膏体充填综合机械化仰采技术研究与应用

罗光敏 许士奎 陈元耐 贾国平 李永强

【摘 要】华泰矿业有限公司在3203综合机械化仰采工作面利用似膏体充填技术，最大限度地利用矸石资源，将三下压煤中的煤炭资源安全高效的置换出来，减少了采空区对地表的影响，有效保护地面建筑，实现了绿色开采，为矿井延续开采服务年限提供了技术保障，具有较高的经济效益、环境效益和社会效益。

【关 键 词】三下采煤1 膏体充填2 综采3 仰采4 沿空留巷5

【中图分类号】 C29【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0221-02

华泰公司32采区是该公司主要生产采区，位于井田东北部，地面为莱芜市秦家洼村，属“三下”压煤区。随着莱芜市建设规模不断扩大，华泰公司煤田被大量压覆，生产接续紧张，煤炭资源枯竭，生产运输战线长，综合成本高。为缓解回采接续紧张，同时实现井下矸石就地消化不升井的节能减排的目的，根据32采区煤层赋存和顶底板状况，经多方面论证研究决定，在3203东面回采过程中，将工作面采空区充填膏体，上巷留巷推采，以解决了“三下”压煤难题，真正实现采区内无煤柱开采，达到绿色、环保开采。

1 3203综采充填工作面概况

1.1地质特征

该面是三采区二层煤东翼第三阶段，位于-400水平，工作面走向120°，倾向210°，倾角总体上呈南缓北陡之势，平均20°左右。地面标高210. 64m，井下标高-166.37～-308.4m，煤层厚度为1.1-1.3m，走向长度120m，倾斜长度382m，面积47813m？，可采储量8.1万吨。区域煤层结构简单，南部最厚1.3m，北部厚度1.1m，煤厚较稳定，平均煤厚1.2m。容重1. 37t/m3，硬度1.5，属赋存稳定、结构简单的薄煤层。

该工作面直接顶为深灰色粉砂岩，厚度0～1.5m，f=3，大部分沉积缺失。基本顶为灰白色中细砂岩，泥质胶结，水平层理发育，厚度15m左右， f=5。直接底为灰色细砂岩，水平层理，厚度为1.5m左右，f=4。老底为灰白色细砂岩，厚度18m左右，f=5。

1.2巷道布置

依据采区设计， 采用倾向长壁区内后退式采煤法，全部充填法管理顶板。巷道沿煤层顶板按中线起底掘进，采用锚网带支护，宽×高=3.2×2.0m2。上巷留巷推采，作为下一工作面的巷道之用。

1.3采煤工艺

工作面采用MG160/360-BWD型采煤机落煤、装煤，SGZ-630/264-W型刮板输送机运煤，ZY3200/7.5/16型支架支护顶板，采高1.2m，循环进度为0.6m。采用“三八”制作业方式，三班出煤，三班充填，班末充填并检修。每班推采2个循环，昼夜6个循环，每循环进度0.6m。出煤时间占5小时，充填兼检修时间占3小时。

2 仰采工作面膏体充填系统工艺

2.1 充填系统：

采用膏体自流充填，充填骨料主要采用水泥、沙、矸石粉末。在煤矸石山附近建立充填制备站，施工两个充填钻孔，一个工作，一个备用钻孔，标高+203m，至-100m水平，垂直高差303m.充填制备站的主要功能是将水泥、粉煤灰、矸石粉末加水制成浓度为72～75%的胶结充填料浆，用管道输送至工作面。

破碎后的合格粒度煤矸石经筛选、电子皮带秤计量后，与按照比例计量后的水泥、粉煤灰，通过单螺旋输送机输送至同一个搅拌桶内，搅拌形成水泥粉煤灰浆，然后转运到主搅拌桶内，经强力搅拌系统充分搅拌后经自流管道经管路输送到工作面。为保证供水能力，需设置高位水池或安设加压水泵。（见图1）

