充填开采是煤矿绿色开采体系的重要组成部分,是控制采动岩层移动与防治开采损坏的关键技术之一[1]。自充填开采概念提出以来,经过不断完善和发展,形成了多种针对煤矿层状岩层赋存特点的充填开采方法。如在国内开展试验和应用较早的固体废弃物膏体充填 [2],以破碎矸石为主料进行的采空区矸石等固体废弃物充填 [3],以含水率超过95%的高水和超高水材料充填[4-5]等。随着充填开采的不断推广,工程实践中提高充填效率和降低充填成本等需求日益迫切,形成以覆岩隔离注浆充填、间隔墩柱充填、煤柱间隔置换充填等部分充填开采技术 [6-8],使得煤矿充填开采的应用范围和适用条件不断扩展,为压煤资源开采提供了重要的技术支撑。膏体充填开采是目前在矿山充填开采领域应用仍较为广泛的主要充填开采技术之一。膏体充填最早应用于金属矿山,利用尾矿进行金属矿山采空区的回填,以控制围岩运动和处理大量尾矿砂。1988 年,德国在摩纳泊尔煤矿首次开展煤矿膏体充填试验并取得成功[9]。2006年,周华强教授团队率先在济宁山东鲁泰控股集团有限公司太平煤矿开展近松散含水层、薄基岩条件下厚煤层分层开采及膏体充填开采技术研究,解放了大量水体下及建筑物下压覆的煤炭资源[2]。自首次在煤矿工程试验至今已有近15年的发展,膏体充填以其充填材料不离析、不泌水、充填密实、充填体后期强度大等优势,目前已经在很多煤矿进行了推广应用。济北矿区地处东部平原地区,地面村庄密集,压煤严重,多数矿井在进行下组16煤层开采时受底板灰岩水害的威胁,矿井可采储量严重减少,迫切需要通过井下充填开采解放建筑物下、承压水上压煤资源。笔者结合淄博矿业集团济北矿区基本开采条件,总结膏体充填近些年来在济北矿区的研究与应用情况,并提出其后期应用发展的方向。
淄博矿业集团济北矿区位于山东济宁市北郊,是我国20世纪90年代兴建的大型煤炭基地。该矿区由济东煤田的北部与唐口煤田2大区域组成,东西长度17~24 km,南北宽度12~20 km,规划面积达到322 km2,含煤地质总储量约20.9亿t。全矿区共划分有许厂煤矿、岱庄煤矿、唐口煤矿、葛亭煤矿、新河煤矿和运河煤矿等6个井田。矿区建设初期总设计产能8.55 Mt/a,以中、大型矿井为主,其中3.0 Mt/a矿井1个,1.5 Mt/a矿井3个,0.6 Mt/a矿井1个,0.45 Mt/a矿井1个[10]。
淄博矿业集团济北矿区煤矿主采二叠系山西组3、16、17号煤层。目前大部分矿井主采3号煤层,部分煤矿逐步进入16号煤层总体规划和开采阶段。以岱庄煤矿为例,3号煤层普遍埋深为240~610 m,可采范围内煤层平均厚度2.66 m,煤层倾角一般为1°~12°,平均6°。3号煤层下部赋存的16号煤层与3号煤层间距为一般为20~25 m,17号煤层与16号煤层间距8~10 m,煤层较薄。16号煤层底板富水性好的含水层有十三灰和奥灰,16号煤层至十三灰平均间距25 m;16号煤层至奥灰平均间距61 m[11]。底板灰岩水害是矿井后期向深部开采面临的主要威胁。
济北矿区地处我国东部平原地带,地面村庄密集,由于表土层较厚,部分煤层埋藏较深,导致煤层开采后在地表造成的影响范围很大,村庄压煤问题极其严重,是淄博矿业集团济北矿区煤炭开采面临的重大难题。仅以岱庄煤矿为例,该矿在65 km2的井田面积上分布着78个村庄,共计住户约1.3万多户,人口数量超过5万人。所有可采储量中,村庄下压煤储量约占到80%,涉及7 900余万t煤炭资源,其中仅主采的3号煤层村庄下压煤量就占到全部村庄压煤量的63%,约5 000万t[12]。密集的村庄分布和逐步增大的煤层采深,导致多数村庄保护煤柱相互重叠,一个工作面的开采经常同时影响多个村庄。由于采动影响涉及的村庄较多,迁村开采费用极高、难度极大。随着社会经济的快速发展、村镇规模不断扩大,矿区实际的压煤储量不断增加,压煤难题有进一步恶化的趋势。在早些年尚未形成比较成熟的煤矿充填开采技术时,村庄所压覆的煤炭资源通常采用条带法开采,即采出一定宽度的工作面,留设一定宽度能够保证长期稳定的条带煤柱支撑覆岩及控制地表下沉,如岱庄矿自2000年建成投产以来,截至2019年,建筑物压煤压覆的条带煤柱已达50多个,累计条带煤柱可采储量已达1 100万t[13]。大量遗留条带煤柱难以有效回采,严重影响了矿井的采掘规划,制约了矿井产能的发挥,极大缩短了矿井的服务年限。如何解决村庄压煤开采,实现村庄不搬迁开采和深部承压水上开采是济北矿区煤矿都迫切需要解决的问题。
