大采高综采面超高水材料充填开采技术

谢国强，杨军辉，，谢生荣，张广超，肖殿才，张兴娜

（1.冀中能源股份有限公司邢东矿，河北 邢台054000；2.中国矿业大学（北京）资源与安全工程学院，北京100083）

建筑物下压煤问题一直制约着我国煤矿的可持续发展，且矛盾日益突出［1］。为了解决建筑物下压煤问题，矸石充填、膏体充填、似膏体充填和高水材料充填等开采技术在许多矿区进行了试验与应用［2－5］。充填开采技术是煤矿绿色开采体系的重要组成部分，可有效解决建筑物下压煤问题，提高煤炭资源开采的安全可靠性［6］。邢东矿剩余的煤炭资源储量中的85%以上为村庄压煤，制约着矿井的资源回收率及可持续发展能力，因此，村庄下煤炭煤炭资源开采已成为邢东矿首要亟待解决的难题。因此，针对邢东矿的地质生产条件及各种充填技术的优缺点，提出在1126大采高综采面开展超高水材料充填开采技术试验，以期实现村庄下安全高效开采。

1 工程概况

邢东矿1126工作面地面标高＋56.5～＋58.0m，位于东郭村庄北约1km处，工作面东南约1.2km是石家屯村；井下位于－760轨道大巷东北方向，西边为2223探巷，工作面北部40m左右是DF10断层，大致与工作面平行，南部200m为F23导水断层；工作面走向长501m，倾斜长70m，平均推进长度441m，工作面长度60m（加两巷为70m），面积26467m2。1126工作面主采2＃煤层，该煤层为深黑色、玻璃光泽、块状构造、节理发育、参差状断口，主要由亮煤组成，并夹有镜煤暗煤条带，属半光亮型煤，具有灰份低、磷份低、硫份低、发热量高等特点，其煤种为气肥煤类。煤层标高为－740～－825m，厚度为4.43～4.80m，平均厚度4.7m，煤层平均倾角10.3°。

2 综合机械化超高水材料充填采煤技术

2.1 超高水材料充填采煤方法

综合机械化超高水充填采煤是指在综合机械化工作面采煤作业的基础上，在采空区进行超高水材料充填作业，实现采场矿压与地表沉陷控制。该充填采煤法具有如下特点［4，7］：①超高水材料采空区充填成本低，劳动强度低，适宜大规模采空区充填；②超高水材料流动性好，不易堵管，易于远距离输送，其制浆系统可置于地面，能生产出连续的浆液；③超高水材料所需固体材料少，解决了煤矿固体充填材料缺乏的问题，且对矿井辅助运输无影响；④充填工艺简单，机械化程度高，操作方便，充填与开采互不影响，适应性较强；⑤高水材料构筑充填体速度快，凝固速度快，密闭采空区效果好，有良好的承载性能；⑥充填浆液还可充填采空区冒落带上方岩层较小的间隙，减缓围岩下沉。

综合机械化超高水材料充填采煤可实现在充填液压支架掩护下采煤与充填并行作业，采煤与运煤系统布置与传统综采相同。实现超高水材料充填采煤技术难点是要解决大采高充填液压支架、充填系统及采煤与充填工艺的问题。

2.2 分体式充填液压支架

为了与1126大采高综采面超高水充填系统相配套，邢东矿与相关单位合作研发了新型超高水充填材料分体式液压支架。该支架由前置支架和后置支架组成，前置液压支架负责采煤机割煤时期的顶板支护，后置液压支架负责充填时期的顶板支护，实现了回采充填分离式采煤工艺，不仅可以起到采煤时对顶板的支护，还可以实现采空区的充填，两项工艺互相配合、互相补充、节约时间、提高效率，真正意义上实现支护充填一体化作业。为了防止顶部落矸，顶梁设计成框型插接结构，保证支架顶梁全部密封。前后支架采用油缸连接，油缸长度2100mm，按照采煤进刀步距700mm计算，每采三刀煤移动一次后置支架。