2.2充填料浆输送路线：

（1） 地面充填制备站→充填钻孔→32采区上车场 →32采区运输上山（下行）→3202东探巷→3203工作面下巷→工作面。

（2）地面充填制备站→充填钻孔→32采区上车场 →32采区运输上山（下行）→3202东探巷→3203工作面上巷→工作面。

2.3膏浆体制配

为提高似膏体填充料浆输送质量浓度，改善管道输送性能，降低管道磨损，在充填料中加入粉煤灰和复合减水剂，为提高浆体的凝固力，加入32.5标号的普通硅酸盐水泥作为胶凝剂。华泰公司通过湿灰配比试验结果选择充填材料配比参数为：水泥：粉煤灰：煤矸石=1：4：15，质量浓度74%，浆体体重1.73/ t·m-3。

2.4充填程序

2.4.1清管 由井下充填负责人安排专人对充填管路检查一遍，充填管子的吊挂是否平直；充填管路是否固定牢固；管子接头是否紧固有效，确认安全后汇报负责人，井下充填负责人，将充填管子前方出水阀门打开，负责人采用专用电话联系地面充填负责人开始加水清管工作，由专人看管出料口，出料口见水正常流出后，立即通知地面清管完毕。

2.4.2充填管路清理完毕后，开始启动充填系统，进行充填。工作面敷设的充填管路以及管口固定牢固，充填管口朝老塘。充填前除充填工作人员外，其他人员撤至工作面煤壁以上10m处，撤人时由工长安排专人进行，且进行拉绳、挂警示牌站岗，充填期间严禁人员进入。为了保证充填过程的顺利进行，在井上下要配置直通电话，充填进度保持联系。

2.4.3停料、洗管。停料时，用专用电话通知地面停止下料，并通知井上下水，再次冲洗管路。确认管路内无料后通知地面停水。

3 监测保障措施

3.1监测控制

料浆浓度的变化对充填料浆的特性的影响极为敏感，为顺利实现全尾砂高浓度胶结充填，必须建立可靠地充填监控系统，实现对料浆浓度、流量及各种物料配比的监测和调节。

3.2管路敷设要求

高浓度胶结充填料浆，通过钻孔和井下敷设的管道输送到料场，进行充填。为保证管路的畅通性，管路要尽量平直；在需要拐弯或遇有上下起伏时，要尽量保证管路的平缓性，不要出现急弯；并且在拐弯或上下起伏处安设事故阀。

工作面的充填管路，根据现场的实际情况，充填管路铺设在工作面上巷、下巷靠近第一个支架处，以及工作面铺设一趟4寸钢编胶管，随工作面推采前移，每隔30m安设一个充填管口，保证工作面充填效果，根据支架间底座间距，使用钢编胶管能够满足要求；管路与各阀门之间用螺栓联接牢固、可靠。充填前，必须对管路及阀门进行巡查，并做好记录，发现问题及时联系处理，对于磨损严重的充填管子及弯头进行更换，必须保持通讯及专用电话畅通。

工作面在缩至最小控顶距后开始充填，膏体充填至支架底座位置（采空区侧）后停止，严禁膏体淹、埋支架。充填后，膏体与顶板接茬处距支架顶梁后端不大于3.3m，推采两循环后不大于4.5m。充填时，采用一次将挡矸墙段充填满的方法。充填出口各管节要联接牢固可靠。工作面充填管路各连接处，必须使用尼龙绳或油丝绳进行固定，确认安全无误后，方可进行充填。当似膏体凝固8小时后，方可进行第二个循环充填。

