綜采工作面綠色充填開采技術(shù)的實(shí)踐應(yīng)用

張峻源

（山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048027）

1 莒山礦及其9101 工作面概況

莒山礦目前所采的3 號煤剩余設(shè)計可采儲量不足1 000 萬t。該煤層屬于低硫、高發(fā)熱量優(yōu)質(zhì)無煙煤，屬稀缺資源，具有非常高的經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)階段正進(jìn)行底層復(fù)采，年產(chǎn)量維持在50 萬t 左右，無法達(dá)到核定生產(chǎn)能力。下組9 號煤設(shè)計主要采區(qū)為901采區(qū)、902 采區(qū)和903 采區(qū)，共布置22 個工作面，該煤層屬高硫煤，煤層薄，單獨(dú)開采9 號煤層無可觀的經(jīng)濟(jì)效益、達(dá)產(chǎn)困難，還將遺棄3 號煤層優(yōu)質(zhì)資源；單獨(dú)開采3 號煤層，9 號煤層建成無法投產(chǎn)。為實(shí)現(xiàn)礦井高效可持續(xù)發(fā)展，在9 號煤工作面采用綠色開采技術(shù)，保留3 號煤層回采工作面。采用充填技術(shù)，對9 號煤層綜采工作面進(jìn)行充填開采，可以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：一是可以解決3 號煤層和9 號煤層矸石處理問題；二是可回收更多的3 號煤棄滯資源，延長礦井服務(wù)年限；三是響應(yīng)綠色開采政策，達(dá)到以矸換煤、提高煤質(zhì)、生態(tài)創(chuàng)效的目的，實(shí)現(xiàn)資源開發(fā)利用最優(yōu)化和生態(tài)環(huán)境影響最小化。

9101 工作面設(shè)計長度200 m，推進(jìn)長度為660 m，開采高度1.5 m。煤層傾角6°～8°，采用綜采工藝，膏體充填采空區(qū)管理頂板。工作面所采的9 號煤層頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，據(jù)山西省煤炭工業(yè)局綜合測試中心2011 年4 月24 日對莒補(bǔ)3 號鉆孔煤層頂板測試資料，9 號煤層頂板為泥巖時，普氏硬度系數(shù)為2.3；抗壓強(qiáng)度為20.0～26.4 MPa，平均22.8 MPa，屬中等堅硬巖石；抗拉強(qiáng)度0.7 MPa；凝聚力系數(shù)4.0，內(nèi)摩擦角31°34′。底板多為泥巖，局部為砂質(zhì)泥巖。

2 充填開采技術(shù)確定

莒山煤礦采取充填開采主要是以消化矸石、提高煤質(zhì)、減少頂板下沉、以矸換煤為主要目的綠色開采方式。由于采用綜采工藝，所以應(yīng)用長壁綜采架后充填技術(shù)。綜采架后充填方式主要有綜采密實(shí)固體矸石充填系統(tǒng)和綜采泵送膏體充填系統(tǒng)等方式[1-3]，莒山煤礦充填主要以消化地面矸石，以矸換煤，控制頂板下沉為目的，對于提出的密實(shí)固體充填和泵送膏體充填兩種綜采充填開采方案，前者充填工藝及設(shè)備相對較為簡單但井下矸石運(yùn)輸環(huán)節(jié)復(fù)雜，且占用空間較多；后者泵送膏體充填為在地面設(shè)置攪拌站對膠結(jié)料和矸石攪拌混合后通過管道輸送至采空區(qū)進(jìn)行充填，工藝及設(shè)備相對較復(fù)雜，但井下工序簡單。結(jié)合莒山礦實(shí)際情況，考慮投資估算與經(jīng)濟(jì)效益綜合情況，確定采用綜采泵送膏體充填技術(shù)。

3 充填開采技術(shù)

3.1 技術(shù)原理

綜采泵送膏體矸石充填通過專用充填支架實(shí)現(xiàn)架前開采和架后充填同時進(jìn)行，以高強(qiáng)度充填體支撐頂板，降低采場地應(yīng)力和巷道支護(hù)成本[4-5]；根據(jù)情況可選用帶前移機(jī)構(gòu)的支架，在架后膏體凝固時間內(nèi)盡量不影響前方采煤，提高采煤效率。通過對開采空間進(jìn)行高密度全部充填，避免采空區(qū)頂?shù)装蹇逅瑵{料跟矸石在地面混合攪拌后經(jīng)工業(yè)充填泵經(jīng)斜井或鉆孔下井，通過管道輸送至井下工作面上方充填至采空區(qū)。實(shí)現(xiàn)對地表及建構(gòu)筑物等進(jìn)行保護(hù)的目標(biāo)。

