顧北煤礦綜采工作面全采全充免沉降開采設(shè)計

牛

（淮南煤礦勘察設(shè)計院，安徽 淮南 232001）

顧北煤礦綜采工作面全采全充免沉降開采設(shè)計

（淮南煤礦勘察設(shè)計院，安徽 淮南 232001）

通過對顧北煤礦綜采工作面全采全充免沉降開采設(shè)計進(jìn)行闡述，指出其核心內(nèi)容是建立地表煤矸石似膏體制備與輸送系統(tǒng)，通過專用充填支架實現(xiàn)矸石似膏體膠結(jié)充填工作面，在保護(hù)地表重要建構(gòu)筑物不受破壞或少受破壞的情況下實現(xiàn)煤炭資源的安全回收；該設(shè)計為提高我國煤炭資源開采技術(shù)水平、提高資源綜合回收率、控制地面塌陷和生態(tài)破壞、消除煤矸石堆放帶來的占地和污染環(huán)境問題，實現(xiàn)礦山安全清潔生產(chǎn)提供了參考。

全采全充；免沉降；煤矸石似膏體膠結(jié)充填

DO I：10.3969/j.issn.1671-4733.2010.02.08

由于淮南礦業(yè)集團(tuán)公司所在的淮南市屬于典型的礦山型城市，淮河流經(jīng)礦區(qū)，淮南礦業(yè)集團(tuán)公司下屬各礦相當(dāng)數(shù)量的煤層位于城區(qū)及周邊鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域內(nèi)建構(gòu)筑物下及淮河下，為保護(hù)地表重要建構(gòu)筑物，各礦都程度不同的留設(shè)了保安煤柱，全集團(tuán)公司共積壓了約30億t的優(yōu)質(zhì)煤炭資源。顧北煤礦相當(dāng)一部分主采優(yōu)質(zhì)煤位于顧橋鎮(zhèn)等地表建（構(gòu)）筑物下，壓煤近7 000萬t。本次設(shè)計主要為解決顧北礦“三下”煤層開采所面臨的一系列重大技術(shù)難題，利用地表煤矸石制備的煤矸石膠結(jié)充填料漿回填綜采工作面采空區(qū)，全采全充，在保護(hù)地表重要建構(gòu)筑物、橋閘及涵洞等不受破壞或少受破壞的情況下實現(xiàn)“三下”煤炭資源的安全回收。

一 礦井開采現(xiàn)狀及實驗工作面概述

1 礦井概況及開采現(xiàn)狀

顧北煤礦位于潘謝礦區(qū)西部，距鳳臺縣縣城約23km。東與丁集礦、顧橋礦井為鄰，西與張集礦相接，其井田范圍：北起F86斷層，南至F211斷層，西自1煤層隱伏露頭，東至經(jīng)線Y=39 458 300（北段）、F93斷層（中段）和8煤層-650m底板等高線的地面垂直投影線（南段）。全井田南北走向長約7.5km，東西傾斜寬4.5～5.0km左右，面積約34.0 139km2。顧北煤礦井田范圍內(nèi)地面主要建構(gòu)筑物有顧橋鎮(zhèn)、永幸河、西淝河左堤和鳳（臺）～利（辛）公路等；地面村莊主要有顧橋鎮(zhèn)、桂集鎮(zhèn)、錢廟鄉(xiāng)等三個鄉(xiāng)鎮(zhèn)共45個村莊，5 704戶。根據(jù)礦井地質(zhì)報告，顧橋鎮(zhèn)煤柱總資源儲量11 456.62萬t（含顧橋鎮(zhèn)段永幸河煤柱11 865萬t），可采儲量7 954.58萬t（含顧橋鎮(zhèn)段永幸河煤柱6 006.89萬t）。顧橋鎮(zhèn)保護(hù)煤柱以外的永幸河壓煤量總資源儲量924.07萬t，可采儲量394.02萬t；顧橋變電所壓煤量總資源儲量1 961.96萬t，可采儲量1 385.90萬t；淝左堤壓煤量總資源儲量8 162.712萬t，可采儲量6 257.138萬t。