1126大采高综采面共采用ZC7730／30／50前置支架、ZC4670／30／50后置支架和ZC6535／30／50后置支架三种支架，其技术参数见表1。ZC7730／30／50前置支架和 ZC4670／30／50后置支架组成ZC12400／30／50分体式充填液压支架，ZC7730／30／50前置支架和 ZC6535／30／50后置支架组成ZCG14265／30／50隔板支架，5架隔板支架将工作面分成了4个不同的充填区域进行充填。充填支架主要配套设备为 MG500／1140－WD采煤机、SGZ－800／500刮板输送机和SZZ－800／200转载机。

2.3 超高水材料充填系统

2.3.1 充填材料及充填袋

充填材料选用超高水速凝固结充填材料（简称超高水材料），主要由AB两种物料，分别加入8～11倍水组成。A料主要以铝土矿石膏等独立炼制并复合超缓凝分散剂构成，B料由石膏、石灰和复合速凝剂构成，两者按1∶1的比例进行配比。超高水材料固结体具有体积应变小，凝固时间易调，输送距离不受大的限制等优点［8－9］。

充填袋规格尺寸与工作面面长、采高及循环进尺三个维度形成的采空空间有关。充填袋规格为15m×2.2m×4.8m（长×宽×高），其材质有足够的强度及抗静电、抗阻燃性能，接缝结实牢靠，其上缝制的吊挂（固定）环间距为1000mm，每个充填袋留有4个孔，分别为注浆孔和排气孔，注浆孔和排气孔直径100mm，外漏长度600mm。

2.3.2 料浆制备系统

料浆制备是按充填要求，将固体粉料配制出相应的液态浆体，便于长距离输送，料浆制备的好坏将直接影响充填的成功与否。制浆系统由A、B两套系统组成，每套系统的设计生产能力为110m3／h，其中A、B制浆系统设备完全相同，每条生产线均由搅拌主机、配料装置、卸料装置、添加剂配制装置、气路控制系统和电器控制系统等组成。邢东矿料浆制备系统布置于地面，通过管路将充填料浆输送至充填工作面。

2.3.3 料浆输送系统

料浆输送系统要求输送能力满足生产要求，输送运行可靠平稳，系统简单，易于管理；由输送泵、输送管路组成的料浆输送系统及混浆系统组成。输送管路选用外径为114mm，壁厚为5mm的无缝钢管，管路间以法兰联接，管路布设角度应保证管内浆体具有较好的自流倾向性，以防止充填浆体的聚集沉淀；混合管路选用外径为159mm，壁厚9mm内壁光滑的无缝钢管，长度100m，为了改善混合效果，在管内加装叶片。整套系统的输送路线为：地面充填站→充填孔通道→1122运料巷→－760轨道巷→1126运料车场→1126运料巷→1126工作面。

2.4 采煤与充填工艺

1）该面采用单一厚煤层一次采全高倾斜长壁后退式采煤法，用高水材料采后充填方法控制采空区顶板。端头斜切进刀，MG500／1140－WD型交流电牵引采煤机双向穿梭采煤，前滚筒割顶煤，后滚筒割底煤，机组滚筒螺旋叶片和运输机铲煤板将煤自行装入SGZ－800／2×250型双中心链可弯曲刮板输送机运送。工作面采用“三八”制作业方式，一班回采，一班充填，一班检修。

2）工作面采用混合式充填，采空区充填时，根据需要采用充填袋（包）与开放式充填相结合。充填工作面布置。具体做法为：利用5个隔板支架，将工作面分成4个区域，沿工作面方向共布置4个包，包与包间隔一个支架宽度，每个包横跨9（10）个支架的充填空间。

