建筑物下四阶段条带膏体充填开采技术与应用

宋英明，刘东升，刘 浪，王 美，苏 臣，杨 震，徐庆路

(1.榆林泰发祥矿业公司 麻黄梁煤矿，陕西 榆林 719100；2.西安科技大学 能源学院，陕西 西安 710054；3.教育部西部矿井开采及灾害防治重点实验室，陕西 西安 710054)

煤炭是我国的主体能源，据报道，我国80%以上的矿井存在三下压煤问题[1]，三下压煤量达到140多亿t，压煤量巨大，其中，建筑物下压煤量占三下压煤总量的60%左右[2-4]。然而建筑物下煤炭资源开采量较少，利用率较低[5]。很多矿井都面临建筑物下压煤问题，造成诸多矿井有储量而不能大规模开采的局面，严重影响煤矿企业的生产与经济效益。因此如何有规划、高效、安全的解放建筑下压煤问题，是目前煤炭企业急需解决的问题。

我国目前建筑物下采煤代表性的方法为条带开采和充填开采[6]。条带开采法即将被采煤层按一定间距或者不同间距划分成若干条带，间隔开采条带，未采条带作为保护煤柱，支撑顶板，减小地表移动变形，实现保护地表建筑物的目的[7]。彭庄矿、忻州窑矿采用条带开采方法对村庄下煤炭资源进行回采[8，9]，但该方法采出率较低，约为40%～60%[10]，在复杂地质条件下采出率可能更低，而且条带煤柱的长期稳定性难以保证。充填法是用充填体本身的强度支撑上覆岩层，目前越来越多的矿井采用充填法解决建筑物下的压煤问题。同时，国家对在建筑物下、铁路下、水体下通过充填开采方式采出的矿产资源实行资源税减征等优惠政策，以及在我国绿色发展的理念倡导下，促使了充填采矿法的应用与推广。对于煤矿充填材料，目前常用的有煤矸石、粉煤灰、风积沙和黄土等。例如，上河煤矿、榆阳煤矿采用风积沙、粉煤灰材料进行充填采煤[10-12]，岱庄煤矿使用煤矸石膏体充填技术回收条带残留煤柱[13]。

目前越来越多的煤矿以及研究者探索将固体废弃物的处置与煤矿充填结合起来，我国在煤炭生产过程中产生的煤矸石约占煤炭产量的15%，据报道2020年将会有7.95亿t煤矸石产生，而综合利用率不到30%[14，15]。因此选用煤矸石作充填骨料，不仅可以解决煤矸石处理费用，而且减少矸石排放造成的占地以及环境污染等问题。另外添加粉煤灰作为辅助胶凝剂，代替部分水泥，可降低充填成本。

本文以麻黄梁煤矿建筑物下压煤为生产技术条件，提出了四阶段膏体充填开采技术，以及以煤矸石固体废弃物处置为基本出发点，系统介绍了麻黄梁煤矿建筑物下四阶段膏体充填采煤工艺，对开采后充填效果进行评价，并对技术经济效益进行了分析。应用四阶段膏体充填技术对建筑下压煤的解放以及地表的有效控制，为建筑物下采煤以及矿山绿色发展做出有益探索。

1 矿井概况

麻黄梁井田位于榆林城东北方向约23km处，煤矿井田面积7.7772km2，生产能力为2.4Mt/a。井田范围内共有可采煤层两层，分别为3、3-1煤层，现开采煤层为3号煤层。麻黄梁煤矿地面建筑物主要为麻黄梁镇、工业广场和万家崖村，难以搬迁。建筑物下压煤区内3煤与3-1煤合并为一层煤层，煤层标高+1090～+1105m，煤层厚度10.12～10.7m，平均10.4m(含矸)。煤层埋深168.86 ～ 200.82m，平均约185m。煤层倾角0°～5°，平均倾角0.59°。目前，可采储量约为30Mt，其中建筑物下压煤量约占可采储量的1/3。

