膏體充填綜合機械化仰采技術研究與應用

羅光敏 許士奎 陳元耐 賈國平 李永強

【摘 要】華泰礦業有限公司在3203綜合機械化仰采工作面利用似膏體充填技術，最大限度地利用矸石資源，將三下壓煤中的煤炭資源安全高效的置換出來，減少了采空區對地表的影響，有效保護地面建筑，實現了綠色開采，為礦井延續開采服務年限提供了技術保障，具有較高的經濟效益、環境效益和社會效益。

【關 鍵 詞】三下采煤1 膏體充填2 綜采3 仰采4 沿空留巷5

【中圖分類號】 C29【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0221-02

華泰公司32采區是該公司主要生產采區，位于井田東北部，地面為萊蕪市秦家洼村，屬“三下”壓煤區。隨著萊蕪市建設規模不斷擴大，華泰公司煤田被大量壓覆，生產接續緊張，煤炭資源枯竭，生產運輸戰線長，綜合成本高。為緩解回采接續緊張，同時實現井下矸石就地消化不升井的節能減排的目的，根據32采區煤層賦存和頂底板狀況，經多方面論證研究決定，在3203東面回采過程中，將工作面采空區充填膏體，上巷留巷推采，以解決了“三下”壓煤難題，真正實現采區內無煤柱開采，達到綠色、環保開采。

1 3203綜采充填工作面概況

1.1地質特征

該面是三采區二層煤東翼第三階段，位于-400水平，工作面走向120°，傾向210°，傾角總體上呈南緩北陡之勢，平均20°左右。地面標高210. 64m，井下標高-166.37～-308.4m，煤層厚度為1.1-1.3m，走向長度120m，傾斜長度382m，面積47813m？，可采儲量8.1萬噸。區域煤層結構簡單，南部最厚1.3m，北部厚度1.1m，煤厚較穩定，平均煤厚1.2m。容重1. 37t/m3，硬度1.5，屬賦存穩定、結構簡單的薄煤層。

該工作面直接頂為深灰色粉砂巖，厚度0～1.5m，f=3，大部分沉積缺失?；卷敒榛野咨屑毶皫r，泥質膠結，水平層理發育，厚度15m左右， f=5。直接底為灰色細砂巖，水平層理，厚度為1.5m左右，f=4。老底為灰白色細砂巖，厚度18m左右，f=5。

1.2巷道布置

依據采區設計， 采用傾向長壁區內后退式采煤法，全部充填法管理頂板。巷道沿煤層頂板按中線起底掘進，采用錨網帶支護，寬×高=3.2×2.0m2。上巷留巷推采，作為下一工作面的巷道之用。

1.3采煤工藝

工作面采用MG160/360-BWD型采煤機落煤、裝煤，SGZ-630/264-W型刮板輸送機運煤，ZY3200/7.5/16型支架支護頂板，采高1.2m，循環進度為0.6m。采用“三八”制作業方式，三班出煤，三班充填，班末充填并檢修。每班推采2個循環，晝夜6個循環，每循環進度0.6m。出煤時間占5小時，充填兼檢修時間占3小時。

2 仰采工作面膏體充填系統工藝

2.1 充填系統：

采用膏體自流充填，充填骨料主要采用水泥、沙、矸石粉末。在煤矸石山附近建立充填制備站，施工兩個充填鉆孔，一個工作，一個備用鉆孔，標高+203m，至-100m水平，垂直高差303m.充填制備站的主要功能是將水泥、粉煤灰、矸石粉末加水制成濃度為72～75%的膠結充填料漿，用管道輸送至工作面。

破碎后的合格粒度煤矸石經篩選、電子皮帶秤計量后，與按照比例計量后的水泥、粉煤灰，通過單螺旋輸送機輸送至同一個攪拌桶內，攪拌形成水泥粉煤灰漿，然后轉運到主攪拌桶內，經強力攪拌系統充分攪拌后經自流管道經管路輸送到工作面。為保證供水能力，需設置高位水池或安設加壓水泵。（見圖1）