煤矿膏体充填就是将煤炭开采和利用过程中产生的煤矸石、粉煤灰、工业炉渣等大量固体废弃物在地面进行破碎和配制,形成牙膏状浆体,采用充填泵或重力加压方式,通过管道输送到井下并充填工作面后方的采空区。随着工作面开采尺度和充填开采范围的不断增大,逐渐形成由膏体充填体、前方煤体和工作面液压充填支架等共同作用的支撑体系,对上覆岩层形成有效支撑,控制地表移动变形,保障地面建筑物的变形损害在允许的范围以内(一般为Ⅰ级损害以内)[2]。采用膏体充填的工作面,由于开采空间及时被充填体替换,虽有一定量的压缩,但事实上相当于极大降低了采高,因此对顶板的破坏减小。膏体充填体在支撑顶板的同时,对底板移动也形成一定限制,也可显著降低底板隔水层的破坏深度。
具体实施膏体充填工艺时,首先要将工作面向前推进一个充填步距,然后将配制完成的膏体材料,通过充填泵输送到充填工作面,充填封闭好的采空区。充填工艺系统由地面矸石破碎系统、浆料制备系统、管道泵送系统、充填控制系统等组成,图1为膏体充填的工艺流程。
图1 煤矿膏体充填工艺流程[2]
Fig.1 Technological process of paste back filling mining
膏体充填是由金属矿山胶结充填逐步改进而来的,早期少数矿山在进行高浓度胶结充填试验研究的同时,对充填材料的组成和级配作出了改进,使得料浆浓度得到明显提高,并进一步发展成膏体泵送胶结充填工艺,由此形成膏体充填的基本模式。2000年,在金川二矿区建成我国第一条膏体充填工艺系统,并在铜绿山矿得到成功推广应用。后来,煤矿开采规模越来越大,东部矿区面临的村庄压煤问题也越来越多。为应对村庄压煤开采的迫切需求,中国矿业大学最早提出了井下工作面膏体充填建筑物压煤开采技术,并开展了大量的基础性研究工作。随后,济宁太平煤矿为解放村庄压煤,提高采出率,延长矿井服务年限,与中国矿业大学合作开展了固体废弃物膏体充填开采技术的研究与试验,是我国煤矿第1个膏体充填示范工程,并于2006年5月成功实现了工业性试采[14-15]。
淄博矿业集团济北矿区最早开始试验膏体充填开采源于对建筑物下遗留条带煤柱资源的回收需求。首试区域选择在地面村庄压煤极其严重的淄博岱庄煤矿2300采区。根据岱庄煤矿的开采条件,首个试验工作面选择在2300采区最边界的遗留煤柱位置,即2302长壁工作面采空区与2303条带工作面采空区之间区域,命名为2351充填工作面。根据文献资料,在工程试验整个历程中,2005—2006年进行了充填前两侧已经回采的工作面冒落区探测和膏体充填性能测试前期研究,2007年底正式立项启动,2008年5月山东省煤炭工业局组织专家论证,并于2008年6月正式批准进行工业性试验。通过长期工程准备,2351膏体充填工作面于2009年12月23日正式开始现场工业性试验;2011年4月膏体充填综采推广应用到2352工作面[16]。
试验成功之后,继续在岱庄煤矿其他压煤采区进行应用,同时推广到淄博矿业集团济北矿区许厂煤矿、葛亭煤矿的建筑物下条带煤柱充填置换开采实践中。
自2006年膏体充填开采技术在济宁太平煤矿开展试验以来,经过近15年的不断发展和完善,应用的工程条件和适用范围不断扩展,由最初充填置换条带煤柱开采,到地面高层建筑物压煤开采,再到下组煤底板承压水上充填开采,取得了较好的试验效果,形成了良好的示范效应。表1统计了膏体充填技术在济北矿区部分工作面的应用情况。
表1 膏体充填开采技术在济北矿区部分煤矿的应用情况
Table 1 Application of paste back filling mining technology in some coal mines in Jibei Mining Area
煤矿应用时间工作面或采区煤层倾角/(°)采高/m宽度/m埋深/m推进/m储量/万t应用类型岱庄煤矿2009-12—2010-823513煤52.910342098042.0建筑物下煤柱置换充填岱庄煤矿2013-2—2015-223533煤42.715043072039.9建筑物下煤柱置换充填岱庄煤矿2016-6—2017-1163523煤62.711043559524.2高层建筑下煤柱置换充填岱庄煤矿2018-7—2019-663513煤42.710242550519.1高层建筑下煤柱置换充填岱庄煤矿2018-6—今1160716煤92.212053099034.0承压水上开采许厂煤矿2013-1—2014-101335工作面3下煤33.56630561830.8建筑物下煤柱置换充填许厂煤矿2014-4—2015-61331工作面3下煤33.639~9331041518.9建筑物下煤柱置换充填许厂煤矿2015-1—2016-71337工作面3下煤43.546~5429562223.9建筑物下煤柱置换充填
