顾北煤矿综采工作面全采全充免沉降开采设计

牛

（淮南煤矿勘察设计院，安徽 淮南 232001）

顾北煤矿综采工作面全采全充免沉降开采设计

（淮南煤矿勘察设计院，安徽 淮南 232001）

通过对顾北煤矿综采工作面全采全充免沉降开采设计进行阐述，指出其核心内容是建立地表煤矸石似膏体制备与输送系统，通过专用充填支架实现矸石似膏体胶结充填工作面，在保护地表重要建构筑物不受破坏或少受破坏的情况下实现煤炭资源的安全回收；该设计为提高我国煤炭资源开采技术水平、提高资源综合回收率、控制地面塌陷和生态破坏、消除煤矸石堆放带来的占地和污染环境问题，实现矿山安全清洁生产提供了参考。

全采全充；免沉降；煤矸石似膏体胶结充填

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

由于淮南矿业集团公司所在的淮南市属于典型的矿山型城市，淮河流经矿区，淮南矿业集团公司下属各矿相当数量的煤层位于城区及周边乡镇区域内建构筑物下及淮河下，为保护地表重要建构筑物，各矿都程度不同的留设了保安煤柱，全集团公司共积压了约30亿t的优质煤炭资源。顾北煤矿相当一部分主采优质煤位于顾桥镇等地表建（构）筑物下，压煤近7 000万t。本次设计主要为解决顾北矿“三下”煤层开采所面临的一系列重大技术难题，利用地表煤矸石制备的煤矸石胶结充填料浆回填综采工作面采空区，全采全充，在保护地表重要建构筑物、桥闸及涵洞等不受破坏或少受破坏的情况下实现“三下”煤炭资源的安全回收。

一 矿井开采现状及实验工作面概述

1 矿井概况及开采现状

顾北煤矿位于潘谢矿区西部，距凤台县县城约23km。东与丁集矿、顾桥矿井为邻，西与张集矿相接，其井田范围：北起F86断层，南至F211断层，西自1煤层隐伏露头，东至经线Y=39 458 300（北段）、F93断层（中段）和8煤层-650m底板等高线的地面垂直投影线（南段）。全井田南北走向长约7.5km，东西倾斜宽4.5～5.0km左右，面积约34.0 139km2。顾北煤矿井田范围内地面主要建构筑物有顾桥镇、永幸河、西淝河左堤和凤（台）～利（辛）公路等；地面村庄主要有顾桥镇、桂集镇、钱庙乡等三个乡镇共45个村庄，5 704户。根据矿井地质报告，顾桥镇煤柱总资源储量11 456.62万t（含顾桥镇段永幸河煤柱11 865万t），可采储量7 954.58万t（含顾桥镇段永幸河煤柱6 006.89万t）。顾桥镇保护煤柱以外的永幸河压煤量总资源储量924.07万t，可采储量394.02万t；顾桥变电所压煤量总资源储量1 961.96万t，可采储量1 385.90万t；淝左堤压煤量总资源储量8 162.712万t，可采储量6 257.138万t。

由于受多种因素影响，顾桥镇搬迁工作迟迟不能进行，致使矿井生产能力急剧下降，仅能维持200～300万t的年产量，严重影响矿井经济效益，因此需要对将1202（3）工作面进行全采全充免沉降实验。

2 实验工作面概述

顾北矿1202（3）工作面位于矿井北一13-1采区0阶段，设计工作面切眼位于六勘探线以北211m，回风顺槽进入设计防水煤柱线以北1 037m。工作面走向长1 669m，倾向长260m，面内平均煤厚约3.30m，可采煤量约170.50万t。其中提高开采上限后增加可采面积114 052m2，增加可采煤量约50.4万t。如果采至设计停采线，采后影响地面建（构）筑物有西朱庄、顾桥中学宿舍楼、泰民面粉有限公司、顾桥变电所、造纸厂、顾桥镇部分建筑物、凤利公路、永幸河、团结电灌站等。考虑到全采全充开采工艺的特点，本次设计将1202（3）工作面沿倾向“一分为二”，利用现有的腰巷与回风顺槽，只要开出切眼，即可形成一个面长为180m的全采全充工作面，试验工作面走向长度500m。

