胡智平

（霍州煤電集團(tuán)紫晟煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 霍州031400）

0 引言

我國(guó)存在大量的“三下”壓煤資源約58億t，截止目前開(kāi)采出的壓煤資源僅占?jí)好嚎偭?%，主要有搬遷、條帶充填、膏體充填等幾種開(kāi)采方式。目前開(kāi)采“三下”壓煤的方式，超過(guò)一半的煤層采用搬遷村莊的方式，這種方式一方面土地征用困難、手續(xù)復(fù)雜，另一方面給煤礦企業(yè)帶來(lái)了沉重的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。因此，如何安全高效的開(kāi)采“三下”壓煤，提高煤炭資源采出率，減小采礦業(yè)對(duì)自然及社會(huì)環(huán)境的影響和破壞，實(shí)現(xiàn)煤炭資源的綠色開(kāi)采是目前的重要課題；而充填開(kāi)采作為綠色開(kāi)采方式，能有效的控制上覆巖層移動(dòng)和地表沉陷，解決“三下”壓煤開(kāi)采問(wèn)題[1-4]。

1 工程概況

1.1 工程概況

紫晟煤業(yè)隸屬于霍州煤電集團(tuán)，位于霍州市辛置鎮(zhèn)西南約2 km處北益昌村一帶，礦井瓦斯絕對(duì)涌出量1.93 m3/min，相對(duì)涌出量1.26 m3/t，瓦斯等級(jí)鑒定為低瓦斯礦井。礦井采用斜井-立井聯(lián)合開(kāi)拓，礦井目前在2號(hào)煤層布置1個(gè)綜采工作面和2個(gè)綜掘工作面，工作面采用走向長(zhǎng)壁采煤方法、采煤工藝為綜采一次采全高，頂板管理方法為全部垮落法。

2號(hào)煤層直接頂以粉砂巖、砂質(zhì)泥巖為主，局部為細(xì)砂巖、中砂巖及泥巖，平均厚度4.29 m，底板以泥巖為主，其次為砂質(zhì)泥巖及粉砂巖，平均厚度2.49 m。該礦多年采掘生產(chǎn)中，2號(hào)煤層頂、底板較穩(wěn)定，截止2018年底，2號(hào)煤層資源儲(chǔ)量為2265萬(wàn)t，“三下”壓煤量達(dá)715.1萬(wàn)t，占礦井資源儲(chǔ)量的31.6%。煤層可作為很好的煉焦用煤。2號(hào)煤賦存穩(wěn)定、煤層厚、煤質(zhì)好、儲(chǔ)量豐富，井田具有良好的資源條件。因此，如何解決“三下”壓煤的安全開(kāi)采是紫晟煤業(yè)目前面臨的急迫問(wèn)題。

1.2 設(shè)計(jì)區(qū)域地質(zhì)概況

根據(jù)紫晟煤業(yè)回采工作面的地表移動(dòng)變形實(shí)測(cè)結(jié)果分析得出，大面積全部垮落法開(kāi)采后區(qū)域地表下沉嚴(yán)重，地表下沉平均值約2 061 mm。地表沉陷不但給居民生產(chǎn)生活帶來(lái)較大影響，同時(shí)也給企業(yè)造成大量的資金投入，嚴(yán)重影響著煤礦的安全生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展。

設(shè)計(jì)區(qū)域地面位于南東村以南，汾河、南同蒲鐵路以西，山西橡膠廠以北，辛置煤礦以東，設(shè)計(jì)區(qū)域面積約1.65 km2。井下位于工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱南側(cè)，西至回風(fēng)大巷，南至一采區(qū)回風(fēng)上山，東至F1斷層，北部、南部均為未采實(shí)區(qū)。井下標(biāo)高+107～+197 m，埋深390～503 m。設(shè)計(jì)區(qū)域南部幾乎被北益昌村壓覆，開(kāi)采將對(duì)地表建（構(gòu)）筑物有一定的影響。充填開(kāi)采技術(shù)能夠解決紫晟煤業(yè)2號(hào)煤層建筑物下壓煤開(kāi)采的問(wèn)題，確保地面村莊及建筑物的安全。解決村莊下壓煤安全開(kāi)采難題、解放安全保護(hù)煤柱、最大限度地回收了礦產(chǎn)資源、保護(hù)地下與地表環(huán)境、提高安全開(kāi)采保障程度等，實(shí)施充填開(kāi)采具有重大現(xiàn)實(shí)意義。

2 壓煤開(kāi)采方案的比選

目前的方案主要有：①搬遷開(kāi)采；②條帶開(kāi)采；③綜采固體充填開(kāi)采；④長(zhǎng)壁膏體充填開(kāi)采。針對(duì)以上4種開(kāi)采方案，搬遷開(kāi)采費(fèi)用很高及實(shí)施起來(lái)較為困難，周期長(zhǎng)；條帶開(kāi)采掘進(jìn)率高、回采率低、工作面設(shè)備搬家次數(shù)多。相比較后2種開(kāi)采方法較為合適，下面對(duì)后2種方法進(jìn)一步對(duì)比分析，見(jiàn)表1。

表1 技術(shù)對(duì)比表

通過(guò)比較分析可知，矸石固體充填雖然費(fèi)用較低，但是矸石直接充填密實(shí)度較低，控制地面沉陷效果較差；而膏體充填密實(shí)度較高，充填材料費(fèi)用便宜，且能夠靈活調(diào)節(jié)充填體強(qiáng)度，對(duì)地面沉陷控制較好，可以適應(yīng)各種開(kāi)采條件。因此，膏體充填開(kāi)采更為合適。

