7608底分层工作面充填开采实践应用研究

苗晓伟

（山西潞安集团潞宁煤业有限公司，山西 忻州 036700）

1 工程概况

山西潞安集团潞宁煤矿开采煤层平均厚度为5.99m，煤层中下部有一层夹矸，厚度为0.29m，将煤层分为上、下两层。当前上层煤已开采完3.01m，还有2.98m待开采。7608（底）工作面面长60m，走向长586m，可采面积为3.5×104m2，设计可采储量为18.9×104t。工作面共安装43个充填支架，其中ZC3670/18/34型支架38架，ZCG3670/18/34型过渡支架4架，ZT13200/18/34型端头支架1架。

7608（顶）工作面人工顶板主要采用矸石和粉煤灰进行充填，将矸石和粉煤灰按质量比10∶3经充填支架架后捣实铲推压密实所形成。主要特征如下：（1）充填体硬度不大，无层理，无裂隙，但胶结和抗剪切强度较低，抗扰动性能差，易散碎，粒径较小，充填体90%物料粒径小于50mm。（2）充填体上方的原岩顶板仅有裂隙，并未破碎。（3）在充填体人工顶板含水率较高，即顶板有淋水时，充填体人工顶板显现较软，极易破碎冒落。

2 底分层充填开采工艺及创新

2.1 充填工艺设计优化

（1）底分层两巷位置优化设计。7608顶分层运料巷、运输巷在充填回采期间采用人工攉渣充填，充填质量相对较差，仅为工作面中部充填率的70%，形成的充填体相对较松散，不利于底分层端头顶板控制，同时，工作面一侧为落差20m的F13断层，另一侧距离7614（顶）充填工作面仅有6m，因此在设计底分层工作面时，将两巷位置均相对顶分层巷道内错10m，以保证首采试验工作面两端头顶板的相对完整、可控。

（2）大断面开切眼设计。充填支架长度达7.3m，为便于安装，在矸石和粉煤灰形成的充填体人工顶板下，设计施工8.4m×3.0m的大规格开切眼。开切眼采用架棚支护，边扩开切眼边安装支架，并顺开切眼方向设计施工了30m长支架组装硐室，以便于充填支架就近组装后进行安装。

（3）回采期间顶板控制。工作面布置有小孔菱形金属网，以避免充填体人工顶板漏渣；工作面割煤后支架前探梁及时伸出，较好地维护了架前顶板；支架采用带压移架、“一刀一充”，并及时架后充填减少顶板下沉。

2.2 特型端尾液压支架

由于充填工作面端尾空间安装有运矸转载皮带，运矸转载皮带上方的顶板无法用普通支架进行维护，因此为了保证端尾空间顶板维护，研制了ZP13200/18/34型端尾支架，如图1所示。

设计的ZPl3200/18/34型端尾液压支架结构适合充填开采，设计强度足够控制顶板，支撑顶板效果良好；架后下沉量减小后，充填空间较之前增大，且端头液压支架捣实铲安装位置较之前合理，夯实的充填体可以有效地控制直接顶，使工作面两巷端头顶板来压强度减弱，没有出现明显的顶板来压。

图1 ZP13200/18/34型端尾支架

另外，改进了两端头支架摆梁、运矸输送机机尾、转载机输送带等关键设备，进一步增强了设备在底分层充填开采中的适用性，使底分层充填工作面三机配套更趋于合理。

2.3 底分层充填开采顶板控制

由于该工作面顶板为上部工作面充填体重新胶结后形成的人工顶板，因此在工作面人工顶板控制上主要采取以下措施：（1）工作面回采期间顶板铺设30mm×30mm的小孔菱形金属网，以避免充填体人工顶板漏渣。（2）研制ZC3670/18/34新型支架，并设计有伸缩前探梁，及时维护架前顶板。（3）两端头安装有支架，特别研制了端尾支架，加强了运矸转载皮带端头区域的顶板控制。

3 矿压观测

3.1 矿压观测方案

为监测7608底分层工作面的矿压情况，安装了矿压监测设备，如工作面支架压力表、巷道超前支护单体压力表、架后捣实压力表、充填体压力表等，并进行了矿压数据的收集工作。

（1）工作面支架压力监测设备。工作面支架采用在线压力计、数字压力计监测压力情况。工作面每4架布置1个YHY60（B）型号数字压力计。

（2）工作面超前支护压力监测。工作面超前支护压力监测采用数字压力监测计进行监测，在工作面两端头超前20m、25m处各设置1个YHY60（A）型号单体压力监测计。

（3）捣实压力监测设备。工作面捣实压力监测采用数字压力监测计进行监测，工作面共43架，每隔1架布置1个数字压力计。

3.2 矿压观测分析

7608（底）充填工作面矿压监测数据如图2、图3和图4所示。

图2 上部10号支架阻力统计图

图3 中部22号支架阻力统计图

图4 下部38号支架阻力统计图

通过图2、图3和图4的支架阻力统计图的数据可以得出：

（1）该充填工作面支架压力不高，工作阻力平均值为1680～3851kN，这充分说明了充填工作面充填体承担了工作面顶板的大部分压力，支架承载载荷减小，因而在充填工作面没有初次来压，没有出现过明显的周期来压。

（2）从工作面开采以来，支架平均工作阻力最大为3851kN，位于3号分机10号支架；最大工作阻力为6341kN。由于3号分机均位于距工作面两巷10m左右的位置，没有进行密实充填，充填体未能有效控制顶板运动，其顶板部分载荷由支架承担，因而出现近工作面两巷区域部分支架压力明显高于工作面中部现象。

（3）每推进30～40m时工作面支架压力出现整体明显增高现象，主要是由于在顶板岩层矿山压力作用下逐步压实了充填体，充填体的压实增大了顶板的下沉量；同时在40m左右时为基本顶的极限跨距，此时基本顶下沉将加快，其一部分载荷由支架承担。

4 效果分析

（1）工作面矿压观测数据分析表明充填开采减弱了工作面的矿压显现，充填体可有效控制顶板的运动。

（2）7608（底）分层工作面采用矸石和粉煤灰充填技术，共开采回收煤炭21.53×104t，充填矸石和粉煤灰21.97×104t，矸石和粉煤灰充填体人工顶板得到了有效的控制，在解决潞宁煤矿地面沉降和塌陷基础上，实现了对7608（底）分层工作面煤炭资源的最大限度的开采回收，有力缓解了潞宁矿接替紧张的局面。