許文龍 郭 鋒 閆春來

（山東省兗州市大統(tǒng)礦業(yè)有限公司，山東 濟(jì)寧 273100）

1 概述

山東省兗州市大統(tǒng)礦業(yè)有限公司楊莊煤礦現(xiàn)在主采三煤。礦井于1997 年至2005 年進(jìn)行了九采區(qū)三煤層開采，工作面布置區(qū)域大部分三煤為已采區(qū)（已采一層，采高約2.2 m），該區(qū)域剩余煤厚4.9～7.15 m。為了解決礦井服務(wù)年限及資源枯竭的難題，同時減少回采對地面房屋損害，確保建筑物附近地表移動變形值不大于I 級，實(shí)現(xiàn)綠色開采，擬采用超高水充填技術(shù)進(jìn)行剩余煤炭資源開采。

2 超高水充填技術(shù)研究

2.1 充填系統(tǒng)概述

超高水充填材料由A、B 兩種主料和AA、BB兩種輔料組成。A 料主要由石膏、鋁土礦等獨(dú)立煉制而成，配合使用復(fù)合超緩凝分散劑AA 輔料；B料主要由石膏、石灰等構(gòu)成，配合使用復(fù)合速凝劑BB 輔料。A 與AA、B 與BB 分別加水制成A 和B單一漿液，兩種單一漿液混合后以1:1比例配合使用。材料固結(jié)體具有速凝早強(qiáng)特性，強(qiáng)度隨水體積分?jǐn)?shù)的增加而降低，固結(jié)體受壓后體積應(yīng)變小，基本認(rèn)定體積不可壓縮，材料特性十分有利充填采空區(qū)。

超高水充填技術(shù)主要包括以下系統(tǒng)（圖1）：漿體制備系統(tǒng)、漿體輸送系統(tǒng)、混合清洗系統(tǒng)，充填系統(tǒng)、供水供電系統(tǒng)、通訊系統(tǒng)。

圖1 超高水充填技術(shù)系統(tǒng)圖

充填總體工藝流程為：制備A、B 兩種單一漿液，將漿液存放于各自儲漿池中；然后通過漿體輸送系統(tǒng)把A、B 兩種單一漿體按1:1 的體積比輸送到充填位置，在A、B 單一漿體充分混合后進(jìn)入工作面對應(yīng)的充填系統(tǒng)。工作面采空區(qū)充填系統(tǒng)主要取決于充填基本方法的選擇。其中供水、供電與通訊系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)整個系統(tǒng)的輔助支持與協(xié)調(diào)子系統(tǒng)，保證充填工作按照需求進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)。

2.2 充填系統(tǒng)選址及能力需求

C9301 充填工作面為復(fù)采充填工作面，北部一小部分為未采的實(shí)體煤，煤厚約8.5 m。工作面沿3 煤層（局部沿頂、局部沿底）布置，先俯采后仰采。工作面整體位于興隆莊村東側(cè)，趙王河西側(cè)工作面軌道順槽、運(yùn)輸順槽走向長度均為804.73 m，切眼傾向長度約為85.0 m，開采面積67 255 m2。自切眼推進(jìn)至67 m、自755 m 至794 m 區(qū)域采厚為3.5 m，自67 m 推進(jìn)至755 m 采厚為4.0 m，容重1.35 t/m3。該工作面工業(yè)儲量為35.7 萬t，按照93%回采率計(jì)算可采儲量為33.2 萬t。

超高水充填注漿站安設(shè)在工業(yè)廣場西南部。為有效節(jié)約水資源，使用礦井外排水作為水源。為滿足冬季充填時水溫不低于15 ℃的要求，使用暖氣對蓄水池進(jìn)行供暖。

充填工作面平均采高4.0 m，循環(huán)進(jìn)尺0.6 m，按照“三刀一充”要求充填步距為1.80 m。工作面按照最大面長100 m（含兩巷）進(jìn)行全部充填，計(jì)算工作面充填空間體積為：

式中：V為工作面充填空間體積，m3；L充為工作面充填長度，m；W充為工作面充填步距，取1.80 m；H充為工作面充填高度，m。

工作面充填采用全袋（包）式充填方法。根據(jù)充填經(jīng)驗(yàn)，首先要清理充填區(qū)域底板，然后掛包、鋪設(shè)充填管路等充填準(zhǔn)備工作，正常充填3 h。計(jì)算理論制漿能力為：

式中：Q為系統(tǒng)整體制漿能力，m3；t為工作面充填時間，h；η為系統(tǒng)效率，取0.9；λ為系統(tǒng)備用系數(shù)，取1.2。

工作面進(jìn)行充填時，有可能漿體需求量無法精確估計(jì)，以及為了對充填開始與結(jié)束時更好地進(jìn)行控制，充填過程中不可能全程按照制漿系統(tǒng)的最大制備能力進(jìn)行輸送。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，確定整體充填過程中漿體輸送能力為100～160 m3/h，平均輸送能力為120 m3/h。充填系統(tǒng)能夠滿足要求。

2.3 漿體輸送、混合與管路清洗系統(tǒng)

C9301 工作面管路鋪設(shè)途徑為：制漿站A、B 單漿儲漿池→鉆孔套管→南翼回風(fēng)大巷→九采回風(fēng)大巷→C9301 一號運(yùn)輸聯(lián)絡(luò)巷A、B 單漿管→C9301 工作面軌道順槽A、B 單漿管→C9301 工作面軌道順槽混合器三通（位于工作面煤壁40～100 m 范圍內(nèi)）→混合器→工作面分支充填管→工作面充填袋內(nèi)。