3.2 采煤工藝

9101 采區(qū)工作面開采9 號煤層，選用薄煤層綜采工藝，泵送膏體矸石充填管理頂板。

充填工作面實(shí)行“采煤—充填（凝固/檢修）”交替進(jìn)行的高效作業(yè)方式，采用“四六”工作制度，兩班生產(chǎn)，兩班充填。循環(huán)進(jìn)尺0.8 m，生產(chǎn)班每班進(jìn)三刀，充填步距2.4 m。

工序流程為：割煤→移架、伸后掩護(hù)梁→推移輸送機(jī)→割煤→移架→推移輸送機(jī)→（重復(fù)上述工序）；重復(fù)上述采煤工序達(dá)到充填步距（2.4 m）后作充填準(zhǔn)備工作，準(zhǔn)備好后充填班充填，充填結(jié)束后清理工作面并作割煤準(zhǔn)備，一個大循環(huán)結(jié)束。

3.3 充填工藝

按照綜采工藝流程完成割煤、移架、推溜，達(dá)到充填步距后，進(jìn)入膏體充填工藝階段。其主要工藝過程如下：

1）充填準(zhǔn)備。工作面充填隔離墻的構(gòu)筑。為了保證充填的接頂效果，需要對充填區(qū)進(jìn)行密封隔離，使其完全是“封閉”的空間，為膏體充填提供前提。通過專用充填支架后掩護(hù)梁下自帶擋板配合木板、彩條布（編織袋）等進(jìn)行充填區(qū)域隔離。

工作面充填管布置。工作面充填管布置在充填支架的前、后立柱之間，鋪設(shè)在支架底座上，充填布料管頭要與充填支架處的專用充填布料閥口聯(lián)接，并用鐵絲綁牢。

2）檢查準(zhǔn)備。主要檢查充填管路的閘閥是否處于開啟狀態(tài)；布料管閥是否處于關(guān)閉狀態(tài)；工作面布料閥（三通閥）門檢查（打開）；報告充填站，確定是否進(jìn)行充填。

3）膏體充填階段。主要步驟為：管道充水→煤泥漿推水→矸石漿推煤泥漿→正常（輪流）充填。

4）煤泥漿推矸石漿。當(dāng)充填矸石漿達(dá)到設(shè)定充填量之后，配制少量的煤泥漿，將矸石漿推出管路，確保管路清洗時，清洗水不與矸石漿混合。

5）水推煤泥漿。當(dāng)煤泥漿量能夠確保將矸石漿全部排出管路后，向料漿斗中放入清水，當(dāng)工作面見到煤泥漿時，關(guān)閉所有布料管閘閥，打開工作面管閘閥，通過排水管路，將管路清洗水排入排水巷。

6）壓風(fēng)推水管道清洗。排水管排出清水后，停止泵送清水，利用壓風(fēng)把管路內(nèi)的清水及其他遺留大顆粒吹出充填管，完成管道清洗工作。

3.4 運(yùn)輸系統(tǒng)

運(yùn)輸順槽設(shè)計選用兩部DSJ100型可伸縮帶式輸送機(jī)擔(dān)負(fù)煤炭運(yùn)輸任務(wù)。每部最大運(yùn)輸距離800 m，采區(qū)傾角-3°～-5°，平均-4°。配用2 臺功率為55 kW的電動機(jī)。

膠帶運(yùn)輸大巷長1 890 m，設(shè)計選用兩部DTL100/63/132×2型帶式輸送機(jī)運(yùn)輸煤炭，每部運(yùn)輸距離945 m，傾角0°～5°，平均3°，電機(jī)功率132 kW×2；集中運(yùn)輸巷長221 m，傾角0°～2°，平均1°，設(shè)計選用1 部DTL100/63/55型帶式輸送機(jī)運(yùn)輸煤炭，電機(jī)功率55 kW。