由于受多種因素影響，顧橋鎮(zhèn)搬遷工作遲遲不能進(jìn)行，致使礦井生產(chǎn)能力急劇下降，僅能維持200～300萬t的年產(chǎn)量，嚴(yán)重影響礦井經(jīng)濟(jì)效益，因此需要對將1202（3）工作面進(jìn)行全采全充免沉降實驗。

2 實驗工作面概述

顧北礦1202（3）工作面位于礦井北一13-1采區(qū)0階段，設(shè)計工作面切眼位于六勘探線以北211m，回風(fēng)順槽進(jìn)入設(shè)計防水煤柱線以北1 037m。工作面走向長1 669m，傾向長260m，面內(nèi)平均煤厚約3.30m，可采煤量約170.50萬t。其中提高開采上限后增加可采面積114 052m2，增加可采煤量約50.4萬t。如果采至設(shè)計停采線，采后影響地面建（構(gòu)）筑物有西朱莊、顧橋中學(xué)宿舍樓、泰民面粉有限公司、顧橋變電所、造紙廠、顧橋鎮(zhèn)部分建筑物、鳳利公路、永幸河、團(tuán)結(jié)電灌站等?？紤]到全采全充開采工藝的特點，本次設(shè)計將1202（3）工作面沿傾向“一分為二”，利用現(xiàn)有的腰巷與回風(fēng)順槽，只要開出切眼，即可形成一個面長為180m的全采全充工作面，試驗工作面走向長度500m。

二 設(shè)計方案

1 充填技術(shù)方案

根據(jù)顧北煤礦具體開采技術(shù)條件，目前礦井井下矸石量較少，本次設(shè)計綜采工作面全采全充免沉降開采總體思路是建立地表煤矸石似膏體制備與輸送系統(tǒng)，通過專用充填支架實現(xiàn)矸石似膏體膠結(jié)充填。如果實驗得以成功，該工藝可同時滿足多個工作面的充填，生產(chǎn)能力大。

地面制備煤矸石似膏體充填工藝流程如圖1所示。

圖1 地面制備煤矸石似膏體充填工藝流程

破碎至8mm以下的煤矸石，堆放在煤矸石堆場。充填時由裝載機(jī)鏟裝至穩(wěn)料倉，經(jīng)安裝在穩(wěn)料倉底部的圓盤式給料機(jī)向皮帶運(yùn)輸機(jī)供料，計量后輸送至攪拌桶。

水泥和粉煤灰貯藏、輸送系統(tǒng)基本相同。水泥、粉煤灰用散裝罐車運(yùn)送，通過壓氣卸入立式水泥倉和粉煤灰倉內(nèi)，經(jīng)倉底插板閥、星形給料機(jī)、沖板流量計計量后通過單螺旋輸送機(jī)輸送至同一個攪拌桶內(nèi)。

高位水池中的充填用水通過計量后，加入攪拌桶中。

上述各種充填物料在地面同一個攪拌桶內(nèi)強(qiáng)力攪拌形成合乎質(zhì)量濃度要求的煤矸石似膏體料漿，沿充填鉆孔和井下充填管道自流輸送至待充采場。

2 充填料來源

顧北煤礦地面煤矸石存量有限，煤矸石似膏體充填主要是利用附近顧橋礦的矸石山煤矸石作為充填骨料，就地破碎后，由汽車運(yùn)輸至顧北礦充填制備站矸石堆場。

膠凝材料是普通32.5硅酸鹽水泥。粉煤灰利用附近火力發(fā)電廠的煙道干灰。充填用水可以引自附近地表水或井下排出的廢水。

3 充填料漿制備站選擇

充填系統(tǒng)的制備站址選擇有利于整個充填系統(tǒng)的正常運(yùn)行，同時還會提高經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)對顧北煤礦開采范圍以及地表地形現(xiàn)場調(diào)查，以及對首期充填范圍內(nèi)地表地形圖及井下井巷分布圖的整理和分析，確定將煤矸石似膏體充填系統(tǒng)的制備站設(shè)在顧橋鎮(zhèn)附近（南側(cè)）。