受地表密集建筑物压煤影响,岱庄煤矿首采的2300采区开采村庄下压煤时采用长壁开采与条带式开采相结合的综合开采体系,即在非压煤区域采用常规的长壁综采一次采全高采煤法,在压煤区域采用条带法开采,因此遗留了大量保护煤柱。经统计,整个2300采区采用条带开采方法的煤炭采出率仅为37%,产生的遗留煤柱资源量高达900多万t。图2为2300采区部分工作面采空区与遗留煤柱分布情况,相邻采空区中间空白区域为留设条带煤柱,即后期要进行膏体充填开采的工作面。由于遗留的条带煤柱很多,岱庄煤矿开展膏体充填采煤工程实践几乎全部是针对遗留条带煤柱的置换充填开采。
图2 2300采区部分采空区与遗留煤柱分布
Fig.2 Partial goaf and coal pillar of No.2300 panel
首试工作面位于2302长壁工作面采空区与2303条带工作面采空区之间,开采对象是遗留的地面村庄条带保护煤柱,命名为2351充填工作面。首试工作面宽度100 m,走向长度630~880 m,平均埋深420 m,煤层采高2.9 m。工作面开采时采用ZC5600/17/32型充填液压支架,每开采4个循环,向前推进2.4 m,对采空区进行1次充填。
2351充填工作面膏体充填系统由4个系统组成,分别是矸石破碎系统、配比搅拌系统、泵送管道系统和自动控制系统。充填料为二级破碎筛选的煤矸石(粒径<25 mm,粒级5 mm以下占41.4%)、粉煤灰(源于岱庄矿电厂)、标号32.5的普通硅酸盐水泥和水,水泥、粉煤灰和煤矸石质量配比为1∶4∶6[17]。采用矸石破碎系统、配比搅拌系统先将矸石破碎加工,然后把矸石、粉煤灰、专用胶结料和水等物料按比例混合搅拌制成充填浆料,最终形成的膏体材料质量分数达74%。整个系统运行时,充填能力可达到170 m3/h。工作面进行膏体充填时,通过充填泵和充填钻孔及管道将膏体浆料输送到井下进行采空区充填。经过实际统计,2351充填工作面共充填膏体材料 28万m3,消耗矸石10.5 m3,置换出原煤 42万t[13]。
2351工作面膏体充填后,实测地表最大新增下沉值为35 mm。2300采区膏体充填开采地表移动变形均控制在建筑物允许的Ⅰ级损害范围内。岱庄煤矿采用膏体充填后每年可多采原煤约60万t,经济效益约为3 200万元。通过膏体充填,完全解决了岱庄煤矿村庄压煤难题。此外,膏体充填由于及时支撑了顶底板,还可以有效控制开采空间的围岩变形量,缓解了工作面的矿压显现[17-18]。
岱庄煤矿6300采区位于矿井东翼,煤层埋深为410 m,煤厚为2.3 m,2016年初开始,岱庄煤矿采用膏体充填开采6300采区的6352工作面和6351工作面,开采区域最长为830 m,总宽为330 m。对应地表有黄楼村居民房屋,以及岱庄医院部分家属楼、天主教堂(省级保护文物,图3a)、岱庄医院18层住院大楼(重点受护对象,图3b)。
图3 受护建筑物
Fig.3 Protected buildings
实施膏体充填后,岱庄医院18层的住院楼最大倾斜为0.2 mm/m,水平变形为-0.1 mm/m,天主教堂最大倾斜为-0.2 mm/m,水平变形为-0.1 mm/m,上述移动变形数值均小于建筑物Ⅰ级损坏标准[19]。
经过近20年的开采,岱庄煤矿主采的3号煤已近枯竭,为延长煤矿的服务年限,规划了下组16号煤层的开采设计方案。16号煤底板赋存有富水性较好的十三灰和奥陶系灰岩,其中16号煤底板至十三灰平均厚度为25.4 m,最小距离为21.6 m,突水系数高达0.30~1.52 MPa/m,远大于0.1 MPa/m的安全值,采用全部垮落法很难保证安全开采。如果煤层开采后顶、底板能够得到充填材料的及时支撑,其破坏范围会得到抑制,理论上可降低突水危险,是开采承压水上煤炭资源的可选方法。同时,岱庄煤矿多年的膏体充填开采经验可为承压水上开采提供宝贵经验。
