探讨膏体充填开采技术在煤矿采空区的应用

＊陈 路

（晋能控股煤业集团马脊梁煤矿 山西 037001）

膏体充填开采技术有利于优化煤矿生产环境，避免塌陷、滑坡等安全事故，促进煤矿开采效率的提高。煤矸石、粉煤灰等均是膏体充填开采工艺中的重要材料，诸如此类固体废弃物的应用价值得以充分发挥，避免资源浪费问题，与节能环保、经济高效的生产理念相契合。

1.膏体充填开采技术的作用

(1)控制采煤导致的矿山压力

采空区充填措施的落实有利于优化围岩的受力条件，四周煤岩体和充填物联合承受采动压力，相比仅由四周煤岩体承受的方式而言可更加有效地分散采动影响压力，提升现场施工的安全性。

(2)减少采动影响造成的顶底板受损

全部充填施工方式下，导水裂隙带不明显，采取充填开采的方法可减小开采活动造成的扰动，以免煤层上覆岩层受损而出现明显的导水裂隙。煤层底板也将由于采空区全部充填而保持相对稳定的状态，受损程度得到有效的控制。

(3)控制地表移动，减小破坏

开采厚度的变化带来的地表移动变形程度不尽相同，根据规律，开采厚度增加时，地表下沉加大，反之仅存在较小的地表下沉现象。因此，可以考虑减小开采煤层厚度的方法，避免开采对地表造成大范围的不良影响。

2.充填开采地表沉陷影响因素的分析

(1)充填体的充填率

式中：v—采出煤层的体积；v1—充填材料的体积。

增加充填率对于减小地表开采沉陷有重要的意义，属于操作便捷且应用效果良好的方法。理论上，充填率越接近1，地表沉陷的控制效果越好。

(2)充填体压缩率

式中：l—充填体压缩前高度；l1—充填体最大压缩下沉量。

受自重和上覆岩层的作用，充填体发生压缩变形和沉降，若幅度偏大，控制开采沉陷的效果变差，严重时完全失效。考虑充填率一致的前提，改变充填方法后，各自的沉陷控制效果不尽相同。例如，用河沙、矸石充填时，充填系数的表现为：前者小于0.1，后者约为0.25～0.5。河沙、矸石充填应用效果存在差异的关键原因在于材料性质不同，成型充填体的压缩率存在差异，表现出不同程度的压缩变形和沉降。

(3)不同充填材料的压缩率对比分析

根据图1，在几种充填材料中，压缩率最低、最高的分别为砂子、粉煤灰；图中给出多种粒径矸石粉的应用效果，对比分析发现三种粒径的压缩率接近，且明显高于砂子、低于粉煤灰。

图1 不同充填料的压缩率载荷对比

根据图2，压缩率最低、最高的材料分别为纯矸石粉、纯粉煤灰。在9MPa的轴向压力作用下，纯矸石粉的压缩率不再呈现急剧增加的变化，变化颇为平缓，此时的压缩变形达到极限状态，接近最大值。

图2 纯矸石粉与粉煤灰的压缩率

3.膏体充填开采技术在煤矿采空区的应用分析

膏体充填开采技术的应用流程，如图3所示。

图3 膏体充填系统工艺流程

(1)项目概况

某煤矿主采3#煤层，采区东翼部分区段上覆基岩厚度为5.7～33.3m，偏薄，虽设置保护层但最大厚度仅为5.4m，此开采条件下仅留设防水煤岩柱并不能完全保障生产安全。为此，提出膏体充填采煤法，在现场试验回采，根据此施工方法的应用效果评价其可行性。