4 充填系統(tǒng)生產(chǎn)能力

1）充填系統(tǒng)生產(chǎn)能力

充填作業(yè)采用年工作330d，每天2班，每班純作業(yè)時間為6h的工作制度。充填系統(tǒng)生產(chǎn)能力應(yīng)達(dá)到Qd=2 400m3·d-1。

2）日充填量

根據(jù)充填系統(tǒng)生產(chǎn)能力，日充填量為：

Qmj=K1K2Qd=1.02×1.02×2 400=2 496.96m3·d-1

式中：

K1為壓縮沉降系數(shù)，取K1=1.02；

K2為流失系數(shù)，取K2=1.02。

3）充填配比選擇原則

根據(jù)充填材料物理力學(xué)性質(zhì)及化學(xué)成分分析結(jié)論，本次設(shè)計確定選擇煤矸石作為充填骨料，水泥和粉煤灰為膠凝材料進(jìn)行膠結(jié)充填配比試驗。

5 充填料最佳配比選擇依據(jù)

根據(jù)顧北礦具體開采技術(shù)條件和快速充填要求，選擇充填最佳配比時應(yīng)參考以下依據(jù)：

充填體要有一定的強(qiáng)度，7d、28d抗壓強(qiáng)度分別不能低于0.3MPa和0.7MPa；

充填料漿要有較好的流動性能，以提高空區(qū)充滿率，漿體流動坡面角不大于8°；

顧北礦1203（3）試驗工作面設(shè)計日推進(jìn)4刀，每刀步距0.8m，每2刀充填一次，則充填支架移動間隔為：12h，而充填時間為：180m×3.3m×1.6m/（200m3·h-1）=4.75h，為保證充填支架可以按時移動，充填料漿應(yīng)在12-4.75=7.25h內(nèi)失去流動性，即充填漿體初凝時間不大于7.25h；

進(jìn)入空區(qū)充填漿體脫水率不超過5％。

6 充填系統(tǒng)主要工藝技術(shù)參數(shù)

1）充填配比

骨料：煤矸石，粒徑小于8mm，且0.0075mm以下顆粒含量不高于25％；

水泥：粉煤灰：煤矸石=1：4：12～1：4：15（質(zhì)量比）；

漿體質(zhì)量濃度：65％～74％。

2）充填配比技術(shù)參數(shù)

充填體強(qiáng)度指標(biāo)：7d、28d抗壓強(qiáng)度分別大于0.3MPa和0.7MPa；

泌水率：低于5％；

流動坡面角：2.83°；

初凝時間小于6h。

3）充填與綜采的關(guān)系

1202（3）上工作面斜長180m，煤厚3.3m，按每天推進(jìn)4刀，即3.2m計算，每天需充填體積180×3.3×3.2=1 900m3，可回采煤炭2 660t。

按充填能力200m3/h計算，純充填時間為1 900/200=9.5h，考慮充填前后的洗管時間0.2（前）+0.3（后）=0.5h，總的充填時間為10h，加之充填體初凝時間6h，合計16h，滿足全采全充的要求。

7 充填鉆孔及井下管道輸送系統(tǒng)

1）充填鉆孔

由于系統(tǒng)從地表至首期充填水平高差超過600m，鉆孔破損后處理或者重新施工新鉆孔難度較大，因此，應(yīng)盡量延長鉆孔使用壽命。鑒于管徑的增大會使?jié){體在垂直下落時相對減輕料漿對管壁的直接沖擊摩擦，有助于延長管道的使用壽命，因此設(shè)計鉆孔內(nèi)充填管道（套管選用Φ219mm×20mm高錳鋼管（M16），內(nèi)徑D=179mm，鋼管壁厚20mm。垂直管道之間用管箍聯(lián)結(jié)，并加全焊。帶有母螺紋的管箍規(guī)格型號應(yīng)與帶有公螺紋的垂直管道相匹配，且壁厚不小于20mm。也可以采用管道直接焊接方式，但應(yīng)保證焊接質(zhì)量和垂直度。