3.3挡浆墙的砌设

该工作面上巷随推采留巷，需人工砌设挡浆墙，起到在充填过程中防止跑浆的作用，同时作为留巷后巷道的支撑墙体。在靠近采空区钢带端头下砌设挡浆墙，挡浆墙采用尼龙布加干膏浆矸石袋进行由下向上砌设，上巷下帮底板挖出一条“U”型水沟，便于疏水，上巷的超前支护滞后工作面切顶线30-50m回撤。挡浆墙的砌设要随回撤支柱，依次向上砌设，将底板清理到硬底，将尼龙布铺设在底板，与矸石袋的压茬长0.2m，开始砌放干膏浆矸石袋，层间要互相错茬，在砌放至距顶板0.05m时，将尼龙布由矸石袋上方包过，尼龙布上方用黄泥捣实接实顶板，挡浆墙厚度不小于1.5m。在靠近挡浆墙的外侧，支设一排摩擦支柱配柱帽，作为留巷段加强支护措施，将剩余的尼龙布与顶板封网相连。工作面每推采两个循环1.2m，砌设一次挡浆墙，进行充填一次。（见图2）

4 矿压显现及地表下沉观测

4.1 矿压观测

为了解充填开采方式下的采场上覆岩层的运动规律，对3203东综采工作面上下巷顶底板移近量、两巷底板底鼓量及工作面“三量”进行观测。

4.1.1工作面支架及活柱缩量

经现场实测，当工作面基本顶初次来压过后，周期来压期间支架载荷量平均达到了2298KN/架，最大值达到了2447KN/架，动载系数达到了1. 07，活柱下缩量平均值为1.91mm，最大为3.20mm。工作面基本顶周期来压时矿压显现不明显，来压强度也较低，整个工作面的支架立柱压力值及活住下缩量也均比正常推采时有所增高，但幅度不大从而证明了似膏体充填的顶板管理方式取得了很好的效果。

4.1.2留巷段十字布点：

一号十字布点观测站，观测期内两帮移近103mm，平均移近速度1. 4mm/d，顶底板移近129mm，平均移近速度1.8mm/d，巷道形状变形不明显。二号十字布点观测站观测期内两帮移近93mm，平均移近速度1.1mm/ d，顶底板移近78mm，平均移近速度1.7mm/d，巷道两帮变形形较小，有轻微底鼓现象，需起底处理。三号十字布点观测站，观测期内两帮移近68mm，平均移近速度1.8mm/d，顶底板移近49mm，平均移近速度1.2mm/d，巷道形状变形不明显。说明充填体凝固后对顶板起到了非常好的支撑作用，减少了压力影响。

4.1.3超前压力影响范围

3203东工作面在初次来压时顶板运动形式为弯曲运动沉降形式，通过超前压力影响范围观测20米内有不明显矿压显现，更加验证了似膏体充填效果良好，对维护顶板下沉起了很好的支撑作用。

4.2 地表下沉观测

选择使用离散点网状观测法，观测结果既要考虑下沉数据的完整性，又要重点对工作面直接影响区域附近的下沉做连续的跟踪。刚开始初采进行两次影响范围观测，当下沉达到50mm时进行一次影响范围的全面观测。在活跃期加强观测密度，每15天观测一次，并对影响范围的点进行加密观测。数据随观测随计算，每观测两次做一次下沉结果预计，计算结果显示，采用膏体充填方法，从2010年5月开采到目前2011年12月最大下沉值约为10cm，下沉系数为8%，其他下沉指标远远小于《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》Ⅰ级规定。

5 结论

5.1膏体充填采矿法经矿压观测及地表下层观测数据显示，能够确保“三下”开采安全，最大限度地回收矿产资源，保护地下、地表环境，解决了三下开采难题。

5.2工作面采用走向布置、倾斜推采，回避了膏体的隔离问题，避免了跑漏浆埋淹工作面的安全隐患。

5.3充填工作面利用1.5m宽的挡浆墙留巷后维护，增加少量摩擦支柱支护顶板，实现了采区无煤柱开采，大大降低了回采巷道的掘进率。

5.4膏体充填取料来源于地面矸石山和电厂粉煤灰。废料利用，实现了环保开采，社会效益显著。