王江濤

（山西晉煤集團(tuán)澤州天安隆東煤業(yè)有限公司，山西 晉城 048000）

晉煤集團(tuán)隆東礦井田范圍內(nèi)建筑物壓煤多，采用傳統(tǒng)的采煤方法無(wú)法有效保證地面建筑物的安全，充填開(kāi)采可以保證地面建筑物安全。因此，文中對(duì)采用的充填開(kāi)采技術(shù)進(jìn)行研究分析，以期更好地促進(jìn)礦井安全生產(chǎn)。

1 工程背景

該煤礦核定生產(chǎn)能力為120萬(wàn)t/a，采用平硐-斜井開(kāi)拓，地面標(biāo)高為+890m～960m，生產(chǎn)水平為+360m。礦井現(xiàn)開(kāi)采3號(hào)煤層，煤層厚度為2.8m。3號(hào)煤層直接頂為細(xì)砂巖，灰色，厚度為6.8m，層理發(fā)育；老頂為厚度9.6m的中砂巖，灰色，含植物化石，局部夾雜有泥巖，層理及裂隙發(fā)育；直接底為厚度4.2m細(xì)砂巖，灰黑色，具有波狀層理。礦井地面建筑物下壓覆煤炭為優(yōu)質(zhì)焦，且壓覆面積大，礦井剩余煤炭?jī)?chǔ)量已經(jīng)不能滿足礦井后續(xù)生產(chǎn)需要，若放棄對(duì)建筑物下壓覆的優(yōu)質(zhì)煤炭進(jìn)行開(kāi)采，勢(shì)必會(huì)大幅降低礦井煤炭?jī)?chǔ)量及開(kāi)采服務(wù)時(shí)限，影響礦井經(jīng)濟(jì)效益及發(fā)展。

2 壓煤開(kāi)采方法研究

2.1 壓煤開(kāi)采方法確定

該礦始建于上世紀(jì)70年代，距今已有接近50年的生產(chǎn)歷史。礦井地面積存有大量的煤矸石，且每年從井下運(yùn)輸大量的煤矸石至矸石山。

開(kāi)采的3號(hào)煤層為優(yōu)質(zhì)焦煤，價(jià)格高。在確定充填開(kāi)采方案時(shí)必須考慮到充填對(duì)煤炭生產(chǎn)的影響，不能因充填對(duì)礦井產(chǎn)能造成影響，或者將充填對(duì)礦井產(chǎn)能的影響降低到最低，且能夠保證地面建筑物的變形處于安全的可控范圍之內(nèi)。充填開(kāi)采之后，地面的建筑物變形絕大部分應(yīng)控制在I級(jí)之內(nèi)，少數(shù)II級(jí)，避免出現(xiàn)Ⅲ級(jí)，嚴(yán)禁出現(xiàn)Ⅳ級(jí)。

根據(jù)上述分析，煤礦井下工作面充填首選方案為工作面架后矸石散料充填。

2.2 架后散料充填材料選擇

（1）充填主體原料選擇

礦井50年開(kāi)采積累大量的矸石，地面矸石不僅占用大量的土地資源，而且還污染環(huán)境，同時(shí)增加了副井運(yùn)輸負(fù)荷。充填開(kāi)采時(shí)采用煤矸石作為充填材料，不僅可以實(shí)現(xiàn)廢物二次利用，變廢為寶，而且還可以節(jié)省大量的材料費(fèi)，保護(hù)環(huán)境。

（2）輔助材料（膠凝材料）選擇

方案一：粉煤灰

粉煤灰的粘結(jié)能力較強(qiáng)，可以作為充填輔助材料（膠凝材料）。但由于礦井自身未配套建設(shè)電廠，且礦井周邊未建設(shè)有電廠，礦井地表為山區(qū)，外購(gòu)的粉煤灰需要采用卡車進(jìn)行運(yùn)輸，運(yùn)輸成本高，粉煤灰購(gòu)買及運(yùn)輸折合100元/t。假定回采工作面日采煤量為2000t，充填材料中矸石及粉煤灰散料占比按照1:1，散料中粉煤灰占比為40%，則一天需要消耗的粉煤灰量為2000t×40%=800t。則每日粉煤灰購(gòu)買及運(yùn)輸成本達(dá)到8萬(wàn)元，對(duì)于礦井生產(chǎn)而言是一筆不小開(kāi)支，因此應(yīng)尋求另外一種輔料。