1）輔助運(yùn)輸：井下軌型30 kg/m，軌距600 mm，設(shè)計選用調(diào)度絞車和無極繩連續(xù)牽引車和調(diào)度絞車相互配合完成井下輔助運(yùn)輸任務(wù)。設(shè)計軌道運(yùn)輸大巷輔助運(yùn)輸方式采用無極繩連續(xù)牽引車牽引系列礦車運(yùn)輸，運(yùn)輸距離2 000 m，傾角0～5°，平均3°。設(shè)計選用一部SQ-80型礦用無極繩連續(xù)牽引車（單軌運(yùn)輸），擔(dān)負(fù)全礦井材料、設(shè)備等輔助運(yùn)輸任務(wù)。

2）膏體輸送：膏體自地面制備站通過地面管道到主斜井下井，自主斜井至9 號煤軌道大巷至9201面回風(fēng)順槽至采空區(qū)。

3.5 管道防堵措施

為防止充填過程中管路擁堵而影響充填效率，設(shè)計了長距離管道滿管自流清洗系統(tǒng)、充填干線管自動排污系統(tǒng)、管道流量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

1）長距離管道滿管自流清洗系統(tǒng)。由于充填管道有垂直段，可以利用垂直段高壓水流成為清洗管道的動力，滿管自流自動控制工藝閥原理主要利用垂直段水的壓力與液壓泵站的關(guān)系設(shè)計，系統(tǒng)可自動或人工開啟。

2）充填干線管自動排污系統(tǒng)。干線管排污閥在充填干線管需要沖洗時可切換到排污管口，使充填干線管里的廢棄物從排污管口排走；在正常充填時切換到充填管口，完成充填工作。膏體充填干線管排污閥包括閥體，閥體的上部和下部設(shè)置有與充填干線管相連通的進(jìn)料口和出料口，進(jìn)料口與出料口之間的閥體內(nèi)部設(shè)置有可橫向移動的閥塊，閥塊上并排設(shè)置有充填管口和排污管口，進(jìn)料口與充填管口或和排污管口相連通。閥體的兩側(cè)對稱設(shè)置有兩個液壓缸，液壓缸內(nèi)的活塞桿朝向同一側(cè)，活塞桿的端部與固定在閥塊端部的連接桿相連接。充填管口靠近連接桿設(shè)置，充填管口的上端口可與進(jìn)料口密封連接，下端口可與出料口密封連接；排污管口呈直角形，排污管口的上端口可與進(jìn)料口密封連接，下端口的朝向與活塞桿的朝向相反。

3）管道流量自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)。膏體充填管道清洗流量調(diào)節(jié)控制閥包括液壓缸，液壓缸體中部開設(shè)有進(jìn)料口與出料口，進(jìn)料口與出料口相對應(yīng)，進(jìn)料口和出料口兩側(cè)的缸體長度大于進(jìn)料口和出料口的內(nèi)徑。液壓缸內(nèi)設(shè)置有活塞，活塞將液壓缸隔成大腔和小腔兩個腔室，活塞桿位于小腔內(nèi)并穿出液壓缸端部，活塞的長度為進(jìn)料口和出料口內(nèi)徑的2 倍，活塞的一端為活塞柱結(jié)構(gòu)，另一端開設(shè)有與進(jìn)料口和出料口相適配的通孔，大腔和小腔開設(shè)有液壓油口，液壓油口通過管路與液壓系統(tǒng)相連接。活塞上的通孔靠近小腔一側(cè)，活塞柱位于大腔一側(cè)；當(dāng)活塞位于液壓缸的左端時，活塞上的通孔正好將進(jìn)料口和出料口連通，當(dāng)活塞位于液壓缸的右端時，活塞柱正好將進(jìn)料口和出料口堵死。液壓系統(tǒng)包括油箱，油箱通過管路與油泵連接，油泵通過管路與三位四通電磁閥的第一接口相連通，三位四通電磁閥的第二接口通過管路與液壓缸的大腔相連通，三位四通電磁閥的第三接口通過管路與液壓缸的小腔連通，三位四通電磁閥的第四接口通過管路與油箱相連通。

4 結(jié)語

莒山礦9101 綜采工作面充填技術(shù)的研究，主要涉及泵送膏體充填技術(shù)的選用，充填開采技術(shù)原理、采煤工藝、充填工藝、運(yùn)輸系統(tǒng)，防堵系統(tǒng)等，在后期的開采中，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況制定詳細(xì)的開采技術(shù)措施，以滿足工作面綠色、安全、高效開采要求。