0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的不斷發(fā)展，基礎(chǔ)建設(shè)的不斷完善，使得井田范圍內(nèi)地面設(shè)備較多，“三下”壓煤的問題日益突出，留設(shè)大量煤柱，造成煤炭資源的極大浪費(fèi)，影響礦井挖掘潛力；減少資源儲(chǔ)量，縮短服務(wù)年限；干擾礦井整體開拓布局。隨著綠色開采理念的不斷深入，伴隨環(huán)保政策的不斷收緊，消除矸石危害及矸石綜合利用成為煤炭企業(yè)面臨的又一棘手難題，如何變廢為寶，無害化處理矸石，同時(shí)提高資源回采率，減少煤炭浪費(fèi)，成為企業(yè)踐行綠色發(fā)展觀，實(shí)現(xiàn)提質(zhì)增效的重要發(fā)展方向。因此，充填開采的實(shí)施，將生產(chǎn)期間產(chǎn)生的矸石回填井下，解決了矸石處理的棘手問題。在充填開采期間，提高充填密實(shí)度，有效控制覆巖移動(dòng)和變形，減少或防止工作面上覆巖層的破壞及地表塌陷，保護(hù)地表建（構(gòu)）筑物、鐵路、公路和耕地等不受破壞，可置換出壓覆的資源，極大的減少煤炭資源損失，進(jìn)而解放煤炭資源，提高煤炭回采率，延長礦井服務(wù)年限。對于企業(yè)實(shí)現(xiàn)矸石零排放，樹立地區(qū)示范效應(yīng)，落實(shí)能源方針政策、引領(lǐng)煤炭行業(yè)綠色革命、加強(qiáng)礦業(yè)領(lǐng)域生態(tài)文明建設(shè)具有重要意義。

世界上礦山充填發(fā)展已有近百年的歷史，經(jīng)歷了廢石干式充填、水砂充填、低濃度巷式充填、高濃度充填、膏體充填等四個(gè)發(fā)展階段，1979年德國格倫德鉛鋅礦為了克服低濃度巷式充填泌水嚴(yán)重等問題，在世界上首次試驗(yàn)膏體充填技術(shù)。試驗(yàn)成功以后，逐漸在南非、英國、美國、摩洛哥、俄羅斯、加拿大、澳大利亞、葡萄牙、坦桑尼亞、土耳其等國家的金屬礦山得到發(fā)展和應(yīng)用。在國內(nèi)，中國礦業(yè)大學(xué)率先開展了膏體充填開采技術(shù)的研究，設(shè)計(jì)了太平煤礦膏體充填系統(tǒng)，作為我國第一個(gè)膏體充填示范工程，從2006年5月進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，試驗(yàn)工作面煤層厚度9m左右，基巖厚度5.4～50m，埋深200m左右，采出率可提高到90%以上。為提高采出率和開采上限，開展膏體充填開采新技術(shù)研究，設(shè)計(jì)充填能力為150m3/h，兩個(gè)工作面進(jìn)行輪流充填開采，充填70多萬m3，成功采煤100余萬t。

文章以海測灘煤礦開采條件為背景，采用數(shù)據(jù)分析與理論計(jì)算相結(jié)合的技術(shù)手段，提出了海測灘礦井建（構(gòu)）物下矸石膏體充填開采總體技術(shù)架構(gòu)，有效解決海測灘煤礦矸石處理問題和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，也為地區(qū)實(shí)現(xiàn)“三下”壓煤回收和矸石零排放探索出一條成熟路徑。

1 研究區(qū)條件分析

1.1 礦井概況

海測灘井田位于榆林市靖邊縣城東北方向12km處，隸屬陜西省靖邊縣海則灘鎮(zhèn)、黃蒿界鎮(zhèn)管轄。主采3號(hào)煤，平均厚度2.6m，先期開采地段埋深660m左右，年產(chǎn)矸石約30萬噸。井田內(nèi)地表為黃土丘陵、沙丘、河谷和灘地，已有浩吉鐵路、靖神鐵路、包茂高速、±800kV昭沂線特高壓輸電線路、五趟天然氣管線和兩趟靖榆成品油管線從井田內(nèi)穿過，井田北部中央分布有海則灘鎮(zhèn)及幾個(gè)大型村莊，地面設(shè)施較多，壓覆著大量的煤炭資源，給礦井開拓的合理布局以及采掘接續(xù)造成嚴(yán)重影響。鑒于此，有必要針對海測灘礦井開展矸石井下充填技術(shù)研究，以期解決制約建（構(gòu)）物下壓覆煤炭資源回收難題和礦井矸石處理的環(huán)保難題，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和生態(tài)效益的和諧統(tǒng)一。

