田鏡楷
(山西西山金城建筑有限公司,山西 太原 030053)
膏體充填開采是利用水泥、煤矸石、粉煤灰、膠結(jié)料、礦井水等按一定比例制備成為似膏體充填料,從地面通過充填泵經(jīng)鉆孔和管路充填到回采工作面采空區(qū)進(jìn)行開采。該開采技術(shù)可以有效控制底板應(yīng)力變化,降低地表變形率,實現(xiàn)不遷村開采和承壓水上煤炭資源的開采,不僅適用于薄基巖提高開采上限工作面的開采,還適用于解放河堤和村莊壓煤的開采和高承壓工作面的開采。。山西西山金城建筑有限公司受斜溝礦委托,基于斜溝礦下組煤開采受太灰承壓水突出威脅的特點,設(shè)計采用膏體充填采空區(qū)進(jìn)行開采研究[1-6]。
山西西山煤電集團(tuán)斜溝礦地處河?xùn)|煤田北部遠(yuǎn)景普查區(qū)北中部,位于山西省興縣魏家灘鎮(zhèn),井田面積約88.6 km2,煤炭總資源/儲量2 401.18 Mt,可采儲量1 578.45 Mt,主采8#、13#煤層,設(shè)計生產(chǎn)能力15 Mt/a。井田地質(zhì)構(gòu)造簡單,總體為近南北、傾向西的單斜構(gòu)造,傾角為9°~12°。井田內(nèi)斷層多為小斷層,傾角均較小,未發(fā)現(xiàn)大斷層。區(qū)域陷落柱不發(fā)育,現(xiàn)還未發(fā)現(xiàn)陷落柱。18105 工作面開采8#煤層, 8#煤層位于山西組下部,結(jié)構(gòu)簡單,厚度為2.23~8.34 m,平均為4.87 m,含矸二層,第一層夾矸平均厚度0.2 m,第二層夾矸厚0.3~0.55 m。基本頂中粗粒砂巖,厚度2.89~10.87 m,平均6.23 m,灰白色,粒狀結(jié)構(gòu);直接頂以泥巖、粉砂巖為主,局部有泥巖或炭質(zhì),泥巖偽頂發(fā)育,為不穩(wěn)定~中等穩(wěn)定頂板,厚度1.49~3.20 m。底板10 m 以內(nèi)為深灰色泥巖或炭質(zhì)泥巖、鋁土質(zhì)泥巖,強度極低,變異系數(shù)為6.67%。
根據(jù)斜溝礦井田內(nèi)85 號及2 個補充勘探的水文孔的抽水試驗工作,補4 號水文孔抽水試驗資料,石炭系上統(tǒng)太原組灰?guī)r、砂巖含水層,本組中由L1、L2、L5 三層灰?guī)r組成,中間多隔以細(xì)砂巖和砂質(zhì)泥巖等,間距在10 m 以內(nèi)。8 號煤層與下部太灰含水層的間距較近,那么18105 工作面底板有承壓水的存在,會形成高承壓工作面,給煤礦開采帶來安全隱患。針對這一情況,必須要對18105 高承壓工作面進(jìn)行安全開采的技術(shù)研究。
18105 工作面回采期間,底板巷道可能受多次采動影響,煤層開采過程中回采巷道圍巖應(yīng)力場會發(fā)生變化,煤巖體發(fā)生應(yīng)變破壞。從探測結(jié)果顯示,8#煤層主要受下部太灰含水層承壓水的安全威脅,18105 工作面底板距太灰含水層的高度不夠,僅僅為16.9 m,監(jiān)測數(shù)據(jù)表明煤層底板承受的最大水壓為2.4 MPa 左右,水頭壓力大,容易發(fā)生突水安全事故,對煤礦開采的危害性較大。
假定18105 工作面全部采用垮落法進(jìn)行煤炭開采時,可以采用突水系數(shù)法對18105 工作面底板太灰承壓水突水危險性進(jìn)行評價。經(jīng)計算,底板太灰含水層突水系數(shù)為0.17~0.74 MPa/m,從東向西數(shù)值逐漸變大,大于0.10 MPa/m 的安全值。因此,基本可以確定18105 工作面全部采用垮落法進(jìn)行開采的話,底板突水危險性大,需要調(diào)整開采方案。
