充填技术在矿井开采中的应用

[摘 要]传统的煤炭开采大都采用垮落法管理板，形成采空区后上覆岩层应力平衡发生变化，对地表造成一定的影响。同时，对地下含水层地层产生破坏，地下水位下降，渗漏井下并排出。随着经济发展，地面建筑物增加，“三下”采煤的问题突出。受底板承压水影响，采用条带回采，资源回收率低。因此，实施充填开采是实现矿井安全生产、煤炭资源合理开发与环境保护和谐发展的一条有效途径。

[关键词]充填技术；矿井开采；应用

中图分类号：TD823.7 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）09-0066-01

引言

实施充填式开采是利国利民的大事。一是实施充填式开采，能有效消除地表沉降，保护地表生态环境。充填体保证了顶底板之间无明显移近，开采后不产生冒落带、裂隙带和下沉带，地表不发生明显沉降，保证了水资源，减少了对土地资源的破坏；二是充填材料采用粉煤灰、尾矿泥和煤矸石，实现矿山附生物资源利用，减少了固体废弃物的排放，保护了环境，提高煤炭企业循环经济的发展，是有利国利民的大事。三是实施充填式开采，可以优化作业环境，提高煤矿开采安全程度。充填体有效控制了采煤工作面的围岩移动，避免顶板大面积垮落和底板承压水的突然涌出，减少了有害气体的积聚空间，降低瓦斯自然灾害；解放“三下”压煤。用充填材料置换出矿产资源，替代了开采设计中预留的条带和保护煤柱，保证采出资源后不会造成地面设施的破坏，提高煤炭资源回收率。

1 矿井资源赋存状况

1.1 资源赋存

新矿集团某矿井为薄煤层开采，现采5、6、9、10煤层，地质储量为1040.7万吨，其中5煤216.5万吨，6煤144.4万吨，9煤8.2万吨，10煤671.6万吨。矿井范围内地面建筑物多，新增楼群范围在扩大，压煤量多；9、10煤层回采又受底板承压水威胁严重，虽然采用条带式回采方式，能保证安全生产，但煤炭回收率低，只能达到35%以下。

1.2 矿井概况

该矿井设计生产能力120万t/年，核定生产能力100万t/年。矿井开拓方式为立井开拓，主副井为立井，地面标高+65m，井底车场标高-300m，井筒垂深365m。主井安设箕斗提升煤炭，副井安设单层双车罐笼上下人员、提升物料。矿井以-300m水平集中运输大巷为依托，利用多节上下山开采煤层。开采方法：采区采用前进式，工作面采用走向长壁后退式采煤法。采煤工作面全部为机采工作面，掘进工作面采用炮掘机装矿车（皮带）运输。

2 实施充填开采的条件

2.1 充填位置与范围

井下位于矿井北翼-450东大巷倾斜下方，-550m水平以东至矿井东部边界煤柱，西至10-1煤层-815m煤层底板等高线。南至10900采区左翼边界，北至北边界保护煤柱。

2.2 煤层顶底板条件

10-2煤层：直接顶为砂质页岩，厚度3.12～4.09m，为Ⅱ级3类顶板。直接底为粘土页岩，厚度0.43～0.55m，其底板抗压强度279×104pa。10-2煤层：黑色块状，半光亮型，半金属光泽，煤层上分层厚度0.5～1.02m，下分层厚度0.35～0.43m；煤层中含有1层夹石，夹石厚度0.1～0.49m，去除夹矸后煤层平均厚度1m。岩性为炭质页岩，煤层结构较复杂，属较稳定煤层。容重1.51 t/m3，f=3。

2.3 水文地质情况

徐家庄灰岩含水层，岩溶裂隙比较发育，水力联系广泛，透水性好，渗透系数高达9.35～21.74m/d。但是补给条件受水文地质块段影响较大。从井下施工的钻孔分析，徐灰富水性不均，有的钻孔见徐灰时，水量高达120m3/h，有的则无水。奥陶系灰岩含水层，广泛分布淄博煤田东、东南、南部山区，普遍地表。至本井田埋藏深度较大，补给条件好，动静储量大，是本井田的主要含水层。在建井期间遇F3断层奥灰突水，最大水量达1210.2m3/h。

