紫晟煤业“三下”压煤工作面充填开采方案研究

胡智平

（霍州煤电集团紫晟煤业有限责任公司，山西 霍州031400）

0 引言

我国存在大量的“三下”压煤资源约58亿t，截止目前开采出的压煤资源仅占压煤总量4%，主要有搬迁、条带充填、膏体充填等几种开采方式。目前开采“三下”压煤的方式，超过一半的煤层采用搬迁村庄的方式，这种方式一方面土地征用困难、手续复杂，另一方面给煤矿企业带来了沉重的经济负担。因此，如何安全高效的开采“三下”压煤，提高煤炭资源采出率，减小采矿业对自然及社会环境的影响和破坏，实现煤炭资源的绿色开采是目前的重要课题；而充填开采作为绿色开采方式，能有效的控制上覆岩层移动和地表沉陷，解决“三下”压煤开采问题[1-4]。

1 工程概况

1.1 工程概况

紫晟煤业隶属于霍州煤电集团，位于霍州市辛置镇西南约2 km处北益昌村一带，矿井瓦斯绝对涌出量1.93 m3/min，相对涌出量1.26 m3/t，瓦斯等级鉴定为低瓦斯矿井。矿井采用斜井-立井联合开拓，矿井目前在2号煤层布置1个综采工作面和2个综掘工作面，工作面采用走向长壁采煤方法、采煤工艺为综采一次采全高，顶板管理方法为全部垮落法。

2号煤层直接顶以粉砂岩、砂质泥岩为主，局部为细砂岩、中砂岩及泥岩，平均厚度4.29 m，底板以泥岩为主，其次为砂质泥岩及粉砂岩，平均厚度2.49 m。该矿多年采掘生产中，2号煤层顶、底板较稳定，截止2018年底，2号煤层资源储量为2265万t，“三下”压煤量达715.1万t，占矿井资源储量的31.6%。煤层可作为很好的炼焦用煤。2号煤赋存稳定、煤层厚、煤质好、储量丰富，井田具有良好的资源条件。因此，如何解决“三下”压煤的安全开采是紫晟煤业目前面临的急迫问题。

1.2 设计区域地质概况

根据紫晟煤业回采工作面的地表移动变形实测结果分析得出，大面积全部垮落法开采后区域地表下沉严重，地表下沉平均值约2 061 mm。地表沉陷不但给居民生产生活带来较大影响，同时也给企业造成大量的资金投入，严重影响着煤矿的安全生产和可持续发展。

设计区域地面位于南东村以南，汾河、南同蒲铁路以西，山西橡胶厂以北，辛置煤矿以东，设计区域面积约1.65 km2。井下位于工业广场保护煤柱南侧，西至回风大巷，南至一采区回风上山，东至F1断层，北部、南部均为未采实区。井下标高+107～+197 m，埋深390～503 m。设计区域南部几乎被北益昌村压覆，开采将对地表建（构）筑物有一定的影响。充填开采技术能够解决紫晟煤业2号煤层建筑物下压煤开采的问题，确保地面村庄及建筑物的安全。解决村庄下压煤安全开采难题、解放安全保护煤柱、最大限度地回收了矿产资源、保护地下与地表环境、提高安全开采保障程度等，实施充填开采具有重大现实意义。

2 压煤开采方案的比选

目前的方案主要有：①搬迁开采；②条带开采；③综采固体充填开采；④长壁膏体充填开采。针对以上4种开采方案，搬迁开采费用很高及实施起来较为困难，周期长；条带开采掘进率高、回采率低、工作面设备搬家次数多。相比较后2种开采方法较为合适，下面对后2种方法进一步对比分析，见表1。

表1 技术对比表

通过比较分析可知，矸石固体充填虽然费用较低，但是矸石直接充填密实度较低，控制地面沉陷效果较差；而膏体充填密实度较高，充填材料费用便宜，且能够灵活调节充填体强度，对地面沉陷控制较好，可以适应各种开采条件。因此，膏体充填开采更为合适。