通過分析可知,18105 工作面底板太灰水含水層突水可能性較大,開采安全性非常差。針對18105 高承壓工作面采用膏體充填采空區(qū)的開采工藝,充填開采的示意圖如圖1。
圖1 18105 高承壓工作面膏體充填開采示意圖
經(jīng)計算,當(dāng)采空區(qū)充填體強度大于1.5 MPa 時,可以有效地對采空區(qū)進(jìn)行維護(hù)。結(jié)合為了充分保證高承壓工作面的開采特點,確定采空區(qū)充填體后期強度為2.0 MPa。
充填材料主要包括膠結(jié)料和骨料,經(jīng)過試驗和優(yōu)化最終確定的充填材料的構(gòu)成和配比為:膏體膠凝材料3%為膠結(jié)料、煤矸石50%為粗骨料、粉煤灰23%為細(xì)骨料,料漿質(zhì)量濃度為76%。充填材料優(yōu)化配比后在12 h、1 d、3 d、7 d、28 d 后抗壓強度分別為0.12 MPa、0.29 MPa、0.53 MPa、0.92 MPa、1.83 MPa。充填采空區(qū)的步距為2.4 m,充填采空區(qū)充填體高度為3.3 m。
充填系統(tǒng)設(shè)計充填能力72 m3/h。膏體充填技術(shù)采用泵送充填工藝,主要設(shè)備包括雙臥軸攪拌機(jī)1臺,柱塞泵1 臺,配料機(jī)1 臺,立式料倉1 座,配套鋼結(jié)構(gòu)1 套,自動控制系統(tǒng)1 套,集中輸送帶和上料輸送帶3 條,蒸汽鍋爐1 臺。立式料倉用來存放膠凝材料。為達(dá)到膏體料漿養(yǎng)護(hù)溫度要求,冬季用蒸汽鍋爐提高攪拌水溫。
充填工藝分析:(1)采用設(shè)備將煤矸石進(jìn)行破碎備用;(2)將破碎矸石、粉煤灰、膠結(jié)料和水等物料按優(yōu)化好的比例制備成似膏體漿液;(3)采用充填泵及相應(yīng)管道把膏體漿液輸送至充填工作面;(4)充填施工并檢查充填情況,是否需要補充充填。整個充填工藝施工過程中都是采用集中系統(tǒng)實現(xiàn)連續(xù)的自動化控制。
采用鉆孔注水法來檢測18105 高承壓工作面采用膏體充填開采的效果。在18105 運輸順槽距離停采線80 m 處位置布置2 個測站,每個測站布置4 個注水孔,孔間距2.0 m。注水壓力0.11~0.16 MPa,壓水時間20 min 左右,每隔5 min 對鉆孔注水量進(jìn)行一次記錄。從監(jiān)測數(shù)據(jù)可知,18105 高承壓工作面采用膏體充填開采時,對底板的破壞深度約為6 m,在監(jiān)測期間工作面未出現(xiàn)涌水異常情況。膏體充填開采的效果較為理想,有效地保障了18105 高承壓工作面的安全高效開采。
斜溝礦18105 高承壓工作面底板太灰承壓水經(jīng)理論分析和計算得知,全部采用垮落法進(jìn)行開采的話,底板存在非常大的突水危險性,針對這一情況設(shè)計采用采空區(qū)膏體充填進(jìn)行開采。在應(yīng)用實踐過程當(dāng)中,采用鉆孔注水法檢測結(jié)果表明:18105 高承壓工作面采用充填開采后底板破壞深度約為6 m,未出現(xiàn)異常涌水現(xiàn)象,充填效果較為理想,證明該技術(shù)的工業(yè)性試驗是成功的。