巷式充填采煤技术研究

徐云龙

（山西焦煤集团有限责任公司屯兰矿，山西 古交 030200）

引言

煤炭在未来很长时间内依然在我国能源结构中占据主导地位，对煤矿开采效率和开采成本及安全性提出了更高的要求。随着矿井的不断开采发现，影响煤矿可持续开采和稳定发展的关键因素为“三下”压煤问题。“三下”压煤问题的存在不仅会造成煤炭资源的浪费，而且还会极大的缩短煤矿的服务年限；同时，该问题对煤矿地表的影响巨大，对巷道的布置影响较大。实现煤矿巷式充填采煤技术，不仅能够对工作面煤层进行安全、高效的生产，而且有利于工作面煤层最大限度的开发[1]。

1 巷式充填采煤技术应用的可行性分析

在对矿井实际情况分析的基础上，对巷式充填采煤技术在其应用的可行性进行分析。

1.1 工程概况

以2214 综采工作面的开采为例开展研究，该工作面煤层的厚度范围为1.8 m～3.5 m，平均煤层厚度为2.5 m；煤层的倾角范围为1°～3°，平均煤层倾角为2°。该工作面煤层属于角稳定煤层，其变异系数为30%。经探测，2214 综采工作面顶底板条件，如表1所示。

表1 2214 综采工作面顶底板条件

2214 综采工作面的最大涌水量可达10 m3/h，平均涌水量为1 m3/h～3 m3/h。

1.2 可行性分析

煤炭开采势必在地下形成采空区，从而导致煤层地表出现沉陷问题。针对采空区，为减缓地表沉陷的问题需为地下充填相应的充填体。保证充填体的稳定性是实现对地表沉陷问题有效控制的关键。

与2214 综采工作面相邻的2317 工作面已经实施了巷式充填采煤工艺，经实践表明：巷式充填采煤工艺在2317 综采工作面的应用，极大的提升了工作面的生产效率，从某种程度上延长了矿井的服务时间。2214 综采工作面与2317 综采工作面的相关地质、涌水以及瓦斯等条件类似[2]。因此，从理论上讲将巷式充填采煤工艺应用于2214 综采工作面是可行的；但是，需根据2214 综采工作面的实际情况完成巷式充填采煤工艺的设计。

2 巷式充填采煤工艺的应用

结合巷式充填采煤工艺的特点和2214 综采工作面的相关条件完成综采工作面巷道的布置、支护方式的设计以及关键采煤、充填工艺的设计，最终达到提升生产效率和生产效益，降低生产成本的目的。

2.1 巷式充填开采方案的设计

巷式充填开采方案主要包括巷道布置、支护以及相关设备的配套。

2.1.1 巷道的布置及支护

2214 综采工作面巷道断面宽度为6 m，高度为2.5 m；在实际开采中设计宽度为6 m 的保护煤柱，并为其配置连续采煤机对煤层进行截割。结合2317 综采工作面的支护经验和2214 综采工作面的地质条件，采用锚杆与锚索联合支护方式对巷道进行支护[3]。

顶板支护：采用直径为20 mm，长度为2 m 的高强度螺纹钢锚杆；对应锚杆的排距为2 m，排间距为2 m，设定每排锚杆的数量为3 根，对应的顶板支护断面，如第196 页图1 所示。

如图1 所示，对应锚索采用直径为15 mm，长度为6.7 m 的高强度预应力钢绞线，设定锚索的排距为4 m，锚索的预紧力为110 kN。

图1 工作面顶板支护断面图（mm）

针对在上述支护基础上顶板仍然出现破坏、不稳定的情况，有必要采用强化支护。具体强化支护方案为：将每排锚杆的数量增加为5 根，锚杆间距缩短为1.2 m，锚杆排间距缩短Wie1.5 m；锚索的排距缩小为3 m。强化支护的平面，如图2 所示。

图2 工作面顶板强化支护断面图（mm）

2.1.2 综采设备的选型配套

在上述支护方案的基础上，2214 综采工作面采用间断式开采运输方式。其所配置的关键综采设备，如表2 所示。

表2 2214 综采工作面综采设备选型配套结果

2.2 充填设计

为解决综采工作面开采完成后形成的采空区所导致的地表沉陷的问题，本工程采用巷式充填采煤工艺。所采用的充填材料为高水膨胀材料，该材料的主要成分为粉煤灰，并在此基础上加入一定量的延缓剂、固化剂以及膨胀剂等[4]。所选用的充填材料具有较好的流动性、凝固时间短且凝固后的强度非常高，渡过稳定时间后其单轴抗压强度可达0.5 MPa；同时，该充填材料中所添加的一定量的膨胀剂，其可膨胀10%左右，从而实现对巷道顶板和两帮围岩的良好支护。

为保证最终的充填效果，充填工艺的设计需结合采煤工艺开展，具体充填工艺如下:

1）为进一步提升综采工作面的开采率，采用三条支巷充填一条支巷的方式对工作面的充填；

2）为保证工作面的充满率，将充填材料的出浆口布置于工作面巷道的标高较大的一侧，采用PE 管为主管道完成充填任务；

3）根据实际充填要求，设计的充填工艺流程，如图3 所示。

图3 充填工艺流程图

2.3 充填效果验证

基于上述所设计的充填工艺流程和充填材料对2214 综采工作面的采空区进行充填操作，待充填体稳定并经历3 个月的时间后对采空区上方地表的变形值进行测量。测量结果，如表3 所示。

表3 充填实施后采空区地表变形值

结合我国煤炭工业局颁发的相关标准要求，当采空区的水平变形值低于2 mm/m，倾斜至低于3 mm/m时，即判定采空区对其上方地表的损害程度低于一级[5]。综合对比表3 测试值，得出2214 综采工作面采空区进行充填后其地表损害程度为一级。

3 结语

一直以来，综采工作面开采后势必产生采空区，从而导致地表沉陷等问题的产生。本文以2144 综采工作面为例，重点对巷式充填采煤技术在其中的应用进行研究，并总结如下：

1）鉴于2144 综采工作面与2317 综采工作面的相关地质、涌水以及瓦斯等条件类似，在2144 综采工作面采用巷式充填采煤技术是可行的；

2）巷式充填采煤技术能够有效解决“三下”压煤的问题，提高综采工作面的生产效率，降低综采工作面的生产成本；

3）2144 综采工作面的采用巷式充填采煤工艺后地表损害程度控制在1 级的范围之内。