二 设计方案

1 充填技术方案

根据顾北煤矿具体开采技术条件，目前矿井井下矸石量较少，本次设计综采工作面全采全充免沉降开采总体思路是建立地表煤矸石似膏体制备与输送系统，通过专用充填支架实现矸石似膏体胶结充填。如果实验得以成功，该工艺可同时满足多个工作面的充填，生产能力大。

地面制备煤矸石似膏体充填工艺流程如图1所示。

图1 地面制备煤矸石似膏体充填工艺流程

破碎至8mm以下的煤矸石，堆放在煤矸石堆场。充填时由装载机铲装至稳料仓，经安装在稳料仓底部的圆盘式给料机向皮带运输机供料，计量后输送至搅拌桶。

水泥和粉煤灰贮藏、输送系统基本相同。水泥、粉煤灰用散装罐车运送，通过压气卸入立式水泥仓和粉煤灰仓内，经仓底插板阀、星形给料机、冲板流量计计量后通过单螺旋输送机输送至同一个搅拌桶内。

高位水池中的充填用水通过计量后，加入搅拌桶中。

上述各种充填物料在地面同一个搅拌桶内强力搅拌形成合乎质量浓度要求的煤矸石似膏体料浆，沿充填钻孔和井下充填管道自流输送至待充采场。

2 充填料来源

顾北煤矿地面煤矸石存量有限，煤矸石似膏体充填主要是利用附近顾桥矿的矸石山煤矸石作为充填骨料，就地破碎后，由汽车运输至顾北矿充填制备站矸石堆场。

胶凝材料是普通32.5硅酸盐水泥。粉煤灰利用附近火力发电厂的烟道干灰。充填用水可以引自附近地表水或井下排出的废水。

3 充填料浆制备站选择

充填系统的制备站址选择有利于整个充填系统的正常运行，同时还会提高经济效益。经对顾北煤矿开采范围以及地表地形现场调查，以及对首期充填范围内地表地形图及井下井巷分布图的整理和分析，确定将煤矸石似膏体充填系统的制备站设在顾桥镇附近（南侧）。

4 充填系统生产能力

1）充填系统生产能力

充填作业采用年工作330d，每天2班，每班纯作业时间为6h的工作制度。充填系统生产能力应达到Qd=2 400m3·d-1。

2）日充填量

根据充填系统生产能力，日充填量为：

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

式中：

K1为压缩沉降系数，取K1=1.02；

K2为流失系数，取K2=1.02。

3）充填配比选择原则

根据充填材料物理力学性质及化学成分分析结论，本次设计确定选择煤矸石作为充填骨料，水泥和粉煤灰为胶凝材料进行胶结充填配比试验。

5 充填料最佳配比选择依据

根据顾北矿具体开采技术条件和快速充填要求，选择充填最佳配比时应参考以下依据：

充填体要有一定的强度，7d、28d抗压强度分别不能低于0.3MPa和0.7MPa；

充填料浆要有较好的流动性能，以提高空区充满率，浆体流动坡面角不大于8°；

顾北矿1203（3）试验工作面设计日推进4刀，每刀步距0.8m，每2刀充填一次，则充填支架移动间隔为：12h，而充填时间为：180m×3.3m×1.6m/（200m3·h-1）=4.75h，为保证充填支架可以按时移动，充填料浆应在12-4.75=7.25h内失去流动性，即充填浆体初凝时间不大于7.25h；

进入空区充填浆体脱水率不超过5％。

6 充填系统主要工艺技术参数

1）充填配比

骨料：煤矸石，粒径小于8mm，且0.0075mm以下颗粒含量不高于25％；

水泥：粉煤灰：煤矸石=1：4：12～1：4：15（质量比）；

浆体质量浓度：65％～74％。

2）充填配比技术参数

充填体强度指标：7d、28d抗压强度分别大于0.3MPa和0.7MPa；

泌水率：低于5％；

流动坡面角：2.83°；

初凝时间小于6h。

3）充填与综采的关系

1202（3）上工作面斜长180m，煤厚3.3m，按每天推进4刀，即3.2m计算，每天需充填体积180×3.3×3.2=1 900m3，可回采煤炭2 660t。

按充填能力200m3/h计算，纯充填时间为1 900/200=9.5h，考虑充填前后的洗管时间0.2（前）+0.3（后）=0.5h，总的充填时间为10h，加之充填体初凝时间6h，合计16h，满足全采全充的要求。

