似膏体充填水体下采煤技术实践

黄玉诚,董 羽，段仲捷,邵磊昌，宋 楷

(中国矿业大学(北京),北京 100083)

公格营子矿地表标高+488.12～491.48之间，井田东部有老哈河流过，表土层厚4～6m，下为第四系冲洪积砂层，是厚度20～23m的强含水层，为孔隙含水层，是该矿的主要含水层。主采6#煤，埋深120～150m，均厚15m，倾角5～14°，顶板为砂砾岩，夹砂岩，无较好的隔水层。由于煤矿水文地质条件限制，原设计按常规垮落法顶板管理方法，留设了大量的煤柱[1-2]，这对提高资源的利用率和延长矿井年限是极为不利的。为了安全开采水体压煤，同时又提高资源回收率，公格营子煤矿采用“似膏体充填技术”对水体下压煤进行开采。

1 似膏体充填材料的组成

似膏体充填材料就是采用普通水泥或砂土固结材料做胶结剂，碎煤矸石、矿山尾砂或河砂等作骨料，骨料中配以15%～40%的细粒级物料(如粉煤灰、溢流尾砂等)，制成重量浓度为74%～80%，外观近似膏体一样的浆体[3]。

公格营子矿似膏体充填开采中，采用普通水泥作为胶凝材料，骨料的选择是因地制宜，在满足充填要求的前提下尽量选取低价或废弃物料，以降低充填成本。骨料主要包括：①粗骨料，粒度为≤20mm的破碎煤矸石；②细骨料，主要是选用电厂粉煤灰。

经多次实验和优化，最终确定的充填材料优化配比及抗压强度如表1所示。

表1 充填材料优化配比强度性能

2 充填系统与工艺

2.1 充填能力

充填采煤设计生产能力为年产30万t，平均日产900t。煤的容重1.4t/m3，则日充填量需640m3。充填工作时间8h，充填设计能力90m3/h。

2.2 充填系统构成

充填制备站设在工业广场南侧东部，充填系统主要设备和设施：①双卧轴搅拌机一台，搅拌能力120m3/h；②充填泵一台，充填流量90m3/h，额定压力15MPa；③胶凝材料仓一座，有效容积100t；④煤矸石仓一座，有效容积600t；⑤粉煤灰仓一座，有效容积200t；⑥配套钢结构一套。充填系统构成如图1所示。

2.2.3 充填工艺

充填工艺过程：将碎煤矸石、粉煤灰、胶凝材料和水按设计配比用量加入卧式搅拌机，经搅拌制成似膏体料浆后，向充填泵受料斗下料，经泵送通过充填管路把似膏体料浆输送到井下充填工作面。充填工艺流程如图2所示。

3 工作面充填采煤

主采煤层6#煤的均厚达到15m，采用分层充填开采的采煤方法，每分层采高2m，采空区全部充填。井下充填开采首先是在一采区进行，采用长壁式工作面充填开采工艺。工作面走向350m，工作面长80m，倾角12°，采高2.0m，支护采用Dz-22型单液压体支柱和Π型钢梁，后退式回采，循环进度0.8m，日进度2.4m。工作面充填步距为1.6～2.4m，充填次序为从下往上后退式分段充填。

充填隔离墙构筑：工作面进行充填前，首先必须在工作面控顶区与待充填区之间构筑一道模板隔离墙，形成一个“封闭”的待充填空间。具体方法是：塑料编制布紧贴临时支护靠工作面煤壁侧的木柱布置，其底留出300mm左右的富裕量，底侧挖小沟卷向空区侧，用矸石或小木条使塑料编制布与工作面底板紧帖，防止充填时沿隔离墙底边泄漏；塑料编制布隔离墙外侧靠贴紧打的单体液压支柱配合背板固定，顶部设计留出300mm左右的富裕量，使其向内折，再利用浆液充满上顶之力使塑料编制布与顶板贴紧，防止浆液从顶板泄漏。工作面充填布置如图3所示。

图2 充填工艺流程图

1-充填体;2-临时木支柱;3-背板;4-塑料编制布;5-单体柱;6-充填管

工作面充填技术：充填前，先用清水引流，见管路终端出水后输入充填料浆。充填料浆的输送路线为：充填制备站→地面管路→钻孔→联络巷→石门→回风大巷→区段回风巷→工作面充填空间。井上、井下配置电话，根据充填进度与地面联系。充填循环完成，待滞留在管内的浆体流完后及时关闭管路终端出口，并用清水冲洗管路。

4 技术经济分析

4.1 技术效果

经过近30万m3的充填实践表明，充填体的早期强度、最终强度和整体性良好，充填率达到90%以上，实现了预期效果。井下涌水量明显降低，由原来的350m3/h，减少到现在的150m3/h，大大改善了井下安全生产条件，节约了井下排水费用。地表岩移观测结果表明，地表沉降得到较好的控制，和全部垮落法开采相比，充填法开采的地表下沉比较轻微。采用充填法开采地表下沉系数约为8%。

4.2 经济效益

经计算，吨煤成本净增充填费用42元/t。由于充填采煤法的实施，给企业带来了如下经济效益。

1) 矿原设计的各种防水煤岩柱压煤量600万t，由于采空区实施了充填措施，初步预计可解放煤量300万t，可创产值6亿多元，利税2亿多元，经济效益显著。

2) 采用采空区充填，有效地控制了井下的涌水量，节约排水费用600多万元/a。

3) 该矿周围都是水浇农田，使用充填开采后，避免了煤矿塌陷和煤矸石占地费用，节约资金1亿多元。对农业的发展和生态环境保护也起到了积极作用。

5 结语

1) 充填开采可以在保证安全生产条件下，有效开采井田内的水体下压煤资源，从根本上解决了煤矿水体下开采的难题。

2) 似膏体充填应用于水体下采煤的技术和经济效果显著，为公格营子矿大幅度提高煤炭资源采出率、延长矿井服务年限、保护水体及地表村庄等建筑物开创了一条安全有效的采煤途径。

3) 改善矿区环境，实现矿山绿色开采。充填开采能使地表沉陷得到有效控制，保护地表自然环境；充填开采将煤矸石、粉煤灰等废弃物用于井下回填，减少了煤矸石长期堆存，占用大量土地，污染大气和地下水质的环境问题。

[1] 国家煤炭工业局[G].建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程.北京:煤炭工业出版社,2000.

[2] 国家安全生产监督管理局,国家煤矿安全监督局[G].煤矿防治水规定.北京:煤炭工业出版社,2009.

[3] 黄玉诚,孙恒虎,时召兵,等.似膏体建筑物下采煤可行性探讨[J].煤炭科学技术,2003,31(10):51-53.