宋英明，劉東升，劉 浪，王 美，蘇 臣，楊 震，徐慶路

(1.榆林泰發(fā)祥礦業(yè)公司 麻黃梁煤礦，陜西 榆林 719100；2.西安科技大學 能源學院，陜西 西安 710054；3.教育部西部礦井開采及災害防治重點實驗室，陜西 西安 710054)

煤炭是我國的主體能源，據(jù)報道，我國80%以上的礦井存在三下壓煤問題[1]，三下壓煤量達到140多億t，壓煤量巨大，其中，建筑物下壓煤量占三下壓煤總量的60%左右[2-4]。然而建筑物下煤炭資源開采量較少，利用率較低[5]。很多礦井都面臨建筑物下壓煤問題，造成諸多礦井有儲量而不能大規(guī)模開采的局面，嚴重影響煤礦企業(yè)的生產(chǎn)與經(jīng)濟效益。因此如何有規(guī)劃、高效、安全的解放建筑下壓煤問題，是目前煤炭企業(yè)急需解決的問題。

我國目前建筑物下采煤代表性的方法為條帶開采和充填開采[6]。條帶開采法即將被采煤層按一定間距或者不同間距劃分成若干條帶，間隔開采條帶，未采條帶作為保護煤柱，支撐頂板，減小地表移動變形，實現(xiàn)保護地表建筑物的目的[7]。彭莊礦、忻州窯礦采用條帶開采方法對村莊下煤炭資源進行回采[8，9]，但該方法采出率較低，約為40%～60%[10]，在復雜地質條件下采出率可能更低，而且條帶煤柱的長期穩(wěn)定性難以保證。充填法是用充填體本身的強度支撐上覆巖層，目前越來越多的礦井采用充填法解決建筑物下的壓煤問題。同時，國家對在建筑物下、鐵路下、水體下通過充填開采方式采出的礦產(chǎn)資源實行資源稅減征等優(yōu)惠政策，以及在我國綠色發(fā)展的理念倡導下，促使了充填采礦法的應用與推廣。對于煤礦充填材料，目前常用的有煤矸石、粉煤灰、風積沙和黃土等。例如，上河煤礦、榆陽煤礦采用風積沙、粉煤灰材料進行充填采煤[10-12]，岱莊煤礦使用煤矸石膏體充填技術回收條帶殘留煤柱[13]。

目前越來越多的煤礦以及研究者探索將固體廢棄物的處置與煤礦充填結合起來，我國在煤炭生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煤矸石約占煤炭產(chǎn)量的15%，據(jù)報道2020年將會有7.95億t煤矸石產(chǎn)生，而綜合利用率不到30%[14，15]。因此選用煤矸石作充填骨料，不僅可以解決煤矸石處理費用，而且減少矸石排放造成的占地以及環(huán)境污染等問題。另外添加粉煤灰作為輔助膠凝劑，代替部分水泥，可降低充填成本。

本文以麻黃梁煤礦建筑物下壓煤為生產(chǎn)技術條件，提出了四階段膏體充填開采技術，以及以煤矸石固體廢棄物處置為基本出發(fā)點，系統(tǒng)介紹了麻黃梁煤礦建筑物下四階段膏體充填采煤工藝，對開采后充填效果進行評價，并對技術經(jīng)濟效益進行了分析。應用四階段膏體充填技術對建筑下壓煤的解放以及地表的有效控制，為建筑物下采煤以及礦山綠色發(fā)展做出有益探索。

1 礦井概況

麻黃梁井田位于榆林城東北方向約23km處，煤礦井田面積7.7772km2，生產(chǎn)能力為2.4Mt/a。井田范圍內共有可采煤層兩層，分別為3、3-1煤層，現(xiàn)開采煤層為3號煤層。麻黃梁煤礦地面建筑物主要為麻黃梁鎮(zhèn)、工業(yè)廣場和萬家崖村，難以搬遷。建筑物下壓煤區(qū)內3煤與3-1煤合并為一層煤層，煤層標高+1090～+1105m，煤層厚度10.12～10.7m，平均10.4m(含矸)。煤層埋深168.86 ～ 200.82m，平均約185m。煤層傾角0°～5°，平均傾角0.59°。目前，可采儲量約為30Mt，其中建筑物下壓煤量約占可采儲量的1/3。