3）充填工艺流程为：后置支架拉架→挂袋充填准备→输送料浆→正常充填→管道清洗→充填结束验收→凝固、检修。当采煤机往前割三刀煤后，确保液压支架各系统完好的情况下可以进行充填工作，充填时应尽量保证几个充填袋同时进行充填，应避免所有的浆液都流向一个充填袋内，充填后必须保证充填袋内有95%以上的料浆，凝固时期前置支架以及采煤机可以正常工作，但不得移动后置液压支架。首次充填需在开切眼设立支撑墙作为支撑以防治破包，对于其后的充填袋则可以直接靠在前一组充填袋上而不需要再设立支撑墙。

4）1126工作面为后退式仰采工作面，不能保证所有的注浆口都在同一水平上，因此选择所挂包体顶面的最高点注浆孔作为注浆口，避免因注浆孔的选择错误而导致无法将包体注满。随着采煤工作面的推进，拆除输送A、B物料的单料浆管，料浆混合管（槽）长度不改变，料浆混合系统不拆除，以确保料浆的混合均匀。

3 充填开采试验效果及分析

在工作面布置支架工作阻力监测点，监测工作面推进过程中支架工作阻力变化情况，图1为某一支架工作阻力监测结果。由图1可知：工作面推进过程中无明显来压现象；支架后柱工作阻力高于前柱工作阻力，究其原因是直接顶砂岩较硬，在充填体的作用下，未发生明显破断，加之老顶的回转下沉使得支架后柱上方压力增加。地面沉降监测点沿工作面方向和推进方向于地面各布置一组，呈十字交叉状，监测结果如图2所示。从图2中可以看出，沿工作面推进方向和工作面走向各测点形变量不同，变形值都较小，地表最大变形量未超过2cm，控制地表变形在I级形变以内。监测数据表明，1126采空区超高水充填开采对地表沉降取得了很好地控制效果，对地面建筑物的影响较小，最大限度的减小开采沉陷对地表建筑物的影响。该技术在1126工作面已成功回采37416t煤，系统充填能力可达216m3／h，预计生产工艺稳定成熟后，回采产量可达60万t／a，解决了邢东矿可采资源紧张、村庄下压煤回采的技术难题。经计算可解放村庄下压煤1478.2万t，创造利润44.346亿元。

图1 工作面推进过程中某支架工作阻力变化

图2 地表沉降变形曲线

4 结论

1）综合机械化超高水材料充填开采技术有效地解决了邢东矿大埋深压滞煤炭资源的开采难题，大幅提升资源回采率，实现矿井可持续发展。

2）研制的分体式大采高充填支架为邢东矿厚煤层、大埋深的复杂地质条件下充填开采提供了基础条件。

3）该技术具有机械化程度高、充填工艺简单、操作方便，运行成本低、适应性强、充填效果好等优点，还可实现采煤与充填平行作业。

［1］钱鸣高，许家林，缪协兴.煤矿绿色开采技术［J］.中国矿业大学学报，2003，32（4）：343－348.

［2］缪协兴，张吉雄，郭广礼.综合机械化固体充填采煤方法与技术研究［J］.煤炭学报，2010，35（1）：1－6.

［3］杜计平，汪理全.煤矿特殊开采方法［M］.徐州：中国矿业大学出版社，2003.

［4］许家林，轩大洋，朱卫兵.充填采煤技术现状与展望［J］.采矿技术，2011，11（3）：24－30.

［5］崔增娣，孙恒虎.煤矸石凝石似膏体充填材料的制备及其性能［J］.煤炭学报，2010，35（6）：896－899.

［6］钱鸣高，缪协兴，许家林.资源与环境协调（绿色）开采［J］.煤炭学报，2007，32（1）：1－7.

［7］冯光明，孙春东，王成真，等.超高水材料采空区充填方法研究［J］.煤炭学报，2010，35（12）：1963－1967.

［8］丁玉，冯光明，王成真.超高水充填材料基本性能试验研究［J］.煤炭学报，2011，36（7）：1087－1092.

［9］谢国强.大采高综采面高水材料充填开采矿压显现规律研究［D］.北京：中国矿业大学（北京），2012.