，通過管路將充填料漿輸送至充填工作面。

2.3.3 料漿輸送系統(tǒng)

料漿輸送系統(tǒng)要求輸送能力滿足生產(chǎn)要求，輸送運(yùn)行可靠平穩(wěn)，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，易于管理；由輸送泵、輸送管路組成的料漿輸送系統(tǒng)及混漿系統(tǒng)組成。輸送管路選用外徑為114mm，壁厚為5mm的無縫鋼管，管路間以法蘭聯(lián)接，管路布設(shè)角度應(yīng)保證管內(nèi)漿體具有較好的自流傾向性，以防止充填漿體的聚集沉淀；混合管路選用外徑為159mm，壁厚9mm內(nèi)壁光滑的無縫鋼管，長(zhǎng)度100m，為了改善混合效果，在管內(nèi)加裝葉片。整套系統(tǒng)的輸送路線為：地面充填站→充填孔通道→1122運(yùn)料巷→－760軌道巷→1126運(yùn)料車場(chǎng)→1126運(yùn)料巷→1126工作面。

2.4 采煤與充填工藝

1）該面采用單一厚煤層一次采全高傾斜長(zhǎng)壁后退式采煤法，用高水材料采后充填方法控制采空區(qū)頂板。端頭斜切進(jìn)刀，MG500／1140－WD型交流電牽引采煤機(jī)雙向穿梭采煤，前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤，機(jī)組滾筒螺旋葉片和運(yùn)輸機(jī)鏟煤板將煤自行裝入SGZ－800／2×250型雙中心鏈可彎曲刮板輸送機(jī)運(yùn)送。工作面采用“三八”制作業(yè)方式，一班回采，一班充填，一班檢修。

2）工作面采用混合式充填，采空區(qū)充填時(shí)，根據(jù)需要采用充填袋（包）與開放式充填相結(jié)合。充填工作面布置。具體做法為：利用5個(gè)隔板支架，將工作面分成4個(gè)區(qū)域，沿工作面方向共布置4個(gè)包，包與包間隔一個(gè)支架寬度，每個(gè)包橫跨9（10）個(gè)支架的充填空間。

3）充填工藝流程為：后置支架拉架→掛袋充填準(zhǔn)備→輸送料漿→正常充填→管道清洗→充填結(jié)束驗(yàn)收→凝固、檢修。當(dāng)采煤機(jī)往前割三刀煤后，確保液壓支架各系統(tǒng)完好的情況下可以進(jìn)行充填工作，充填時(shí)應(yīng)盡量保證幾個(gè)充填袋同時(shí)進(jìn)行充填，應(yīng)避免所有的漿液都流向一個(gè)充填袋內(nèi)，充填后必須保證充填袋內(nèi)有95%以上的料漿，凝固時(shí)期前置支架以及采煤機(jī)可以正常工作，但不得移動(dòng)后置液壓支架。首次充填需在開切眼設(shè)立支撐墻作為支撐以防治破包，對(duì)于其后的充填袋則可以直接靠在前一組充填袋上而不需要再設(shè)立支撐墻。

4）1126工作面為后退式仰采工作面，不能保證所有的注漿口都在同一水平上，因此選擇所掛包體頂面的最高點(diǎn)注漿孔作為注漿口，避免因注漿孔的選擇錯(cuò)誤而導(dǎo)致無法將包體注滿。隨著采煤工作面的推進(jìn)，拆除輸送A、B物料的單料漿管，料漿混合管（槽）長(zhǎng)度不改變，料漿混合系統(tǒng)不拆除，以確保料漿的混合均勻。

3 充填開采試驗(yàn)效果及分析

在工作面布置支架工作阻力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，監(jiān)測(cè)工作面推進(jìn)過程中支架工作阻力變化情況，圖1為某一支架工作阻力監(jiān)測(cè)結(jié)果。由圖1可知：工作面推進(jìn)過程中無明顯來壓現(xiàn)象；支架后柱工作阻力高于前柱工作阻力，究其原因是直接頂砂巖較硬，在充填體的作用下，未發(fā)生明顯破斷，加之老頂?shù)幕剞D(zhuǎn)下沉使得支架后柱上方壓力增加。地面沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿工作面方向和推進(jìn)方向于地面各布置一組，呈十字交叉狀，監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，沿工作面推進(jìn)方向和工作面走向各測(cè)點(diǎn)形變量不同，變形值都較小，地表最大變形量未超過2cm，控制地表變形在I級(jí)形變以內(nèi)。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明，1126采空區(qū)超高水充填開采對(duì)地表沉降取得了很好地控制效果，對(duì)地面建筑物的影響較小，最大限度的減小開采沉陷對(duì)地表建筑物的影響。該技術(shù)在1126工作面已成功回采37416t煤，系統(tǒng)充填能力可達(dá)216m3／h，預(yù)計(jì)生產(chǎn)工藝穩(wěn)定成熟后，回采產(chǎn)量可達(dá)60萬(wàn)t／a，解決了邢東礦可采資源緊張、村莊下壓煤回采的技術(shù)難題。經(jīng)計(jì)算可解放村莊下壓煤1478.2萬(wàn)t，創(chuàng)造利潤(rùn)44.346億元。

圖1 工作面推進(jìn)過程中某支架工作阻力變化

圖2 地表沉降變形曲線

4 結(jié)論

1）綜合機(jī)械化超高水材料充填開采技術(shù)有效地解決了邢東礦大埋深壓滯煤炭資源的開采難題，大幅提升資源回采率，實(shí)現(xiàn)礦井可持續(xù)發(fā)展。

2）研制的分體式大采高充填支架為邢東礦厚煤層、大埋深的復(fù)雜地質(zhì)條件下充填開采提供了基礎(chǔ)條件。

3）該技術(shù)具有機(jī)械化程度高、充填工藝簡(jiǎn)單、操作方便，運(yùn)行成本低、適應(yīng)性強(qiáng)、充填效果好等優(yōu)點(diǎn)，還可實(shí)現(xiàn)采煤與充填平行作業(yè)。

［1］錢鳴高，許家林，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）：343－348.

［2］繆協(xié)興，張吉雄，郭廣禮.綜合機(jī)械化固體充填采煤方法與技術(shù)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（1）：1－6.

［3］杜計(jì)平，汪理全.煤礦特殊開采方法［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2003.

［4］許家林，軒大洋，朱衛(wèi)兵.充填采煤技術(shù)現(xiàn)狀與展望［J］.采礦技術(shù)，2011，11（3）：24－30.

［5］崔增娣，孫恒虎.煤矸石凝石似膏體充填材料的制備及其性能［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（6）：896－899.

［6］錢鳴高，繆協(xié)興，許家林.資源與環(huán)境協(xié)調(diào)（綠色）開采［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2007，32（1）：1－7.

［7］馮光明，孫春東，王成真，等.超高水材料采空區(qū)充填方法研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（12）：1963－1967.

［8］丁玉，馮光明，王成真.超高水充填材料基本性能試驗(yàn)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2011，36（7）：1087－1092.

［9］謝國(guó)強(qiáng).大采高綜采面高水材料充填開采礦壓顯現(xiàn)規(guī)律研究［D］.北京：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），2012.