2 條帶膏體充填采煤工藝

2.1 四階段條帶膏體充填

四階段條帶膏體充填，是從切眼開始留設11m煤柱，之后將工作面分為若干組條帶，每個條帶寬為8m，四個條帶為一組，采8m留24m，分四階段開采。采用綜掘機垂直于回采巷道掘進條帶，條帶掘通后進行二次收底開采，完成一個8m寬的條帶的開采。每個條帶，上半部分為掘進開采，下半部分為二次收底開采。一個條帶采完以后，間隔24m煤柱，掘進機移動到下一組條帶繼續(xù)開采。采完一個條帶，在形成的條帶兩端頭用移動式隔離裝置將開采后的采空區(qū)封堵起來，再用膏體充填料漿充滿該采空區(qū)。進行充填后，同樣再對下一個條帶進行充填，當完成第一階段開采后，再返回到起點處對剩余煤柱實施第二階段開采并充填，以此對第三、第四階段進行回采和充填，直至采出所有煤炭資源。四階段膏體充填方法如圖1所示。

圖1 四階段膏體充填方法

2.2 充填材料的制備及性能

充填材料應具有良好的流動性、力學性能，廉價且分布廣泛，麻黃梁煤礦充填材料主要為煤礦生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的煤矸石、電廠粉煤灰、硅酸鹽水泥、添加劑和礦井水，煤矸石粒徑分布如圖2所示。根據(jù)強度以及流動性實驗確定質量濃度為81%，各固體組分配比為：煤矸石80%，粉煤灰8%，膠凝材料12%。將經(jīng)過粗破和細破后的煤矸石與以上材料進行混合，制備成性能優(yōu)良的膏體充填材料。

圖2 煤矸石粒徑分布

制備好的充填料漿經(jīng)現(xiàn)場取樣進行測試，測得試樣坍落度為25.5cm，滿足充填輸送的坍落度要求(23.5～27.5cm)[16]。充填料漿凝結時間決定充填料漿凝結快慢，同時對泵送時間有重要影響，若凝結時間過快，則有可能漿體還未到達采空區(qū)就已凝固，造成管路堵塞；若凝結過慢，則會長時間保持液態(tài)，影響作業(yè)安全[17]。因此采用ZKS-100型砂漿凝固時間測試儀測得新鮮充填料漿的初凝時間為365min，終凝時間為452min，滿足現(xiàn)場4h的可泵時間要求。將現(xiàn)場取出的充填料漿倒入7.07cm×7.07cm×7.07cm試模，養(yǎng)護1d后脫膜，放入恒溫恒濕養(yǎng)護箱中養(yǎng)護，養(yǎng)護28d的單周抗壓強度可達5.5MPa左右。充填膏體不離析、不沉降，泌水率小于3%，性能優(yōu)良。

2.3 膏體充填系統(tǒng)工藝流程

膏體充填系統(tǒng)由破碎系統(tǒng)、計量系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)和泵送系統(tǒng)四部分組成。首先矸石通過一級顎式破碎，然后進行二級細破碎后，過13mm篩網(wǎng)后，大于13mm的矸石再次進行二級細破碎，粒徑小于13mm的矸石進入計量斗，同時水泥、粉煤灰以及水和添加劑混合液體經(jīng)過稱量后，一起進入攪拌機攪拌。最后通過充填管道泵送至充填條帶。充填系統(tǒng)工藝流程如圖3所示。充填系統(tǒng)設計充填能力為250m3/h，充填管徑為273mm。

圖3 充填系統(tǒng)工藝流程

2.4 封堵及接頂措施

充填接頂對對上覆巖層穩(wěn)定性有重要影響，為了確保充填體能有效接頂除了充填膏體本身須具有良好的流動性，另外由于條帶較長，充填膏體下料口在條帶一端，由于充填膏體在采空區(qū)中會形成一個坡面，這難免會在下料口另外一端形成不接頂空間。因此在條帶中布置前后兩個下料口，同時在條帶頂端設有排氣口，以防充填中存在氣泡，降低接頂率，影響頂板穩(wěn)定性。充填時首先從前端下料口進料充填，待充填料漿在當下料口處充填體表面距頂板1～2m時停止充填，換為后端下料口充填，當后端下料口處充填體表面距頂板1～2m時停止充填，并選擇中間位置將后端下料口的管道斷開，將端頭封堵完全，再次使用前端下料口充填，將主運巷側完全接頂；當主運巷側膏體凝固并達到一定強度，使用后端下料口進行充填，待回風巷側排氣管滿管出漿和充滿觀察口，則完成接頂。接頂方法如圖4所示。