(2)充填方案

工作面沿倾斜方向上方为材料巷，作为材料运输、人员行走和现场通风的通道；工作面沿倾向下方布置运输巷。井筒下井后沿运输巷布置充填管路，配套专用液压支架，用于维持管路的稳定性，两侧用单体液压支柱做加强防护处理。管路布设到位后，用清水充分润湿，由专员巡视充填管路，及时处理堵塞、漏液等问题，确保充填全过程中管路均保持畅通的状态。割煤后，从下部开始依次向上撤回支柱，在充填巷道两端砌筑挡浆墙，根据超过0.3m的深度要求在墙四周掏槽，具体深度以煤壁软硬程度为参考做灵活的调整，例如，煤壁松软时适当增加掏槽深度。挡墙外支设一排液压支柱，支柱与挡墙间留出0.2m的空间，向其中填入木板。挡墙位于下出口的区域必须具有严密性，确保无任何的漏水、跑浆现象。

(3)充填材料的准备

煤矿膏体充填材料的选择遵循废旧资源利用价值最大化的原则，包含煤矸石、粉煤灰、城市固体垃圾等废弃物。严格控制充填材料的粒径，粒径较小时，过筛后即可投入使用，粒径偏大时解小，例如煤矸石等大块材料需采取此措施。以机械磨细的方法处理粉煤灰，充分发挥出粉煤灰的化学活性，减少胶结材料的用量。

(4)料浆的配制

根据设计配合比、浓度要求等取用原材料，做充分的拌和，得到均匀性较好的充填浆体。煤矿膏体充填施工中仅采用少量的胶结料，因此制作的是“极贫”混凝土。充填浆体必须具有良好的流动性和固结性能，保证充填结构体的稳定性，进而有效控制地表沉陷量。具体的配料制浆作业要点如下：

①各类原材料均要进行称重计量，为保证称量结果的准确性，在静态条件下称量。②适配高精度的称重传感器，用于精准控制材料的用量。③联合应用PLC可编程控制器和工控微机，根据预设的参数控制配料系统，实现自动配料。准确测定河砂、粉煤灰的质量，根据测定数据评价变化特征，根据实际变化动态调整配合比。④浆液的拌和采用周期式混凝土搅拌机，启用前检验装置的性能。

(5)充填管路的配套

根据技术可行、稳定可靠、经济高效的要求合理设置充填管路，要点如下：

①干路充填管。以耐磨、耐腐蚀、抗冲击性能均突出的KMTBcr28双金属耐磨钢管为宜，煤矿的充填能力需超过金属矿山，按照此要求，将充填能力设为150m3／h。煤矿骨料采用的是河砂和粉煤灰，根据此类材料的特性可知，料浆水力坡降较小，据此将充填系统的设计流速设为1.8m/s。②充填管路配件的选择：以耐压为基本要求选择充填管路的附件，将公称压力为10MPa的钢制法兰作为旁通管法兰、干线管路法兰，通过优质配套件的应用，维持充填系统的稳定性。此外，柔性连接器、闸阀等均是不可或缺的附件，附件的选择主要以承压能力为考虑对象，用于工作面管路、干线管路的附件的承压能力分别达到2MPa以上、10MPa以上。③工作面管路的布置：充填管长2m，干线管总长600m，8根钢管间设一处法兰三通，此举目的在于确保发生堵管现象后可及时处理；准备DN180柔性管，用作工作面的填充管，长度控制在100m。按特定的间隔从填充管中分支出DN150特塑造钢复合管（布料管），按10m的间隔依次设置，单根管长均取1.5m。

(6)工作面的充填处理

综合考虑开采技术条件和煤层赋存特性，将工作面的长度设为100m。煤层倾角2°～11°，煤层厚度2.2m，割煤高度2.2m，截深0.8m，每日进尺33m。按照采煤、充填的流程完成一个循环的施工，以此类推。工作面二次充填采取的是大料量充填的作业方法，要求充填袋被料浆充满，并有一定数量的料浆溢流至未充填的部位，在此状态下可保证充填区域的接顶效果。按照如下流程依次施工，推进工作面正常充填作业进程：