礦井采用立井開拓，在井田南部邊界設(shè)置礦井工業(yè)場地，場地內(nèi)布置主立井和副立井，在工業(yè)場地以北約2km處設(shè)置風(fēng)井場地，場地內(nèi)布置一、二號(hào)回風(fēng)立井。礦井首采盤區(qū)為301和302盤區(qū)，主、副立井落底后，向北布置一組中央大巷組至302盤區(qū)邊界，每組開拓大巷為3條，分別為中央輔助運(yùn)輸大巷、中央帶式輸送機(jī)大巷、中央回風(fēng)大巷，中央帶式輸送機(jī)大巷通過上倉斜巷與井底煤倉和主立井連接。為了滿足礦井5.0M/a的生產(chǎn)能力，井下需布置1個(gè)綜采工作面和1個(gè)充填開采工作面搭配生產(chǎn)。

設(shè)計(jì)中對于地面設(shè)施中的±800kV昭沂線特高壓輸電線路和靖榆成品油復(fù)線采用膏體充填開采保護(hù)，其余區(qū)域?yàn)榱讼捻肥?，局部采用膏體充填工藝解決日常矸石。

1.2 膏體充填技術(shù)架構(gòu)

經(jīng)過對綜合機(jī)械化固體充填、短壁干式充填、工作面膏體充填、短壁膠結(jié)充填矸石充填方法進(jìn)行方案對比，固體充填適合矸石量大，減沉控制要求不高的礦井；短壁干式充填和巷式膏體充填雖能解決“三下”開采問題，但受限于掘進(jìn)速度，充填能力較低；工作面膏體充填不僅能解決海測灘矸石的處理問題，可有效控制地表下沉，對地表的建（構(gòu)）物起到保護(hù)作用，作為推薦充填方法。在工作面壓覆段進(jìn)行高密實(shí)充填，以控制地表沉降；在工作面非壓覆段，無需控制地表沉降，可適當(dāng)降低充填率，以加快工作面推進(jìn)速度、提高產(chǎn)能，處理掉礦井正常生產(chǎn)期間產(chǎn)生的矸石即可。

具體的方案是將洗煤廠洗選產(chǎn)生的矸石通過汽車運(yùn)輸至一、二號(hào)風(fēng)井場地的受矸棚內(nèi)，通過破碎系統(tǒng)將矸石破碎至特定粒級的細(xì)顆粒，再與粉煤灰、水泥以及輔料加水制成符合設(shè)計(jì)要求的煤矸石膏體料漿，然后采用充填泵通過管道泵送至井下，并根據(jù)工作面回采段的壓覆情況，適時(shí)按照充填要求對采空區(qū)進(jìn)行充填，從而實(shí)現(xiàn)處理矸石和保護(hù)地表建（構(gòu)）筑物的目的。

2 矸石膏體制備及輸送研究

2.1 膏體充填材料組成分析

海測灘礦膏體充填材料主要包括煤矸石和粉煤灰，并輔以水泥、添加劑和水。其中水泥為膠結(jié)材料，選用32.5#普通硅酸鹽水泥，在膏體泵送過程中包裹骨物料，起滑潤作用，并確保膏體不發(fā)生離析，避免沉淀堵管，確保凝固后膏體具有一定的抗壓強(qiáng)度。添加劑保障膏體的穩(wěn)定輸送，是否使用添加劑需結(jié)合后期試驗(yàn)情況確定，水為礦井水。

充填料應(yīng)為穩(wěn)定性好的飽和膏體，在泵壓過程中不允許離析，材料中含有一定細(xì)顆粒，滿足泵送時(shí)間4h以上。配比選擇應(yīng)根據(jù)海測灘煤礦充填系統(tǒng)所用的原材料作出膏體小樣和環(huán)管實(shí)驗(yàn)最終進(jìn)行確定，本項(xiàng)目參考類似工程案例及已掌握的膏體環(huán)管試驗(yàn)數(shù)據(jù)，初步選用充填材料配方見表1。

表1 海測灘煤礦膏體充填材料配比參數(shù)表

2.2 充填材料制備系統(tǒng)