7 充填钻孔及井下管道输送系统

1）充填钻孔

由于系统从地表至首期充填水平高差超过600m，钻孔破损后处理或者重新施工新钻孔难度较大，因此，应尽量延长钻孔使用寿命。鉴于管径的增大会使浆体在垂直下落时相对减轻料浆对管壁的直接冲击摩擦，有助于延长管道的使用寿命，因此设计钻孔内充填管道（套管选用Φ219mm×20mm高锰钢管（M16），内径D=179mm，钢管壁厚20mm。垂直管道之间用管箍联结，并加全焊。带有母螺纹的管箍规格型号应与带有公螺纹的垂直管道相匹配，且壁厚不小于20mm。也可以采用管道直接焊接方式，但应保证焊接质量和垂直度。

根据套管固定需要，钻孔直径确定为320mm，钻孔孔壁与套管之间用石油井水泥固结。同时施工两条钻孔，一条使用，一条备用。在充填制备站预留另外1个钻孔的位置，需要时可施工增加新的钻孔。

2）井下管道输送系统

地表充填制备站制成的符合要求的水泥、粉煤灰、煤矸石浆体沿管道经充填钻孔进入井下。井下充填管道经灌浆管通道至1202（3）试验工作面。

本次管路选取高锰钢管，材质M16，规格Φ180mm×14mm，外径180mm，钢管壁厚14mm，实际管道有效内径DI=152mm，水平管道之间用快速接头连接。

三 效果分析及评价

本项设计成果具有显著的间接经济效益、社会效益和环境效益。其优越性表现在以下方面：

充填可以有效解决或缓解深部开采面临的“三高”环境，将大大改善深部煤层开采的安全条件。

充分利用煤电集团工业废料粉煤灰，开发低成本胶结充填技术，不仅可替代连续煤柱、提高回收率，还将大大提高多煤层开采的安全性和可靠性。

充填采煤可以有效地限制地表移动，保护地表环境，是“三下”煤炭资源开采的最有效方法，做到既能最大限度地回收资源，又无需地面城镇搬迁、河流和线路改道，节省村庄等搬迁、重建费用。经济效益、社会效益和环境效益巨大，符合绿色矿山建设的要求。

矸石充填采空区，从根本上解决煤矸石地面堆放自燃所造成严重的空气污染、水体污染等环境问题，将大量节约土地，实现清洁生产、无废开采。

该项技术对提高我国煤炭资源开采技术水平、提高资源综合回收率、控制地面塌陷和生态破坏、消除煤矸石堆放带来的占地和污染环境问题，实现矿山安全清洁生产有十分重要意义，研究成果具有广阔的推广应用前景。

四 结束语

顾北煤矿综采工作面全采全充免沉降开采设计是集“安全、利用、环保”三位一体的综合项目，对地面重要的建构筑物下的资源尝试进行充填开采，以提高矿山经济效益和可持续发展水平。利用煤矸石作为充填骨料，通过添加胶凝材料和其它外加剂，实现高浓度充填，是解决煤矸石地表堆放难题、消除环境污染、解放保安煤柱、提高安全开采保障程度和资源回收率的有效手段。充分利用地表长期积存及井巷掘进产生的煤矸石作为充填骨料采用充填法开采，将会取得显著的经济效益、社会效益和环境效益，并为深部和“三下”煤层安全开采提供技术支持和工程样板。

［1］孙文华.三下采煤新技术应用与煤柱留设及压煤开采规程实用手册［M］.北京：中国煤炭出版社，2005.

［2］杨逾.注充宽条带跳采全采采煤法［M］.北京：煤矿开采，2005.

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1671-4733（2010）02-0032-03

2010-04-06

牛（1982-），男，安徽淮南人，助理工程师，在读硕士，从事采矿及安全勘察设计工作，电话：15855436969。