厚煤层边角煤膏体条带充填开采技术工艺研究

李海龙

（山西高河能源有限公司，山西 长治 047199）

充填开采[1-3]是提高矿井回采率，实现矿井绿色可持续发展的重要技术手段，不仅可以处理煤矸石，同时可以保护地下水，控制地表沉陷，从而保护地表生态环境。

1 工程概况

高河能源2012 年投产，主采3 号煤层。煤层顶板为泥岩、砂质泥岩、粉砂岩，局部为砂岩；底板为黑色泥岩、砂质泥岩、深灰色粉砂岩。矿井为高瓦斯矿井，煤尘具有爆炸危险性，煤层不易自燃。高河能源井田范围内村庄、铁路、公路密集，全矿“三下”压煤量达3.72 亿t。为提高煤炭开采率，延长矿井服务年限，该矿于2020 年初研究开发出6 m 厚煤层100 万t/a 的膏体充填采煤成套技术装备，目前已进行成果应用。但是矿井井田内仍留设有大量边角煤柱和区段煤柱，不能布置长壁充填工作面，需采用条带开采进行回收。矿井首个条带膏体充填开采试验区位于矿井井底车场附近，可方便利用现有生产和充填管路系统，试验区域3 号煤层平均厚度6.6 m，埋深470 m，煤层倾角1°～4°，煤层赋存条件较好，无陷落柱及断层构造。

2 充填工作面布置

膏体条带充填开采[4-6]需在试验区掘进巷道和切眼，形成长壁工作面的全负压通风系统和生产系统，之后将圈定的边角煤沿运输巷按照21.2 m 宽分组，每组条带宽度5.3 m，可以布置4 个条带，条带高度6.6 m，采3.6 m，卧底3 m。先采出每组的第一个条带后，进行封堵隔离充填；第一条带充填体凝固1 个月后，再安排每组的第二条带开采和充填，如此往复。在试验区布置E1310 和E1312 两个条带充填面。E1310 条带充填面为宽150～380 m、长106 m 不规则梯形区域，布置20 个条带，可采储量28.5 万t；E1312 条带充填面为宽87～203 m、长678 m 不规则区域，布置约125 个条带，可采储量105.7 万t，如图1。试验区内首先开采E1310 条带工作面，布置2 个掘进头，在距离E1308 工作面停采线处掘一个沉淀池巷道，用于条带充填的洗管水外排。

图1 工作面及内部条带布置图

3 条带开采方案

3.1 开采过程

（1）顶掘

条带充填开采工作面沿煤层顶板掘进，由于条带充填开采工作面煤层整体为东北部高，西南低，因此充填管路布设在运输巷，如图2（a）。条带开采采用二步一次采全高办法回采，第一步采用局扇通风，掘进设备在运输顺槽一侧开口后，然后沿顶板掘进，与回风顺槽贯通，掘进时同时支护顶板和两帮。由于条带充填开采工作面长度为200～383 m，根据高河E1302 充填面充填情况，合理的料浆配比，一个出口可在150 m 左右，可以保障整个条带充实充满，设计在条带最高处均匀布设2～3 根充填管和1 根排气管，各高处的排气管联通。为减少投资和便于铺设，条带内的充填管和排气管采用重量较轻的PE 管材，形成全压通风系统后，进行拉底。

（2）拉底

顶掘完成后，进行拉底采煤，同时支护两帮，完成条带一次采全高，如图2（b）。

（3）隔离

单个条带掘进完成后，在掘出条带的上下端头处支设隔离墙，并将条带内充填管与布料阀连接，如图2（c）。隔离墙可沿用现有综采充填工作面端头隔离墙支设方法，即采用单体支柱、高强隔离布和木板等支设隔离墙。由于条带充填的隔离墙宽度大于综采充填工作面端头隔离墙，如沿用原隔离墙支设方法有困难，可采用单体支柱和柔模支设隔离墙，利用柔模和单体支柱支撑浆体压力，取消木板。膏体充填条带隔离墙设置如图3。

（4）充填

隔离完成后，将该条带充填满膏体，以排气管出口出浆作为充填管出口接顶标志，完成本条带采充工作，如图2（d）。

图2 条带充填开采过程

图3 膏体充填条带隔离墙设置图

3.2 充填开采系统

（1）主、辅运输

采用掘进机截割煤，工作面采用刮板运输机运煤，运输顺槽采用可伸缩胶带运输机。工作面所需材料、设备辅助运输系统设计以无轨胶轮车为主，其他运输方式辅助。

（2）通风系统

E1310 条带充填工作面两个掘进条带采用局部通风机通风，当掘通后采用全负压通风方式。

（3）充填管路系统

条带充填开采工作面首充区充分利用现有的E1302 充填工作面充填管路，仅需从现有充填主管路井下速凝剂泵站附近巷道交叉口增加一个切换阀，切换阀一路连接现有充填管路，切换阀另一路通过连巷到+450 m 水平东翼胶带大巷和E1308 辅运顺槽进入条带首充区。由于条带首充区充填管路短，为实现满管流以保证管路安全，增加管道阻力，切换阀出口经3 个Φ325 mm×27 mm-90°弯头后，在进入首采区附近接1 个Φ325 mm 调节阀和1 个Φ325 mm 截止阀，再接Φ325 mm～Φ219 mm 变径管，从变径管至条带首充区充填管路均为Φ219 mm×10 mm。另外，为方便各个条带充填，在合适位置每隔20 m 布置2～3 个布料阀服务本区域4～5个条带充填区，并在沉淀池条带位置布置一个布料阀。首采区充填管路开始布置管路长度1750 m，其中井下长1200 m，最远布置长度2700 m，其中井下长2150 m。如图4。

图4 首采条带管路布置图

4 效益

膏体条带充填开采工作面掘进、运输、充填泵站等采用矿井现有设备，主要新增成本为掘进巷道成本、充填电费、充填站运行成本等。根据目前矿井巷道掘进成本和预估充填站运行成本，合计膏体条带充填开采综合成本约为340 元/t；可节约矸石处理费、资源税费优惠等共计67 元/t，合计膏体条带充填开采吨煤成本为273 元/t，经济效益显著；同时可提高矿井资源回收率，降低固体废弃物的污染，可实现矿井绿色可持续开采，社会效益明显。

5 结语

在分析高河能源矿井开采系统和工作面布置的基础上，通过合理布置边角煤膏体条带充填开采工作面，充分利用现有膏体充填开采设备系统，提高了矿井资源开采率，提升了矿井经济效益，延长矿井服务年限，实现了高河能源煤矸石等固体废物利用，丰富了高河能源充填开采技术体系内容。