深井风动充填开采技术与岩移观测实践

文/郭明 段元帅

深井风动充填开采技术与岩移观测实践

文/郭明 段元帅

随着矿井开采深度的增加,山东能源新矿集团万祥矿业有限公司4197工作面受底板奥灰水威胁日甚，最大涌水量达847m3/min。为遏制和预防底板涌水，减少地面塌陷及对村庄建筑物和立井煤柱的影响，万祥矿业公司决定对4197工作面实施深井风动充填采煤法进行开采。同时，为了及时了解和掌握4197面开采期间底板奥灰水压、附近巷道、地表建筑物等周围环境的变化情况，万祥矿业公司分别在地面和井下布设岩移动态观测网，以提高充填开采效果，最终实现了安全高效绿色开采。

一、工作面概况

4197工作面为万祥矿业公司-740水平后四下山采区首个工作面，位于-740水平井底车场附近，利于矸石运输和充填。工作面平均走向长 930m，倾斜宽平均91m，开采19煤层，为一稳定的中厚煤层，煤厚0.74～4.65m（纯煤厚度），平均2.50m左右，含夹矸0～3层，厚0～0.58m，为复杂结构煤层，走向275°～310°，倾向5°～40°，倾角23°～32°。

水文地质：4197工作面底板充水含水层为五灰、六灰和奥灰，其距煤 19#底板分别为 18.7m、 35m和61m；五灰厚5.5m，六灰厚8m。五灰、六灰突水性较差，通过构造裂隙接受奥灰水的补给，水量0.1m3/h，初始水压2.1MPa，易疏水降压；奥灰厚800余m，以质纯石灰岩为主，露头位于东泉庄至里辛庄以南，出露面积15Km2，接受大气降水和第四系潜水补给，补给条件好，且因断裂构造的存在，对工作面安全开采造成极大的威胁。

二、矸石充填开采技术的实施方案

1.采煤方法

4197工作面采用走向长臂采煤法开采，以矸石充填采空区控制顶板。采用MG180/415-W型采煤机落煤、装煤，SGZ630/264型刮板输送机运煤，采用ZC4000/16/32型液压充填支架支护顶板，以矸石充填采空区组织生产。工作面平均采高2.3m，每刀循环进度0.6m，采用“三八”制循环作业；工作面每推采两刀进行一次拉架充填，充填歨距1.2m，倾向长平均91m，按此顺序周而复始进行。

2.风动矸石充填技术

风动矸石充填技术由三部分组成。第一部分由两台40t溜子、一台颚式破碎机（75KW电机）、两台锤式破碎机（30KW电机）、储矸仓和两台SD-80型运输皮带组成，其作用是将矸石粉碎、存储并运至工作面上头的自制充填机。第二部分由ZG-65型罗茨风机和6寸钢管组成，其作用是为工作面上头的自制充填机供风。第三部分由自制充填机 （改造的喷浆机）和6寸PVC输料管组成，其作用是向采空区输送粉碎的矸石，以实现充填。

3.风动矸石充填技术具体操作步骤

⑴工作面割煤两刀后，整个工作面自下向上推移溜子至煤壁，当煤层顶板破碎时，应先打锚杆支护顶板，然后进行移架和组装充填管路。移液压充填支架时，应根据充填需要，每次移动四个，充填四个，依次循环往复。

⑵当首次四个液压支架移到位（充填步距达到1.2m），且工作面上充填管路也组装完毕时，发出充填信号，准备充填。

⑶开动ZG-65型罗茨风机向风动充填机供风和启动自制充填机。

⑷开动皮带运输机向充填机供粉碎的矸石料，并继续粉碎矸石以保证有充足的充填料。

⑸向采空区充填，并根据充填状况，对充填的矸石实施推压，达到充填密实的效果。

⑹当充填完成第一组四个支架后，应缩减充填管路，同理实施第二组充填，直至完成该次循环。

三、岩移动态观测

采空区上覆岩层自悬露发展到破坏，基本上有弯拉破坏和剪切破坏两种运动形式，且剪切破坏相比弯拉破坏强烈，破坏形式运动范围大、速度快。只有其下部允许运动的空间高度大于沉降岩层的可沉降值时，岩层运动才会发展至冒落。因此，充填采空区是制止采空区冒落的有效措施，且充填越密实效果越理想。

为及时了解和掌握4197面开采期间底板奥灰水压、附近巷道、地表建筑物等周围环境的变化情况，万祥矿业公司分别在地面及井下布设了三处岩移动态观测网，按照设计要求分别对各观测网按时进行测量和记录，及时对观测数据进行总结、比较、分析，找出差异点，并针对具体问题，采取积极的方法、措施，以提高充填开采效果。观测网布置如下图所示。

岩移动态观测网布置图

1.地面岩移观测网的设置

地面岩移观测网一处设在4197工作面正上部，一处设在工作面东侧的工业广场。4197工作面正上部地表观测网共设A、B、C、D、E五条观测线，其中A、B、C三条线沿走向布置，D、E两条线沿倾向平行布置；工业广场岩移观测网共设A1、B1、C1三条观测线，布设成射线状，其中C1线布设在大巷保护煤柱上方，A1线位于立井工厂南边位置，B1线与 A1线平行相距150m，且横穿立井井筒。另外，还在井塔上布设四个加密监测点，测量坐标和高程，三个月测量一次。

2.井下巷道变形观测

井下巷道观测网设在-740m西大巷，全长1200m。走向包括了整个4197面的开采范围，平面位置最远处距4197运输巷120m、最近处60m，其底板标高与4197上巷标高相差5～10m，与运输巷标高相差30～70m，极易受到4197面开采的影响。自东向西每30m左右布设一组观测点，共设置40个观测点。

3.测量标准及计算方法

⑴采用导线、水准、距离测量法对各观测网内的监控点进行水平和竖直位移观测，及时统计、比较各观测点的空间位移变化量。要求每次观测均为同型号的仪器、相同的观测方法及施工人员。

⑵导线测量精度按7秒或按一级导线测量要求；测角中误差5秒，测回数4（DJ2），方位角闭合差±10秒（n为测站数）；根据生产进度，每2～3周观测一次；每次观测同时记录工作面开采位置及其他相关数据。

⑷采用概率积分法计算机程序进行地表移动与变形计算，计算在微机上进行，运用run运行主体计算程序及前后处理系统通过项目总结鉴定。地表移动变形参数根据矿井实测及参考临近矿井资料选取，并保留一定安全系数，确定长臂开采地表移动和变形预计岩移参数。

按照经验公式计算，预计地表最大移动和变形值：地表最大下沉值252mm；地表最大倾斜1.2mm/m；地表最大水平变形值-1.8～1.1mm/m范围；由此得出：充填开采对地面构筑物的影响不大，但部分构筑物可能受到II级破坏。

四、结语

采用风动矸石充填采煤法，井下产出矸石就地消耗，节省了排干费，减少了投入矿车费用，且开采期间工作面仅呈现小量底板裂隙渗水，降低了水害威胁，提高了资源采出率，这对于实现矿井安全生产和解放呆滞煤炭资源具有重大的现实意义。

（作者单位：山东能源新矿集团万祥矿业有限公司）

（责任编辑：周琼）