根據(jù)套管固定需要，鉆孔直徑確定為320mm，鉆孔孔壁與套管之間用石油井水泥固結(jié)。同時施工兩條鉆孔，一條使用，一條備用。在充填制備站預(yù)留另外1個鉆孔的位置，需要時可施工增加新的鉆孔。

2）井下管道輸送系統(tǒng)

地表充填制備站制成的符合要求的水泥、粉煤灰、煤矸石漿體沿管道經(jīng)充填鉆孔進(jìn)入井下。井下充填管道經(jīng)灌漿管通道至1202（3）試驗工作面。

本次管路選取高錳鋼管，材質(zhì)M16，規(guī)格Φ180mm×14mm，外徑180mm，鋼管壁厚14mm，實際管道有效內(nèi)徑DI=152mm，水平管道之間用快速接頭連接。

三 效果分析及評價

本項設(shè)計成果具有顯著的間接經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益。其優(yōu)越性表現(xiàn)在以下方面：

充填可以有效解決或緩解深部開采面臨的“三高”環(huán)境，將大大改善深部煤層開采的安全條件。

充分利用煤電集團(tuán)工業(yè)廢料粉煤灰，開發(fā)低成本膠結(jié)充填技術(shù)，不僅可替代連續(xù)煤柱、提高回收率，還將大大提高多煤層開采的安全性和可靠性。

充填采煤可以有效地限制地表移動，保護(hù)地表環(huán)境，是“三下”煤炭資源開采的最有效方法，做到既能最大限度地回收資源，又無需地面城鎮(zhèn)搬遷、河流和線路改道，節(jié)省村莊等搬遷、重建費用。經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益巨大，符合綠色礦山建設(shè)的要求。

矸石充填采空區(qū)，從根本上解決煤矸石地面堆放自燃所造成嚴(yán)重的空氣污染、水體污染等環(huán)境問題，將大量節(jié)約土地，實現(xiàn)清潔生產(chǎn)、無廢開采。

該項技術(shù)對提高我國煤炭資源開采技術(shù)水平、提高資源綜合回收率、控制地面塌陷和生態(tài)破壞、消除煤矸石堆放帶來的占地和污染環(huán)境問題，實現(xiàn)礦山安全清潔生產(chǎn)有十分重要意義，研究成果具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。

四 結(jié)束語

顧北煤礦綜采工作面全采全充免沉降開采設(shè)計是集“安全、利用、環(huán)?！比灰惑w的綜合項目，對地面重要的建構(gòu)筑物下的資源嘗試進(jìn)行充填開采，以提高礦山經(jīng)濟(jì)效益和可持續(xù)發(fā)展水平。利用煤矸石作為充填骨料，通過添加膠凝材料和其它外加劑，實現(xiàn)高濃度充填，是解決煤矸石地表堆放難題、消除環(huán)境污染、解放保安煤柱、提高安全開采保障程度和資源回收率的有效手段。充分利用地表長期積存及井巷掘進(jìn)產(chǎn)生的煤矸石作為充填骨料采用充填法開采，將會取得顯著的經(jīng)濟(jì)效益、社會效益和環(huán)境效益，并為深部和“三下”煤層安全開采提供技術(shù)支持和工程樣板。

［1］孫文華.三下采煤新技術(shù)應(yīng)用與煤柱留設(shè)及壓煤開采規(guī)程實用手冊［M］.北京：中國煤炭出版社，2005.

［2］楊逾.注充寬條帶跳采全采采煤法［M］.北京：煤礦開采，2005.

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1671-4733（2010）02-0032-03

2010-04-06

牛（1982-），男，安徽淮南人，助理工程師，在讀碩士，從事采礦及安全勘察設(shè)計工作，電話：15855436969。