综采工作面绿色充填开采技术的实践应用

张峻源

（山西兰花集团莒山煤矿有限公司，山西 晋城 048027）

1 莒山矿及其9101 工作面概况

莒山矿目前所采的3 号煤剩余设计可采储量不足1 000 万t。该煤层属于低硫、高发热量优质无烟煤，属稀缺资源，具有非常高的经济效益。现阶段正进行底层复采，年产量维持在50 万t 左右，无法达到核定生产能力。下组9 号煤设计主要采区为901采区、902 采区和903 采区，共布置22 个工作面，该煤层属高硫煤，煤层薄，单独开采9 号煤层无可观的经济效益、达产困难，还将遗弃3 号煤层优质资源；单独开采3 号煤层，9 号煤层建成无法投产。为实现矿井高效可持续发展，在9 号煤工作面采用绿色开采技术，保留3 号煤层回采工作面。采用充填技术，对9 号煤层综采工作面进行充填开采，可以实现以下目标：一是可以解决3 号煤层和9 号煤层矸石处理问题；二是可回收更多的3 号煤弃滞资源，延长矿井服务年限；三是响应绿色开采政策，达到以矸换煤、提高煤质、生态创效的目的，实现资源开发利用最优化和生态环境影响最小化。

9101 工作面设计长度200 m，推进长度为660 m，开采高度1.5 m。煤层倾角6°～8°，采用综采工艺，膏体充填采空区管理顶板。工作面所采的9 号煤层顶板以泥岩、砂质泥岩、粉砂岩为主，据山西省煤炭工业局综合测试中心2011 年4 月24 日对莒补3 号钻孔煤层顶板测试资料，9 号煤层顶板为泥岩时，普氏硬度系数为2.3；抗压强度为20.0～26.4 MPa，平均22.8 MPa，属中等坚硬岩石；抗拉强度0.7 MPa；凝聚力系数4.0，内摩擦角31°34′。底板多为泥岩，局部为砂质泥岩。

2 充填开采技术确定

莒山煤矿采取充填开采主要是以消化矸石、提高煤质、减少顶板下沉、以矸换煤为主要目的绿色开采方式。由于采用综采工艺，所以应用长壁综采架后充填技术。综采架后充填方式主要有综采密实固体矸石充填系统和综采泵送膏体充填系统等方式[1-3]，莒山煤矿充填主要以消化地面矸石，以矸换煤，控制顶板下沉为目的，对于提出的密实固体充填和泵送膏体充填两种综采充填开采方案，前者充填工艺及设备相对较为简单但井下矸石运输环节复杂，且占用空间较多；后者泵送膏体充填为在地面设置搅拌站对胶结料和矸石搅拌混合后通过管道输送至采空区进行充填，工艺及设备相对较复杂，但井下工序简单。结合莒山矿实际情况，考虑投资估算与经济效益综合情况，确定采用综采泵送膏体充填技术。

3 充填开采技术

3.1 技术原理

综采泵送膏体矸石充填通过专用充填支架实现架前开采和架后充填同时进行，以高强度充填体支撑顶板，降低采场地应力和巷道支护成本[4-5]；根据情况可选用带前移机构的支架，在架后膏体凝固时间内尽量不影响前方采煤，提高采煤效率。通过对开采空间进行高密度全部充填，避免采空区顶底板垮塌，浆料跟矸石在地面混合搅拌后经工业充填泵经斜井或钻孔下井，通过管道输送至井下工作面上方充填至采空区。实现对地表及建构筑物等进行保护的目标。

3.2 采煤工艺

9101 采区工作面开采9 号煤层，选用薄煤层综采工艺，泵送膏体矸石充填管理顶板。

充填工作面实行“采煤—充填（凝固/检修）”交替进行的高效作业方式，采用“四六”工作制度，两班生产，两班充填。循环进尺0.8 m，生产班每班进三刀，充填步距2.4 m。

工序流程为：割煤→移架、伸后掩护梁→推移输送机→割煤→移架→推移输送机→（重复上述工序）；重复上述采煤工序达到充填步距（2.4 m）后作充填准备工作，准备好后充填班充填，充填结束后清理工作面并作割煤准备，一个大循环结束。

3.3 充填工艺

按照综采工艺流程完成割煤、移架、推溜，达到充填步距后，进入膏体充填工艺阶段。其主要工艺过程如下：

1）充填准备。工作面充填隔离墙的构筑。为了保证充填的接顶效果，需要对充填区进行密封隔离，使其完全是“封闭”的空间，为膏体充填提供前提。通过专用充填支架后掩护梁下自带挡板配合木板、彩条布（编织袋）等进行充填区域隔离。