原料矸石通過皮帶由儲(chǔ)矸棚運(yùn)至破碎系統(tǒng)進(jìn)行破碎，粒徑控制在5mm以下，破碎后的矸石緩存在成品矸石緩存?zhèn)}。充填時(shí)，將成品矸石緩存?zhèn)}內(nèi)的骨料落料至骨料計(jì)量機(jī)構(gòu)，經(jīng)過計(jì)量后通過皮帶輸送機(jī)輸送至膏體配比攪拌系統(tǒng)。與此同時(shí)，預(yù)存在粉料筒倉內(nèi)的粉煤灰、水泥，清水池內(nèi)的水各自經(jīng)過計(jì)量后也被輸送至膏體配比攪拌系統(tǒng)，經(jīng)過混合攪拌制成充填膏體由充填泵沿管路泵送至井下待充填區(qū)域。具體的工藝流程如圖1所示。

圖1 充填站制漿工藝流程圖

2.3 膏體輸送關(guān)鍵技術(shù)分析

2.3.1 膏體充填站布置

礦井膏體充填站考慮布置靈活，距離充填工作面較近等方面確定在風(fēng)井場地。

海測灘煤礦充填站的主要功能是將煤矸石、粉煤灰、水泥以及輔料加水制成合格的煤矸石膏體料漿。充填站主要由破碎系統(tǒng)，膏體配比攪拌系統(tǒng)、給水系統(tǒng)和泵送系統(tǒng)等系統(tǒng)組成。其中主要設(shè)備包含料漿制備裝置，以及保證按配比及濃度給料給水的計(jì)量與輸送設(shè)備、自動(dòng)化控制儀表、充填原料儲(chǔ)備裝置等。

2.3.2 膏體輸送系統(tǒng)

在管道膏體輸送方面，充填材料通過地面垂直鉆孔轉(zhuǎn)至井下輸漿管線，在工作面回風(fēng)巷道布設(shè)管道將膏體充填材料充填至工作面后方采空區(qū)，初期充填管路總長度約4.0km，首采盤區(qū)最遠(yuǎn)處充填管路的最大長度約為6.5km（含垂直管路650m）。

根據(jù)充填能力需求，泵送系統(tǒng)單條管路流量為250m3/h，流速按2.0m/s設(shè)計(jì)，經(jīng)計(jì)算泵送壓力確定為10MPa?？紤]充填工業(yè)泵長時(shí)間連續(xù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸送的工作特點(diǎn)，選用KOS25150HP型充填工業(yè)泵，流量250m3/h，最大工作壓力12MPa。共布置三臺(tái)充填泵，兩用一備確保流量不小于500m3/h，搭配D245×23mm的無縫鋼管。

3 工作面充填系統(tǒng)研究

3.1 工作面生產(chǎn)系統(tǒng)

海測灘煤礦首充工作面為302盤區(qū)東翼的30201充填開采工作面，其開采煤層為3號(hào)煤層，平均煤厚為2.6m。工作面巷道采用“一進(jìn)一回”單巷布置，分別為工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷。

工作面輸膏系統(tǒng)：膏體制備站→地面輸膏鉆孔→中央回風(fēng)大巷→30201工作面回風(fēng)巷→采空區(qū)。

充填工作面的生產(chǎn)能力分為壓覆段和非壓覆段兩種情況，根據(jù)國內(nèi)先進(jìn)生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，工作面長度暫定為240m。在壓覆段需對采空區(qū)全部進(jìn)行高密實(shí)充填，日充填兩次，每個(gè)充填步距推進(jìn)3刀，日循環(huán)6刀，年產(chǎn)1.37Mt/a，矸石消耗量為0.72Mt/a；非壓覆段視需求對正常生產(chǎn)期間的矸石進(jìn)行處理，日循環(huán)12刀，年產(chǎn)2.74Mt/a，矸石消耗能力最大為0.36Mt/a。根據(jù)首采工作面壓覆段和非壓覆段的分布情況，壓覆段回采155天，非壓覆段回采175天，工作面加掘進(jìn)煤年產(chǎn)2.00Mt/a。

3.2 充填工作面生產(chǎn)工藝

工作面壓覆段和非壓覆段生產(chǎn)工藝相同，采用走向長壁采煤法，充填法管理頂板。區(qū)別在于壓覆段完成采煤機(jī)割煤、工作面刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤、經(jīng)轉(zhuǎn)載機(jī)到順槽皮帶運(yùn)輸機(jī)、移動(dòng)充填液壓支架，三個(gè)循環(huán)后，需進(jìn)行充填作業(yè)。