2.2充填料漿輸送路線：

（1） 地面充填制備站→充填鉆孔→32采區上車場 →32采區運輸上山（下行）→3202東探巷→3203工作面下巷→工作面。

（2）地面充填制備站→充填鉆孔→32采區上車場 →32采區運輸上山（下行）→3202東探巷→3203工作面上巷→工作面。

2.3膏漿體制配

為提高似膏體填充料漿輸送質量濃度，改善管道輸送性能，降低管道磨損，在充填料中加入粉煤灰和復合減水劑，為提高漿體的凝固力，加入32.5標號的普通硅酸鹽水泥作為膠凝劑。華泰公司通過濕灰配比試驗結果選擇充填材料配比參數為：水泥：粉煤灰：煤矸石=1：4：15，質量濃度74%，漿體體重1.73/ t·m-3。

2.4充填程序

2.4.1清管 由井下充填負責人安排專人對充填管路檢查一遍，充填管子的吊掛是否平直；充填管路是否固定牢固；管子接頭是否緊固有效，確認安全后匯報負責人，井下充填負責人，將充填管子前方出水閥門打開，負責人采用專用電話聯系地面充填負責人開始加水清管工作，由專人看管出料口，出料口見水正常流出后，立即通知地面清管完畢。

2.4.2充填管路清理完畢后，開始啟動充填系統，進行充填。工作面敷設的充填管路以及管口固定牢固，充填管口朝老塘。充填前除充填工作人員外，其他人員撤至工作面煤壁以上10m處，撤人時由工長安排專人進行，且進行拉繩、掛警示牌站崗，充填期間嚴禁人員進入。為了保證充填過程的順利進行，在井上下要配置直通電話，充填進度保持聯系。

2.4.3停料、洗管。停料時，用專用電話通知地面停止下料，并通知井上下水，再次沖洗管路。確認管路內無料后通知地面停水。

3 監測保障措施

3.1監測控制

料漿濃度的變化對充填料漿的特性的影響極為敏感，為順利實現全尾砂高濃度膠結充填，必須建立可靠地充填監控系統，實現對料漿濃度、流量及各種物料配比的監測和調節。

3.2管路敷設要求

高濃度膠結充填料漿，通過鉆孔和井下敷設的管道輸送到料場，進行充填。為保證管路的暢通性，管路要盡量平直；在需要拐彎或遇有上下起伏時，要盡量保證管路的平緩性，不要出現急彎；并且在拐彎或上下起伏處安設事故閥。

工作面的充填管路，根據現場的實際情況，充填管路鋪設在工作面上巷、下巷靠近第一個支架處，以及工作面鋪設一趟4寸鋼編膠管，隨工作面推采前移，每隔30m安設一個充填管口，保證工作面充填效果，根據支架間底座間距，使用鋼編膠管能夠滿足要求；管路與各閥門之間用螺栓聯接牢固、可靠。充填前，必須對管路及閥門進行巡查，并做好記錄，發現問題及時聯系處理，對于磨損嚴重的充填管子及彎頭進行更換，必須保持通訊及專用電話暢通。

工作面在縮至最小控頂距后開始充填，膏體充填至支架底座位置（采空區側）后停止，嚴禁膏體淹、埋支架。充填后，膏體與頂板接茬處距支架頂梁后端不大于3.3m，推采兩循環后不大于4.5m。充填時，采用一次將擋矸墻段充填滿的方法。充填出口各管節要聯接牢固可靠。工作面充填管路各連接處，必須使用尼龍繩或油絲繩進行固定，確認安全無誤后，方可進行充填。當似膏體凝固8小時后，方可進行第二個循環充填。