承压水上16号煤开采首先在岱庄煤矿11607工作面进行了试验。11607工作面走向长度约1 000 m,工作面宽度约120 m,煤层平均埋深546.4 m,平均采高2.14 m,平均倾角9°,底板十三灰为16号煤底板的直接充水含水层,距离底板最近为22 m,底板承压水水压为4.2 MPa。根据工作面条件,结合理论计算和模拟结果,如果11607工作面采用全部垮落法开采,采动影响在底板产生的破坏深度可能达到16 m,水害风险较大[21]。
11607工作面膏体充填材料采用加气混凝土配方,工作面每天推进2.4 m,充填步距为3.6 m。地面充填站充填能力140 m3/h,系统破碎能力为100 t/h。充填面充填管路的铺设路线为:充填站→充填钻孔→至-410 m 水平北翼运输大巷联络巷段→-410 m 水平北翼运输大巷联络巷段→2160 轨道大巷段→ 1160运输上山段→11607 轨道巷段→ 开切眼。图4为井下充填管路。
图4 11607工作面膏体充填井下充填管路
Fig.4 Filling pipeline of No.11607 paste back filling mining face
为了评价工作面膏体充填实施效果,在11607膏体充填工作面采用单孔恒定水压(0.20~0.35 MPa)法向底板观测钻孔内注水。通过工作面底板单位时间内注水量,反映底板裂隙发育程度。图5为实测所得的每个钻孔的注水漏失量随钻孔深度的变化规律。根据实测结果,11607膏体充填工作面底板最大破坏深度为6.5 m[22],远小于垮落工作面底板破坏深度16 m。膏体充填开采明显控制了底板破坏,实现了承压水上的安全开采。
图5 底板钻孔注水漏失量变化
Fig.5 Variation of water leakage from borehole in bottom plate
后续开采的11605工作面同样采用了膏体充填技术,实测底板破坏深度为6 m,实现了承压水上的安全开采[23]。
济北矿区煤矿在3号煤层开采过程中,形成了大量的条带煤柱,近些年采用膏体充填技术,采出了很多条带煤柱,在解放3号煤层被压覆煤炭资源方面发挥了巨大优势。随着3号煤层资源逐步枯竭,将进一步开采下组16、17号煤层,膏体充填开采技术在济北矿区的推广应用需要从以下方面继续深入研究。
16号煤层下部赋存有高承压的十三灰和奥灰承压含水层(图6),十三灰距离煤层20~25 m,如果采用常规全部垮落法开采,势必造成底板破坏深度大,底板受承压水威胁增加。膏体充填已在承压水上进行了成功的开采试验,但是需要进一步深入研究采用膏体充填进行承压水体上开采的相关理论和优化工艺。
图6 岱庄煤矿下组煤与含水哈层的位置关系 [23]
Fig.6 Location relationship between lower coal seam and aquifer in Daizhuang Coal Mine
济北矿区多数煤矿上部3号煤层已经回采,很多采区进行了条带煤柱置换充填开采,如果下部16号煤层开采,存在多煤层重复采动问题,已经进行充填开采的支撑体将面临下部煤层开采影响下的二次稳定性问题,因此需要研究在近距离膏体充填开采工作面对建筑物保护的理论和对应的技术措施。
随着开采深度增加和多煤层重复开采扰动问题的出现,在复杂开采条件下膏体充填工艺、设备、流程方面的优化问题,使充填效果和充填成本的匹配达到最优。
充填材料选择方面,应考虑与先进的TDS井下煤矸智能分选系统相结合,实现矸石不升井,就地加工利用,将充填系统移至井下,完成充填膏体材料的制备与输送,减少由井上到井下的输送环节,提高充填效率,进一步降低充填成本。
1)自膏体充填开采技术首次应用以来,经过近15年的发展,从原理、充填材料、工艺技术、主要装备等都得到了很大的进步,应用范围也由最初建筑物下条带煤柱的置换开采扩展到高层建筑物保护、底板承压水害防治,应用范围越来越广泛,适应性越来越强。
2)重点以岱庄煤矿条件为例,介绍了膏体充填在条带煤柱的置换开采、高层建筑下压煤开采、承压水上煤炭开采等方面的实践应用,有效回收了条带煤柱、保护了高层建筑,解放了受底板承压水威胁的煤炭资源,取得了显著的应用效果。
3)结合淄博矿业集团济北矿区实际开采情况和未来回采计划,提出膏体充填开采应重点在承压水体上开采的相关理论和工艺技术、重复采动影响下建筑物保护的理论和对应技术措施、复杂条件下充填工艺、设备、流程优化以及与井下煤矸智能分选系统相结合等方面进行拓展和技术攻关。
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