①准备工作。前一充填循环结束后，检查管道，合理状态是管道严密且内部充满水，在此条件下进行新充填循环的施工。若无法达到前述条件，需泵送清水以便水充满管内。②“浆推水”。在充填管道中装入清洗球，启用充填泵，此时清洗球发挥出分隔的作用，前方、后方分别为清水、浆体，在泵压作用下，清水转移至巷道的排水沟，经一段时间后清洗球出管，充填料浆转至待充填的区域内，发挥出充填作用。③轮流充填。完全排除充填管路的清水后，以特定的时间间隔将充填料浆转至待充填的区域，持续向此空间内充填浆液，直至充填至饱满的状态。④“水推浆”。实际料浆充填量达到设计值后，用清管器装入清洗球，充填泵停止运行，借助备用泵进行水推浆，此过程中待充填空间内将持续接收到源自于充填管中的料浆，清洗水统一流动至排水沟，管路经过冲洗后恢复至干净的状态，使转换阀保持截止。⑤收尾工作。按照前述提及的流程进行充填后，全面清理搅拌机、充填泵，避免残留的料浆在装置内发生固结。井下充填工作面前，统一将待清洗球转至充填站，妥善保管，以便后续存在需求时能够及时投入使用。

(7)充填工作面支架的布置

充填工作面共有69架液压支架，从机头处开始依次布置，采取每10台中部基本架搭配一台特殊架的方式，将采区划分为6个独立的区域，以“化整为零”的思路分别针对各部分做充填处理。中部液压支架的设计与布置考虑到矿压显现、煤层赋存地质条件等，着重优化设计支护强度、结构高度等参数，保证配置到位的中部支架具有足够的稳定性。

4.膏体充填技术控制地表沉陷的应用效果

(1)地表沉陷控制要求

出于安全考虑，要求保护建筑物在Ⅰ级损害范围内，具体的指标控制要求为：水平变形＜2mm/m，倾斜变形＜3mm/m，曲率变形＜0.2×10-3/m。

(2)地表沉陷的控制效果

为检验膏体充填施工技术的应用效果，采用FLAC2D平面应变模型数值，计算主断面开采沉陷数值，依据本项目煤试验采区的膏体充填开采情况进行分析，如图4所示，当充填体抗压强度为Rc=0.5MPa、1.0MPa、1.5MPa时，充分采动时最大下沉量分别为310mm、230mm、210mm，可发现当充填体强度大于1MPa后，最大下沉量变化幅度区域平缓。也说明，在矿井给定条件下，并不需要过高的增大充填体强度，矿井充填体强度设计为1MPa。开采过程中及时进行地面沉陷监测，根据实际观测资料不断调整充填材料配比及工作面充填方法，确保充填效果。

图4 地表沉陷等值线预测图

进一步分析可知，在控制地表沉陷时无需过度加大充填体的强度，原因在于充填体强度达到某值后无论如何增加，对应的沉陷控制效果并未显著的变化，反而会导致成本攀升。结合前述分析，认为1MPa的矿井充填体强度较为合适，可兼顾地表沉陷控制有效性和经济高效两项要求。开采期间加强地面沉陷监测，根据实测结果判断充填体的应用效果，从中识别不足，动态优化充填材料的配合比，升级充填方法，以期取得愈发良好的充填作业效果。总体上，在采取膏体充填开采技术后，有效改善开采扰动剧烈、安全隐患多的问题，地表建筑物不会由于开采而受到过多的影响，破坏范围控制在Ⅰ级以内，整个开采过程中无任何的Ⅱ级破坏，表明膏体充填开采技术具有可行性。

5.结语

综上所述，在煤矿开采过程中应用膏体充填开采技术，可充分发挥出膏体充填材料的稳固性优势，保证开采的安全性，营造良好的开采环境，提高煤矿开采效率。膏体充填技术应用到煤矸石、工业炉渣等废弃物，在满足煤矿安全开采需求的同时为固体废弃物的处理提供了可行的思路，是一种工程应用效果良好、绿色环保的技术，富有推广价值。