针对膏体充填提出2种方案：一是综合机械化膏体泵送充填；二是短壁膏体短壁膏体连采连充充填。综合机械化膏体泵送充填机械化程度高，出煤量大，同时对地面沉陷效果较好；但该技术设备投资较大，且对煤层地质条件适应性较差，且矿井现有支架为综采液压支架，新购置一套充填液压支架资金投入较大。相比之下，短壁膏体短壁膏体连采连充充实率、充填效果及对地表下沉控制都要好于综合机械化膏体泵送充填，对地质条件要求较低，且投资相对要少。综上所述，紫晟煤业推荐采用短壁膏体短壁膏体连采连充技术。

3 充填工作面方案设计

3.1 工作面设计

设计区域为一采区，支巷设计长度120 m、宽5 m，共布置8个工作面接替顺序为102、104、106、108、110、112、114、116，均采用短壁矸石膏体短壁膏体连采连充开采，工作面布置如图1所示。

图1 一采区短壁膏体连采连充工作面布置图

结合矿井地质及掘进现场实际情况，减少连采机的拐弯次数，尽量增加支巷的长度，保证连采机后部连续运输系统有一定的长度，增加掘进效率，确定工作面长度120 m。根据工作面岩层柱状图厚度、各岩层岩性（容重、弹性模量、单轴抗压强度等指标），同时考虑到采煤现场的施工因素，采掘一体机的割煤范围，综合确定一个开采单元宽度10 m，其中支巷宽5 m，煤柱宽5 m。

3.2 工作面回采工艺

一采区2号煤层工作面设计支巷长度为120 m，支巷宽度5 m，工作面回采采用跳采间隔充填的方式，如图2所示。支巷平行布置，靠近顺槽的第一个支巷设置保护煤柱，5 m宽，支巷由内向外编号为1、3、5…，支巷之间煤柱宽5 m，煤柱由内向外编号为2、4、6…，因此，先采奇数支巷充填后再采偶数支巷，直至整个工作面回采充填完毕。

图2 短壁短壁膏体连采连充工作面示意

3.3 近水平煤层充接顶工艺

短壁膏体连采连充最大的技术问题是要保证支巷充分接顶，一般在设计过程中要充分利用煤层的倾角实现膏体自流充分接顶，煤层倾角最好控制在8°～10°，倾角太小膏体自流效果较差，倾角太大则对支巷口挡浆墙形成较大的冲击，不利于安全生产。紫晟煤矿设计区煤层倾角3°～5°，属于近水平煤层，为提高充填接顶效果，采用分段带压接顶方法，每一条支巷分成4段，每段长度30 m，膏体管道出口压力控制在0.3～0.5 MPa，实现带压接顶。

4 工作面覆岩变形观测

对工作面充填体变形监测，每隔25 m布置1个观测点。走向观测线和倾向观测线的布置充分考虑了矿区周围实际情况，使测点利于埋设和长期观测。根据监测数据绘制图3：

图3 支巷6位置25、55 m处充填体变形-时间曲线

如图3所示，支巷6充填体在25m处前六天保持稳定，而后出现2次变形量明显增加，但变形量很小；在55m处，前23d充填体保持变形稳定，而后出现1次变形量明显增加，且变形量很小。

如图4所示，支巷10充填体在25m处前15d保持稳定，而后出现1次变形量明显增加，但变形量很小；在55m处，前15天充填体保持变形稳定，而后出现1次变形量明显增加，且变形量很小。

图4 支巷10位置25、55 m处充填体变形-时间曲线

如图5所示，支巷14充填体在25 m处前5 d保持稳定，而后出现1次变形量明显增加，约30 cm左右；在55 m处，充填体保持变形稳定。

图5 支巷14位置25、55 m处充填体变形-时间曲线

综上所述，充填体变形量处于控制范围内，对地表建筑物不会产生影响。

5 效益分析

针对紫晟煤业充填开采“三下”压煤进行经济效益分析，参考紫晟煤业2019年原煤价格750元/t，采用膏体充填法导致成本增加472.24元/t，每年多采出煤炭30万t，充填30万t，年实现利润 8 332.8万元，不但提高了煤炭采出率，而且取得了巨大的经济效益。