3.3擋漿墻的砌設

該工作面上巷隨推采留巷，需人工砌設擋漿墻，起到在充填過程中防止跑漿的作用，同時作為留巷后巷道的支撐墻體。在靠近采空區鋼帶端頭下砌設擋漿墻，擋漿墻采用尼龍布加干膏漿矸石袋進行由下向上砌設，上巷下幫底板挖出一條“U”型水溝，便于疏水，上巷的超前支護滯后工作面切頂線30-50m回撤。擋漿墻的砌設要隨回撤支柱，依次向上砌設，將底板清理到硬底，將尼龍布鋪設在底板，與矸石袋的壓茬長0.2m，開始砌放干膏漿矸石袋，層間要互相錯茬，在砌放至距頂板0.05m時，將尼龍布由矸石袋上方包過，尼龍布上方用黃泥搗實接實頂板，擋漿墻厚度不小于1.5m。在靠近擋漿墻的外側，支設一排摩擦支柱配柱帽，作為留巷段加強支護措施，將剩余的尼龍布與頂板封網相連。工作面每推采兩個循環1.2m，砌設一次擋漿墻，進行充填一次。（見圖2）

4 礦壓顯現及地表下沉觀測

4.1 礦壓觀測

為了解充填開采方式下的采場上覆巖層的運動規律，對3203東綜采工作面上下巷頂底板移近量、兩巷底板底鼓量及工作面“三量”進行觀測。

4.1.1工作面支架及活柱縮量

經現場實測，當工作面基本頂初次來壓過后，周期來壓期間支架載荷量平均達到了2298KN/架，最大值達到了2447KN/架，動載系數達到了1. 07，活柱下縮量平均值為1.91mm，最大為3.20mm。工作面基本頂周期來壓時礦壓顯現不明顯，來壓強度也較低，整個工作面的支架立柱壓力值及活住下縮量也均比正常推采時有所增高，但幅度不大從而證明了似膏體充填的頂板管理方式取得了很好的效果。

4.1.2留巷段十字布點：

一號十字布點觀測站，觀測期內兩幫移近103mm，平均移近速度1. 4mm/d，頂底板移近129mm，平均移近速度1.8mm/d，巷道形狀變形不明顯。二號十字布點觀測站觀測期內兩幫移近93mm，平均移近速度1.1mm/ d，頂底板移近78mm，平均移近速度1.7mm/d，巷道兩幫變形形較小，有輕微底鼓現象，需起底處理。三號十字布點觀測站，觀測期內兩幫移近68mm，平均移近速度1.8mm/d，頂底板移近49mm，平均移近速度1.2mm/d，巷道形狀變形不明顯。說明充填體凝固后對頂板起到了非常好的支撐作用，減少了壓力影響。

4.1.3超前壓力影響范圍

3203東工作面在初次來壓時頂板運動形式為彎曲運動沉降形式，通過超前壓力影響范圍觀測20米內有不明顯礦壓顯現，更加驗證了似膏體充填效果良好，對維護頂板下沉起了很好的支撐作用。

4.2 地表下沉觀測

選擇使用離散點網狀觀測法，觀測結果既要考慮下沉數據的完整性，又要重點對工作面直接影響區域附近的下沉做連續的跟蹤。剛開始初采進行兩次影響范圍觀測，當下沉達到50mm時進行一次影響范圍的全面觀測。在活躍期加強觀測密度，每15天觀測一次，并對影響范圍的點進行加密觀測。數據隨觀測隨計算，每觀測兩次做一次下沉結果預計，計算結果顯示，采用膏體充填方法，從2010年5月開采到目前2011年12月最大下沉值約為10cm，下沉系數為8%，其他下沉指標遠遠小于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》Ⅰ級規定。

5 結論

5.1膏體充填采礦法經礦壓觀測及地表下層觀測數據顯示，能夠確?！叭隆遍_采安全，最大限度地回收礦產資源，保護地下、地表環境，解決了三下開采難題。

5.2工作面采用走向布置、傾斜推采，回避了膏體的隔離問題，避免了跑漏漿埋淹工作面的安全隱患。

5.3充填工作面利用1.5m寬的擋漿墻留巷后維護，增加少量摩擦支柱支護頂板，實現了采區無煤柱開采，大大降低了回采巷道的掘進率。

5.4膏體充填取料來源于地面矸石山和電廠粉煤灰。廢料利用，實現了環保開采，社會效益顯著。