方案二：水泥

拿水泥作為充填開(kāi)采的輔助材料（粘結(jié)材料），不僅可以提升充填材料的強(qiáng)度，減少凝固時(shí)間，而且便于對(duì)充填工作進(jìn)行管理。市場(chǎng)上普通硅酸鹽水泥價(jià)格每噸約為300元，且購(gòu)買量大可以送貨上門(mén)，不存在礦井自行運(yùn)輸問(wèn)題。同時(shí)礦井生產(chǎn)出來(lái)的煤矸石內(nèi)含有矸石粉末，加入水泥之后，整體的充填材料密度可以達(dá)到2000kg/m3，每立方米充填材料中按照2袋水泥（100kg）進(jìn)行計(jì)算，水泥成本為30元。充填材料與煤炭置換比例按1:1進(jìn)行，每日煤炭產(chǎn)量按照2000t（體積約為1380m3）進(jìn)行計(jì)算，水泥占充填材料比重約5%，則每日的水泥消耗量為1380m3×2000kg/m3×5%=138t，每天充填開(kāi)采需要的水泥成本約為138t×300=4.14萬(wàn)元，約為粉煤灰成本的51.75%，不僅提升了充填材料的強(qiáng)度及粘結(jié)性，而且顯著降低了充填開(kāi)采成本。

通過(guò)對(duì)充填輔助材料的充填效果、成本核算等分析，選用水泥作為充填輔助材料綜合效果更為明顯。

3 地表移動(dòng)變形模擬

開(kāi)采采高為2.8m，充填材料選用煤矸石，主要輔助材料選用水泥。綜采開(kāi)采后可進(jìn)行充填。具體選用的充填開(kāi)采計(jì)算參數(shù)如表1所示，充填開(kāi)采地表下沉等值線圖如圖1所示。

表1 充填開(kāi)采計(jì)算參數(shù)表

圖1 充填開(kāi)采地表下沉等值線圖

通過(guò)模擬計(jì)算得出的充填開(kāi)采后地表移動(dòng)變形最大值如表2所示。

表2 充填開(kāi)采后地表移動(dòng)變形最大值

由表2可以看出，采用充填開(kāi)采后，采空區(qū)對(duì)應(yīng)的地表下沉值（W）、水平移動(dòng)（ε）、傾斜（i）等均在Ⅰ級(jí)損害范圍以內(nèi)，地表建筑物受到極輕微/輕微損害，僅需要輕微修繕即可。

4 經(jīng)濟(jì)效益及安全效益分析

4.1 經(jīng)濟(jì)效益分析

礦井產(chǎn)量按照120萬(wàn)t/a計(jì)算，回采面開(kāi)采高度按照2.8m，推進(jìn)速度按照2.4m（4個(gè)循環(huán)），日充填量按1475m3，年需要購(gòu)買的輔助材料（膠凝材料）費(fèi)用為1867.5萬(wàn)元，折舊費(fèi)264.66萬(wàn)元，年電費(fèi)56.72萬(wàn)元，維護(hù)費(fèi)42萬(wàn)元，油耗33萬(wàn)元，人工費(fèi)105萬(wàn)元，充填開(kāi)采每年合計(jì)增加費(fèi)用為1768.88萬(wàn)元。

采用矸石散料充填噸煤增加成本是：

2368.88萬(wàn)元/120萬(wàn)t=19.74（元/t）

充填采煤產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益：

（1）120萬(wàn)t煤市場(chǎng)銷售產(chǎn)生的效益：120萬(wàn)t×800元/t=96000萬(wàn)元

（2）產(chǎn)生120萬(wàn)t煤的成本：120萬(wàn)t×(270+19.74)元/t=34768.8萬(wàn)元

（3）充填采煤產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益：96000-34768.8=61231.2萬(wàn)元。

4.2 安全效益分析

采空區(qū)矸石和水泥輔料相結(jié)合的充填開(kāi)采方法能有效防止地面沉陷，從而避免了因煤炭開(kāi)采造成的建筑物開(kāi)裂和搬遷；矸石不運(yùn)出礦區(qū)，減少了人力勞動(dòng)，減輕人員施工風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)一定程度上避免了煤矸石自燃的隱患；進(jìn)一步改善“三下”采煤?jiǎn)栴}，增加煤炭資源回收。

5 結(jié)語(yǔ)

該煤礦地表無(wú)重要建筑物，煤層埋藏深度達(dá)到560m，賦存較深，賦存較為穩(wěn)定，采用工作面采空區(qū)矸石和水泥輔料相結(jié)合充填開(kāi)采方法，提高了充填密實(shí)度，能很好地實(shí)現(xiàn)預(yù)期的充填效果，達(dá)到防止地面沉陷的目的，取得良好的經(jīng)濟(jì)和安全效益。