2.4 瓦斯涌出量情况

回采工作面瓦斯正常绝对涌出量1.5m3/min，瓦斯呈吸附状存在于煤层中。工作面回采后，老空内积存大量的瓦斯，工作面的回风隅角多发生瓦斯涌出量大。

2.5 矿压情况

根据工作面矿压观测资料分析，工作面初次垮落步距为20.2m老顶来压步距为32.2m，周期来压步距为8～11.2m。顶板控制参数：老顶初压平均31.25t/m2，老顶周压平均35.84t/m2，正常工作阶段平均18.772t/m2。

3 实施充填开采的方法

3.1 地面建充填站

聘请有资质的钻探队负责施工钻孔和下输料管路，在孔的位置建充填站。充填站占地1600m2，南北长40m，东西宽40m。地面充填站由3个初浆罐、1个辅料罐和1个成浆罐组成。初浆罐设计总容积360m3，辅料罐设计容积80m3，成浆罐设计容积16m3，将充填材料混合、搅拌。

3.2 钻孔输料

钻孔设计孔深625m，孔内下Ф127mm锰钢管2条，作为充填输料管，孔内钢管与孔壁之间用水泥浆充实固定。预计输浆管路安设全长1830m，采用Ф127mm输油锰钢管到达工作面。在地面钻孔的北侧建蓄水池，利用井下防尘水，通过输浆管路，将井下水排地面水池。蓄水池长30m、宽5m、深3m，蓄水量不少于350m3，满足每次充填时用水量。按高水膨胀材料充填技术特性，将原料混合，制成固水质量比1：1.3左右的充填料浆。每充填1.0m3则用水约0.65m3，按工作面每推2个循环，充填1次，充填480m3，则用水310m3。在井下建一容量120m3的蓄水池，用1台高扬程水泵，通过一条备用输料管，时时向地面蓄水池内供水，供水量满足要求。

3.3 充填开采方法

根据采煤工作面设计，面平均倾斜长150m，煤层厚度按最大2.0m进行设计，循环进度0.8m，采煤机每割2 个循环，充填1次，每次充填480m3，试验采用袋式充填法。以粉煤灰或尾矿、建筑垃圾等硅质材料为主料，配以延缓剂、速凝剂、固化剂和膨胀剂等辅料，水的体积比为75%左右，进行走向长壁充填采煤及煤柱置换充填。采区下部改变采向，设计为倾斜长壁后退式采煤方式，采用仰采，充填方式为随采随充。

4 实施“充填式开采”效益分析

4.1 社会效益分析

一是地面不变形。充填开采后，地面基本无明显沉降，不对地面建筑物产生影响；二是消耗工业废弃物，极大缓解了粉煤灰和煤矸石对环境的污染，具有较高的社会效益。

4.2 经济效益分析

实施充填式开采，取消了条带式回采，煤炭回收率提高到85%以上，矿井服务年限延长。从煤炭生产过程分析，实施充填式开采，增加了生产环节，增加原煤生产成本。按工作面全部采用充填式回采，吨煤成本将增加80～100元。成本的增加使利润有所下降。以后可进行多方面的试验，由全充过渡到带充，降低成本，提高效益。

5 结论

（1）实施充填开采，有效控制地表沉陷和实现建筑物下采煤，保护了矿区的生态环境；解放“三下”压煤，提高煤矿资源的回收率，延长了矿井的服务年限，具有显著的社会效益和环境效益。

（2）工作面取消了条带式回采，减少了搬家撤面次数，少掘进巷道，缓解了接续紧张状况。

（3）减少了高承压水对工作面的影响，基本消除了水害威胁；对于高瓦斯采煤工作面，老空区充填后减少了瓦斯赋存空间，基本消除瓦斯威胁。

（4）充填后，工作面无明显动压变化，优化了作业环境，提高了煤矿开采的安全程度。