2 条带膏体充填采煤工艺

2.1 四阶段条带膏体充填

四阶段条带膏体充填，是从切眼开始留设11m煤柱，之后将工作面分为若干组条带，每个条带宽为8m，四个条带为一组，采8m留24m，分四阶段开采。采用综掘机垂直于回采巷道掘进条带，条带掘通后进行二次收底开采，完成一个8m宽的条带的开采。每个条带，上半部分为掘进开采，下半部分为二次收底开采。一个条带采完以后，间隔24m煤柱，掘进机移动到下一组条带继续开采。采完一个条带，在形成的条带两端头用移动式隔离装置将开采后的采空区封堵起来，再用膏体充填料浆充满该采空区。进行充填后，同样再对下一个条带进行充填，当完成第一阶段开采后，再返回到起点处对剩余煤柱实施第二阶段开采并充填，以此对第三、第四阶段进行回采和充填，直至采出所有煤炭资源。四阶段膏体充填方法如图1所示。

图1 四阶段膏体充填方法

2.2 充填材料的制备及性能

充填材料应具有良好的流动性、力学性能，廉价且分布广泛，麻黄梁煤矿充填材料主要为煤矿生产过程中产生的煤矸石、电厂粉煤灰、硅酸盐水泥、添加剂和矿井水，煤矸石粒径分布如图2所示。根据强度以及流动性实验确定质量浓度为81%，各固体组分配比为：煤矸石80%，粉煤灰8%，胶凝材料12%。将经过粗破和细破后的煤矸石与以上材料进行混合，制备成性能优良的膏体充填材料。

图2 煤矸石粒径分布

制备好的充填料浆经现场取样进行测试，测得试样坍落度为25.5cm，满足充填输送的坍落度要求(23.5～27.5cm)[16]。充填料浆凝结时间决定充填料浆凝结快慢，同时对泵送时间有重要影响，若凝结时间过快，则有可能浆体还未到达采空区就已凝固，造成管路堵塞；若凝结过慢，则会长时间保持液态，影响作业安全[17]。因此采用ZKS-100型砂浆凝固时间测试仪测得新鲜充填料浆的初凝时间为365min，终凝时间为452min，满足现场4h的可泵时间要求。将现场取出的充填料浆倒入7.07cm×7.07cm×7.07cm试模，养护1d后脱膜，放入恒温恒湿养护箱中养护，养护28d的单周抗压强度可达5.5MPa左右。充填膏体不离析、不沉降，泌水率小于3%，性能优良。

2.3 膏体充填系统工艺流程

膏体充填系统由破碎系统、计量系统、搅拌系统和泵送系统四部分组成。首先矸石通过一级颚式破碎，然后进行二级细破碎后，过13mm筛网后，大于13mm的矸石再次进行二级细破碎，粒径小于13mm的矸石进入计量斗，同时水泥、粉煤灰以及水和添加剂混合液体经过称量后，一起进入搅拌机搅拌。最后通过充填管道泵送至充填条带。充填系统工艺流程如图3所示。充填系统设计充填能力为250m3/h，充填管径为273mm。

图3 充填系统工艺流程

2.4 封堵及接顶措施

充填接顶对对上覆岩层稳定性有重要影响，为了确保充填体能有效接顶除了充填膏体本身须具有良好的流动性，另外由于条带较长，充填膏体下料口在条带一端，由于充填膏体在采空区中会形成一个坡面，这难免会在下料口另外一端形成不接顶空间。因此在条带中布置前后两个下料口，同时在条带顶端设有排气口，以防充填中存在气泡，降低接顶率，影响顶板稳定性。充填时首先从前端下料口进料充填，待充填料浆在当下料口处充填体表面距顶板1～2m时停止充填，换为后端下料口充填，当后端下料口处充填体表面距顶板1～2m时停止充填，并选择中间位置将后端下料口的管道断开，将端头封堵完全，再次使用前端下料口充填，将主运巷侧完全接顶；当主运巷侧膏体凝固并达到一定强度，使用后端下料口进行充填，待回风巷侧排气管满管出浆和充满观察口，则完成接顶。接顶方法如图4所示。