充填工藝流程為清管→漿推水→割第1-3刀煤→開始前移擋墻→充填膏體→充填體開始凝固→管道清洗→充填結(jié)束驗(yàn)收。支架布置見圖2。

圖2 充填工作面支架布置圖

非壓覆段完成回采工藝后，根據(jù)矸石量確定是否開展充填作業(yè)，如進(jìn)行充填，僅需沖完部分空間，消耗完矸石即可，對密實(shí)度無要求。

4 地表變形預(yù)計(jì)

開采沉陷預(yù)計(jì)結(jié)果是評價(jià)“三下”（建筑物、水體和鐵路下）采煤可行性的重要資料，本次采用我國應(yīng)用廣泛且較為成熟的概率積分法進(jìn)行地表沉陷預(yù)測。

4.1 地表沉陷移動(dòng)變形預(yù)計(jì)值

海測灘煤礦目前沒有相關(guān)的沉陷實(shí)測數(shù)據(jù)，參考周邊魏墻煤礦地表沉陷的實(shí)測數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 地表移動(dòng)變形參數(shù)

依據(jù)以下面的公式可以得出不同盤區(qū)膏體充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)值，具體見表3。

表3 充填開采地表移動(dòng)與變形預(yù)測結(jié)果

式中：r=H/tanβ表示主要影響角半徑，tanβ表示主要影響角正切值，取2.21；H表示采深。

4.2 地表減沉控制效果分析

本礦井主要在靖-榆成品油管線和±800kV特高壓輸電線下進(jìn)行膏體充填開采。本礦井靖-榆成品油管線壓覆區(qū)域，根據(jù)充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)，得到采煤影響區(qū)內(nèi)地表最大水平變形為0.31mm/m，最大傾斜為0.57mm/m，最大曲率為0.00339×10-3/m，經(jīng)與《采空區(qū)油氣管道安全設(shè)計(jì)與技術(shù)規(guī)范》（Q/SY 1487—2012）中指標(biāo)進(jìn)行對比，顯示將對輸油管線的影響較小，無穩(wěn)定性危險(xiǎn)。

在±800kV特高壓輸電線壓覆區(qū)域，根據(jù)充填開采地表沉陷預(yù)計(jì)值，得到地表最大水平移動(dòng)為54.56mm，最大傾斜為0.53mm/m，均小于《1000kV交流架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》（DL/T307-2010）及《±800kV直流架空輸電線路運(yùn)行規(guī)程》（GB/T28813-2012）中塔基允許變形值（水平移動(dòng)≦75mm，傾斜≦1.5mm/m），對高壓輸電線及基座的影響較小。

5 結(jié)論

本研究在采出海測灘礦井“三下”壓煤的同時(shí)，有效解決海測灘煤礦矸石處理問題和保護(hù)生態(tài)環(huán)境，也為地區(qū)實(shí)現(xiàn)“三下”壓煤回收和矸石零排放探索出一條成熟路徑。

①通過多種充填采煤方法比選，最終確定采用工作面膏體充填方式在工作面非壓覆段采空區(qū)進(jìn)行部分充填以對礦井生產(chǎn)期間產(chǎn)生的煤矸石進(jìn)行處理，在工作面壓覆段采空區(qū)采用全部充填對地表存有的建（構(gòu)）筑物進(jìn)行保護(hù)。

②通過研究確定了膏體充填材料制備及管道輸送系統(tǒng)的系統(tǒng)組成及各系統(tǒng)的工藝流程，并確定了膏體制備系統(tǒng)總能力為500m3/h。

③以30201充填采煤工作面為例，通過研究確定了工作面膏體充填系統(tǒng)工作面的面長為240m，采煤總能力為2.0Mt/a（含掘進(jìn)系統(tǒng)產(chǎn)生的0.1Mt煤），累計(jì)消耗矸石0.68Mt/a，可滿足海測灘礦井正常生產(chǎn)期間年處理矸石的需求。

④海測灘煤礦井田范圍內(nèi)建設(shè)有靖-榆成品油復(fù)線，參考《采空區(qū)油氣管道安全設(shè)計(jì)與技術(shù)規(guī)范》（Q/SY 1487—2012），采用膏體充填開采后，其對輸油管線的影響較小。海測灘礦井井田內(nèi)存在±800kV昭沂線，采用膏體充填開采后，地表移動(dòng)變形值小于高壓輸電線塔基變形控制指標(biāo)：水平移動(dòng)≦75mm，傾斜≦1.5mm/m，在實(shí)際開采過程中應(yīng)加強(qiáng)地表高壓輸電線基座的監(jiān)測和維護(hù)工作。