工作面充填管布置。工作面充填管布置在充填支架的前、后立柱之间，铺设在支架底座上，充填布料管头要与充填支架处的专用充填布料阀口联接，并用铁丝绑牢。

2）检查准备。主要检查充填管路的闸阀是否处于开启状态；布料管阀是否处于关闭状态；工作面布料阀（三通阀）门检查（打开）；报告充填站，确定是否进行充填。

3）膏体充填阶段。主要步骤为：管道充水→煤泥浆推水→矸石浆推煤泥浆→正常（轮流）充填。

4）煤泥浆推矸石浆。当充填矸石浆达到设定充填量之后，配制少量的煤泥浆，将矸石浆推出管路，确保管路清洗时，清洗水不与矸石浆混合。

5）水推煤泥浆。当煤泥浆量能够确保将矸石浆全部排出管路后，向料浆斗中放入清水，当工作面见到煤泥浆时，关闭所有布料管闸阀，打开工作面管闸阀，通过排水管路，将管路清洗水排入排水巷。

6）压风推水管道清洗。排水管排出清水后，停止泵送清水，利用压风把管路内的清水及其他遗留大颗粒吹出充填管，完成管道清洗工作。

3.4 运输系统

运输顺槽设计选用两部DSJ100型可伸缩带式输送机担负煤炭运输任务。每部最大运输距离800 m，采区倾角-3°～-5°，平均-4°。配用2 台功率为55 kW的电动机。

胶带运输大巷长1 890 m，设计选用两部DTL100/63/132×2型带式输送机运输煤炭，每部运输距离945 m，倾角0°～5°，平均3°，电机功率132 kW×2；集中运输巷长221 m，倾角0°～2°，平均1°，设计选用1 部DTL100/63/55型带式输送机运输煤炭，电机功率55 kW。

1）辅助运输：井下轨型30 kg/m，轨距600 mm，设计选用调度绞车和无极绳连续牵引车和调度绞车相互配合完成井下辅助运输任务。设计轨道运输大巷辅助运输方式采用无极绳连续牵引车牵引系列矿车运输，运输距离2 000 m，倾角0～5°，平均3°。设计选用一部SQ-80型矿用无极绳连续牵引车（单轨运输），担负全矿井材料、设备等辅助运输任务。

2）膏体输送：膏体自地面制备站通过地面管道到主斜井下井，自主斜井至9 号煤轨道大巷至9201面回风顺槽至采空区。

3.5 管道防堵措施

为防止充填过程中管路拥堵而影响充填效率，设计了长距离管道满管自流清洗系统、充填干线管自动排污系统、管道流量自动调节系统。

1）长距离管道满管自流清洗系统。由于充填管道有垂直段，可以利用垂直段高压水流成为清洗管道的动力，满管自流自动控制工艺阀原理主要利用垂直段水的压力与液压泵站的关系设计，系统可自动或人工开启。

2）充填干线管自动排污系统。干线管排污阀在充填干线管需要冲洗时可切换到排污管口，使充填干线管里的废弃物从排污管口排走；在正常充填时切换到充填管口，完成充填工作。膏体充填干线管排污阀包括阀体，阀体的上部和下部设置有与充填干线管相连通的进料口和出料口，进料口与出料口之间的阀体内部设置有可横向移动的阀块，阀块上并排设置有充填管口和排污管口，进料口与充填管口或和排污管口相连通。阀体的两侧对称设置有两个液压缸，液压缸内的活塞杆朝向同一侧，活塞杆的端部与固定在阀块端部的连接杆相连接。充填管口靠近连接杆设置，充填管口的上端口可与进料口密封连接，下端口可与出料口密封连接；排污管口呈直角形，排污管口的上端口可与进料口密封连接，下端口的朝向与活塞杆的朝向相反。

3）管道流量自动调节系统。膏体充填管道清洗流量调节控制阀包括液压缸，液压缸体中部开设有进料口与出料口，进料口与出料口相对应，进料口和出料口两侧的缸体长度大于进料口和出料口的内径。液压缸内设置有活塞，活塞将液压缸隔成大腔和小腔两个腔室，活塞杆位于小腔内并穿出液压缸端部，活塞的长度为进料口和出料口内径的2 倍，活塞的一端为活塞柱结构，另一端开设有与进料口和出料口相适配的通孔，大腔和小腔开设有液压油口，液压油口通过管路与液压系统相连接。活塞上的通孔靠近小腔一侧，活塞柱位于大腔一侧；当活塞位于液压缸的左端时，活塞上的通孔正好将进料口和出料口连通，当活塞位于液压缸的右端时，活塞柱正好将进料口和出料口堵死。液压系统包括油箱，油箱通过管路与油泵连接，油泵通过管路与三位四通电磁阀的第一接口相连通，三位四通电磁阀的第二接口通过管路与液压缸的大腔相连通，三位四通电磁阀的第三接口通过管路与液压缸的小腔连通，三位四通电磁阀的第四接口通过管路与油箱相连通。

4 结语

莒山矿9101 综采工作面充填技术的研究，主要涉及泵送膏体充填技术的选用，充填开采技术原理、采煤工艺、充填工艺、运输系统，防堵系统等，在后期的开采中，应该根据实际情况制定详细的开采技术措施，以满足工作面绿色、安全、高效开采要求。