針對(duì)膏體充填提出2種方案：一是綜合機(jī)械化膏體泵送充填；二是短壁膏體短壁膏體連采連充充填。綜合機(jī)械化膏體泵送充填機(jī)械化程度高，出煤量大，同時(shí)對(duì)地面沉陷效果較好；但該技術(shù)設(shè)備投資較大，且對(duì)煤層地質(zhì)條件適應(yīng)性較差，且礦井現(xiàn)有支架為綜采液壓支架，新購(gòu)置一套充填液壓支架資金投入較大。相比之下，短壁膏體短壁膏體連采連充充實(shí)率、充填效果及對(duì)地表下沉控制都要好于綜合機(jī)械化膏體泵送充填，對(duì)地質(zhì)條件要求較低，且投資相對(duì)要少。綜上所述，紫晟煤業(yè)推薦采用短壁膏體短壁膏體連采連充技術(shù)。

3 充填工作面方案設(shè)計(jì)

3.1 工作面設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)區(qū)域?yàn)橐徊蓞^(qū)，支巷設(shè)計(jì)長(zhǎng)度120 m、寬5 m，共布置8個(gè)工作面接替順序?yàn)?02、104、106、108、110、112、114、116，均采用短壁矸石膏體短壁膏體連采連充開(kāi)采，工作面布置如圖1所示。

圖1 一采區(qū)短壁膏體連采連充工作面布置圖

結(jié)合礦井地質(zhì)及掘進(jìn)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，減少連采機(jī)的拐彎次數(shù)，盡量增加支巷的長(zhǎng)度，保證連采機(jī)后部連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)有一定的長(zhǎng)度，增加掘進(jìn)效率，確定工作面長(zhǎng)度120 m。根據(jù)工作面巖層柱狀圖厚度、各巖層巖性（容重、彈性模量、單軸抗壓強(qiáng)度等指標(biāo)），同時(shí)考慮到采煤現(xiàn)場(chǎng)的施工因素，采掘一體機(jī)的割煤范圍，綜合確定一個(gè)開(kāi)采單元寬度10 m，其中支巷寬5 m，煤柱寬5 m。

3.2 工作面回采工藝

一采區(qū)2號(hào)煤層工作面設(shè)計(jì)支巷長(zhǎng)度為120 m，支巷寬度5 m，工作面回采采用跳采間隔充填的方式，如圖2所示。支巷平行布置，靠近順槽的第一個(gè)支巷設(shè)置保護(hù)煤柱，5 m寬，支巷由內(nèi)向外編號(hào)為1、3、5…，支巷之間煤柱寬5 m，煤柱由內(nèi)向外編號(hào)為2、4、6…，因此，先采奇數(shù)支巷充填后再采偶數(shù)支巷，直至整個(gè)工作面回采充填完畢。

圖2 短壁短壁膏體連采連充工作面示意

3.3 近水平煤層充接頂工藝

短壁膏體連采連充最大的技術(shù)問(wèn)題是要保證支巷充分接頂，一般在設(shè)計(jì)過(guò)程中要充分利用煤層的傾角實(shí)現(xiàn)膏體自流充分接頂，煤層傾角最好控制在8°～10°，傾角太小膏體自流效果較差，傾角太大則對(duì)支巷口擋漿墻形成較大的沖擊，不利于安全生產(chǎn)。紫晟煤礦設(shè)計(jì)區(qū)煤層傾角3°～5°，屬于近水平煤層，為提高充填接頂效果，采用分段帶壓接頂方法，每一條支巷分成4段，每段長(zhǎng)度30 m，膏體管道出口壓力控制在0.3～0.5 MPa，實(shí)現(xiàn)帶壓接頂。

4 工作面覆巖變形觀測(cè)

對(duì)工作面充填體變形監(jiān)測(cè)，每隔25 m布置1個(gè)觀測(cè)點(diǎn)。走向觀測(cè)線和傾向觀測(cè)線的布置充分考慮了礦區(qū)周圍實(shí)際情況，使測(cè)點(diǎn)利于埋設(shè)和長(zhǎng)期觀測(cè)。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)繪制圖3：

圖3 支巷6位置25、55 m處充填體變形-時(shí)間曲線

如圖3所示，支巷6充填體在25m處前六天保持穩(wěn)定，而后出現(xiàn)2次變形量明顯增加，但變形量很小；在55m處，前23d充填體保持變形穩(wěn)定，而后出現(xiàn)1次變形量明顯增加，且變形量很小。

如圖4所示，支巷10充填體在25m處前15d保持穩(wěn)定，而后出現(xiàn)1次變形量明顯增加，但變形量很??；在55m處，前15天充填體保持變形穩(wěn)定，而后出現(xiàn)1次變形量明顯增加，且變形量很小。

圖4 支巷10位置25、55 m處充填體變形-時(shí)間曲線

如圖5所示，支巷14充填體在25 m處前5 d保持穩(wěn)定，而后出現(xiàn)1次變形量明顯增加，約30 cm左右；在55 m處，充填體保持變形穩(wěn)定。

圖5 支巷14位置25、55 m處充填體變形-時(shí)間曲線

綜上所述，充填體變形量處于控制范圍內(nèi)，對(duì)地表建筑物不會(huì)產(chǎn)生影響。

5 效益分析

針對(duì)紫晟煤業(yè)充填開(kāi)采“三下”壓煤進(jìn)行經(jīng)濟(jì)效益分析，參考紫晟煤業(yè)2019年原煤價(jià)格750元/t，采用膏體充填法導(dǎo)致成本增加472.24元/t，每年多采出煤炭30萬(wàn)t，充填30萬(wàn)t，年實(shí)現(xiàn)利潤(rùn) 8 332.8萬(wàn)元，不但提高了煤炭采出率，而且取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。