2.3.1 C9301 工作面充填管路需求

根據(jù)C9301 工作面長度計(jì)算A、B 單漿管路：（1600+1500）×2=6200 m。同時，為了保證混合效果，混合管路的第一個分支管路至混合三通距離大于80 m。

2.3.2 輸送泵選型

輸送泵選型要求為輸送能力應(yīng)滿足最大充填要求。超高水材料需傳送A、B 兩種漿體且按1:1 進(jìn)行混合，前邊計(jì)算制漿系統(tǒng)單漿最大制漿能力為160 m3/h。根據(jù)匹配原則與漿體特點(diǎn)，選用輸送泵（單泵）實(shí)際輸送能力不低于160 m3/h 的輸送泵進(jìn)行輸送，其額定輸送壓力能克服漿體輸送時的阻力。

2.3.3 漿體混合系統(tǒng)

超高水充填技術(shù)采用雙料輸送系統(tǒng)，兩種單一漿體在輸送到采空區(qū)管路前必須充分混合。該項(xiàng)工作主要由漿體混合系統(tǒng)來完成，主要裝置為混合三通。

混合三通（圖2）主要是兩個入口140 mm 變一個180 mm 出口的三通，由無縫鋼管焊接而成?；旌先▋蓚€140 mm 端頭分別接A、B 單漿管路，180 mm 端頭與混漿管路連接。

圖2 混合三通結(jié)構(gòu)示意圖（mm）

2.3.4 漿體輸送管路清洗系統(tǒng)

超高水材料漿體通過管路輸送，為防止單漿管路長期使用過程中的漿體掛壁及混合管路突發(fā)情況的堵管現(xiàn)象，必須對管路進(jìn)行清洗，一般分為全局清洗與緊急清洗。

全局清洗是指超高水充填工作結(jié)束后，對漿體輸送與混合的所有管路進(jìn)行一次全面清洗。清洗范圍主要包括單漿管路、混合器、混合三通、混合管、分支管路。

緊急清洗是指如果系統(tǒng)突發(fā)故障（制漿系統(tǒng)故障、單漿管路嚴(yán)重漏漿、充填袋破損等）在5 min內(nèi)不能恢復(fù)正常，為防止混合管路中的漿體快速凝結(jié)造成堵管而對混合管路進(jìn)行清洗的工序。

2.4 充填袋

按照“三刀一充”要求充填，即每推進(jìn)1.8 m進(jìn)行一次充填。充填時每排布置5 個充填袋，長度為12 個液壓支架寬度即18 m（靠溜頭側(cè)充填體長度為11 個液壓支架寬度即16.5 m）。為了保證充填袋尺寸滿足工作面推進(jìn)參數(shù)，當(dāng)采高為4 m 時充填袋設(shè)計(jì)尺寸為：長×寬×高=20.0 m（18 m）×2.2 m×4.5 m；當(dāng)采高為3.5 m 時，充填袋設(shè)計(jì)尺寸為：長×寬×高=20.0 m（18 m）×2.2 m×4.0 m。充填袋使用柔性不燃材質(zhì)，在充填空間確定的前提下各個方向應(yīng)留富余量，以便提高其延展性。

2.4.1 充填袋相關(guān)參數(shù)

充填袋設(shè)計(jì)留有2 個孔即注漿孔與排氣孔。充填過程中應(yīng)根據(jù)工作面坡度情況而定，輸漿管與高處注漿孔對接，低處的注漿孔和排氣孔視排氣需求和液面高度進(jìn)行固定。充填袋加工時，材質(zhì)應(yīng)有足夠強(qiáng)度及抗靜電與抗阻燃性能，接縫要結(jié)實(shí)牢靠，滿足充填吊掛要求及《煤礦安全規(guī)程》要求。充填袋尺寸可根據(jù)工作面變化的實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整，確保符合實(shí)際需求。如圖3。

圖3 充填袋示意圖

2.4.2 充填袋充填工藝流程

（1）測量及清理。首先測量充填區(qū)域尺寸，計(jì)算充填總量后通知泵站。施工人員提前進(jìn)入架后清理冒落的矸石，及時將充填區(qū)域底板等清理平整。

（2）掛設(shè)。充填袋掛設(shè)時要盡量先掛前上方，再掛后上方。掛設(shè)完成后及時把充填袋拉直拽平，使得充填袋緊貼四周固定體。

（3）充填。初期充填時及時觀察充填漿體的變化情況，當(dāng)發(fā)現(xiàn)漿體達(dá)到要求時方可將充填管伸入充填入口內(nèi)并固定。每個充填袋充填過程中都安排專人進(jìn)行觀察，防止?jié){體直接沖擊充填袋。充填袋充滿后將伸入充填袋內(nèi)的管路抽出，并將入口處用塑料繩或扎帶綁扎，關(guān)閉此路閥門后用高壓水、壓風(fēng)或高壓液將管路沖洗干凈。充填時及時與泵站溝通，防止制漿過多。充填結(jié)束后，整理充填工具、沖洗工作面。

3 應(yīng)用效果分析

（1）超高水充填系統(tǒng)制漿能力能夠滿足C9301工作面正常充填需要，保證了C9301 工作面33.2 萬t 煤體的安全回采。

（2）使用工業(yè)廢水作為制漿用水，有效地實(shí)現(xiàn)了綠色開采。

（3）對地表移動變形值進(jìn)行了測量，地表水平變形小于2 mm/m，傾斜小于3 mm/m，地面建（構(gòu)）筑物破壞等級均不大于I 級。