图4 接顶方法

另外对封堵以及接顶还采取了以下措施：

1)保证隔离模板完好，密贴墙体、连接严密；避免充填料浆的流失，使得采空条带中充填料浆的体积未达到设计的充填量。

2)严格控制充填料浆浓度；根据现场充填的应用情况进行调整，使得充填料浆在流动性(坍落度)、强度及泌水性等方面满足要求。

3)充填条带顶部布置排气口，将下料口、排气管口放置在采空区最高处，便于接顶充分。

3 充填效果评价

充填率是影响充填效果的关键指标，充填率的计算公式为[13]：

式中，η为充填率；m为煤层厚度，取10.4m；H为煤层采深，取185m；[ε]为地表建筑物允许最大水平变形值，取1.6mm/m；b为水平移动系数，取0.29；q为下沉系数，取0.59；tanβ为主要影响角正切，取2；α为煤层倾角，取0.59°。

将数据带入公式，可求得充填率为：η≥0.945，经现场实测，充填率可达98%以上，满足要求。

为验证条带膏体充填开采效果，对地表变形和移动进行观测。根据麻黄梁镇地表设防指标，工作面前二轮充填开采结束后，对应工业场地的地表变形值均在倾斜i=±2.4mm/m，水平变形ε=±1.6mm/m，曲率k=±0.16×10-3/m的设防指标内。同时巷道围岩变形控制良好，实践表明麻黄梁煤矿建筑物下采煤较为成功。

4 经济与社会效益分析

麻黄梁煤矿充填系统建设中的投入主要包括充填设备购置费、土建工程费、以及新增采煤设备等共计7355万元。根据麻黄梁煤矿2020年上半年财务数据，辅助材料费、充填材料费、电费、人工费等总支出2275.9万元，累计充填体积25.5万m3，煤的密度为1.34kg/m3，因此充填吨煤成本增加约66.6元。麻黄梁煤矿建筑下物下压煤量约为10Mt，鉴于充填系统运行期间需要维修与保养等，根据充填实际充填系统投资应乘以预留系数1.2，因此充填系统投资均摊到每一吨煤约为8.826元。财税〔2016〕54号《关于资源税改革具体政策问题的通知》指出，对依法在建筑物下、铁路下、水体下通过充填开采方式采出的矿产资源，资源税减征50%。陕西资源税税率为9%，吨煤可节省成本18元。条带采煤直接成本约35元/t，则充填采煤吨成本为92.426元。按照煤价为400元/t计算，预计企业约增加毛利30.75亿元，经济效益显著。

使用煤矸石膏体充填技术可减少煤矸石处理费用，避免矸石堆存造成的环境污染。同时对地表建筑物以及生态环境起到了保护作用，延长了矿井服务年限，增加了当地的就业机会，综合效益明显。

5 结 论

1)为了解放建筑物下煤炭资源，提高资源采出率，延长矿井服务年限，提出了以煤矸石为骨料的四阶段膏体充填建筑物下开采技术。

2)阐述了建筑物下四阶段膏体充填采煤的主要采煤方法与充填工艺流程，分析确定了麻黄梁煤矿膏体充填开采时充填率等工艺参数。

3)实践结果表明，采用该技术解放建筑物下压覆的煤炭资源后，井下巷道围岩变形控制良好，地面建筑物的地表变形值均在设防指标内，因此麻黄梁煤矿成功地实现了建筑物下煤炭资源的安全开采。

4)麻黄梁煤矿采用四阶段膏体充填解放建筑物下压煤技术，村庄不用搬迁，避免了工农矛盾，而为建筑物下压煤开采提供了可靠的技术新途径；同时可以使煤矸石、粉煤灰等固体废弃物得到资源化利用，经济及社会效益显著，具有推广应用价值。