圖4 接頂方法

另外對封堵以及接頂還采取了以下措施：

1)保證隔離模板完好，密貼墻體、連接嚴密；避免充填料漿的流失，使得采空條帶中充填料漿的體積未達到設計的充填量。

2)嚴格控制充填料漿濃度；根據(jù)現(xiàn)場充填的應用情況進行調整，使得充填料漿在流動性(坍落度)、強度及泌水性等方面滿足要求。

3)充填條帶頂部布置排氣口，將下料口、排氣管口放置在采空區(qū)最高處，便于接頂充分。

3 充填效果評價

充填率是影響充填效果的關鍵指標，充填率的計算公式為[13]：

式中，η為充填率；m為煤層厚度，取10.4m；H為煤層采深，取185m；[ε]為地表建筑物允許最大水平變形值，取1.6mm/m；b為水平移動系數(shù)，取0.29；q為下沉系數(shù)，取0.59；tanβ為主要影響角正切，取2；α為煤層傾角，取0.59°。

將數(shù)據(jù)帶入公式，可求得充填率為：η≥0.945，經(jīng)現(xiàn)場實測，充填率可達98%以上，滿足要求。

為驗證條帶膏體充填開采效果，對地表變形和移動進行觀測。根據(jù)麻黃梁鎮(zhèn)地表設防指標，工作面前二輪充填開采結束后，對應工業(yè)場地的地表變形值均在傾斜i=±2.4mm/m，水平變形ε=±1.6mm/m，曲率k=±0.16×10-3/m的設防指標內。同時巷道圍巖變形控制良好，實踐表明麻黃梁煤礦建筑物下采煤較為成功。

4 經(jīng)濟與社會效益分析

麻黃梁煤礦充填系統(tǒng)建設中的投入主要包括充填設備購置費、土建工程費、以及新增采煤設備等共計7355萬元。根據(jù)麻黃梁煤礦2020年上半年財務數(shù)據(jù)，輔助材料費、充填材料費、電費、人工費等總支出2275.9萬元，累計充填體積25.5萬m3，煤的密度為1.34kg/m3，因此充填噸煤成本增加約66.6元。麻黃梁煤礦建筑下物下壓煤量約為10Mt，鑒于充填系統(tǒng)運行期間需要維修與保養(yǎng)等，根據(jù)充填實際充填系統(tǒng)投資應乘以預留系數(shù)1.2，因此充填系統(tǒng)投資均攤到每一噸煤約為8.826元。財稅〔2016〕54號《關于資源稅改革具體政策問題的通知》指出，對依法在建筑物下、鐵路下、水體下通過充填開采方式采出的礦產(chǎn)資源，資源稅減征50%。陜西資源稅稅率為9%，噸煤可節(jié)省成本18元。條帶采煤直接成本約35元/t，則充填采煤噸成本為92.426元。按照煤價為400元/t計算，預計企業(yè)約增加毛利30.75億元，經(jīng)濟效益顯著。

使用煤矸石膏體充填技術可減少煤矸石處理費用，避免矸石堆存造成的環(huán)境污染。同時對地表建筑物以及生態(tài)環(huán)境起到了保護作用，延長了礦井服務年限，增加了當?shù)氐木蜆I(yè)機會，綜合效益明顯。

5 結 論

1)為了解放建筑物下煤炭資源，提高資源采出率，延長礦井服務年限，提出了以煤矸石為骨料的四階段膏體充填建筑物下開采技術。

2)闡述了建筑物下四階段膏體充填采煤的主要采煤方法與充填工藝流程，分析確定了麻黃梁煤礦膏體充填開采時充填率等工藝參數(shù)。

3)實踐結果表明，采用該技術解放建筑物下壓覆的煤炭資源后，井下巷道圍巖變形控制良好，地面建筑物的地表變形值均在設防指標內，因此麻黃梁煤礦成功地實現(xiàn)了建筑物下煤炭資源的安全開采。

4)麻黃梁煤礦采用四階段膏體充填解放建筑物下壓煤技術，村莊不用搬遷，避免了工農(nóng)矛盾，而為建筑物下壓煤開采提供了可靠的技術新途徑；同時可以使煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物得到資源化利用，經(jīng)濟及社會效益顯著，具有推廣應用價值。