煤矿超高水材料开放式充填开采矿压显现研究

胡海江 李永元 费思国

（1.冀中能源邯郸矿业集团，河北省邯郸市，056000；2.冀中能源邯郸矿业集团陶一煤矿，河北省邯郸市，056000；3.兖州煤业菏泽能化有限公司，山东省菏泽市，274000）

煤矿超高水材料开放式充填开采矿压显现研究

胡海江1李永元2费思国3

（1.冀中能源邯郸矿业集团，河北省邯郸市，056000；2.冀中能源邯郸矿业集团陶一煤矿，河北省邯郸市，056000；3.兖州煤业菏泽能化有限公司，山东省菏泽市，274000）

陶一煤矿面临着“三下”压煤问题。陶一煤矿利用超高水材料进行采空区充填，以开采“三下”呆滞煤炭资源。超高水材料浆体水的体积达到95%～97%，因此其灌注特性较好。超高水材料开放式充填能够达到较高的充填率。通过开掘观测巷道、钻孔等手段进行矿压监测，表明该工艺可以缓解矿压显现程度，浆体能够灌注到老空区裂隙及矸石周围，胶结效果较好。

综采工作面 开放式充填开采 超高水材料充填 矿压显现

超高水材料开放式充填在邯郸矿业集团陶一煤矿首次进行了工业性试验，并进行了3个工作面生产，试验结果表明，超高水材料开放式充填开采系统简单，采充效率高，充填效果好，取得了良好的经济社会效益。

1 试验工作面概况

1.1 地质概况

陶一矿充填试验工作面开采2＃煤层，位于七采区南翼、停驷头村保护煤柱范围内。对应地面位置为停驷头村东部，型煤场西部，地表有民房建筑、冲沟和梯田。

试验工作面埋深为315.1～365.9m，煤层为单一倾斜构造，属二迭系下统山西组，煤层厚度3.5～4.3m，平均厚3.97m；煤层直接顶为粗粉砂岩，灰黑色，以石英为主，含黄铁矿结核，层厚5.63m左右；底板为闪长岩，灰白色，厚4.1m左右。试验面区域为单倾构造，地质构造以断层为主，部分煤层有火成岩侵入。

1.2 工作面回采工艺及装备

工作面开采方式为综采一次采全高，主要配套设备为ZY6000／21／42型液压支架、MG300／200－WD型电牵引采煤机和SGZ764／400型刮板输送机。

2 充填工艺

超高水材料开放式充填开采工艺就是在仰斜开采条件下，随着工作面的推进，超高水材料浆体沿煤层倾角灌注至老空区，胶结垮落的矸石，以支撑上覆顶板，减少岩层移动的一种充填工艺，如图1所示。

图1 开放式充填开采示意图

为了检验采煤与充填衔接效果，得出最佳的采充循环距离，将充填开采分为4个阶段。第一阶段顶板完全垮落不充填，当推进到45m后，进行充填；第二阶段工作面每推进9m充填一次，共65 m；第三阶段工作面每推进6m充填一次，共70 m；第四阶段工作面每推进3m，充填一次，共70 m，充填试验各阶段的充填率见表1。

表1 充填试验阶段的充填率

3 工作面矿压观测及显现规律

为了验证在各个充填阶段工作面矿压显现程度，对工作面支架的工作阻力进行了在线监测。采用KBJ－1综采支架工作阻力连续记录仪监测支架工作状况。

将支架在线观测的数据进行处理，得出工作阻力变化曲线，见图2。从曲线可以看出：第一阶段开始时，处在切眼范围，支架工作阻力较为平稳；第一阶段至第二阶段支架压力变化显著，有明显的来压现象；第三阶段到第四阶段支架的阻力整体降低，没有明显的来压。

图2 工作面液压支架支护阻力变化曲线

根据工作阻力的变化进行拟合，得出拟合曲线：

根据式（1）可知4个阶段支架工作阻力较为平稳，并整体随着充填率的提高呈现下降趋势。由此可见，开放式充填能够减缓矿压显现，并且随着充填率的提高，矿压显现程度逐渐降低。

4 充填效果验证

开放式充填能够充填采动产生的各种裂隙及矸石之间的缝隙并胶结，减少上覆岩层的进一步下沉、破断，以达到控制地表变形的目的。其中的关键是材料的灌缝效果和胶结能力，因此采用在工作面上方开掘观测巷道、打钻方式进行观测。

4.1 观测巷道及探孔分布

为了检验充填效果，并对充填开采时的覆岩破断情况进行监测，在推采之前，在工作面中上部20m处开掘一条观测巷道，并在观测巷道内开掘两条探巷，如图3所示。在观测巷道内设置10个顶板下沉量的观测点，测量其顶板下沉量。在探巷内向老空区方向进行钻探，以探明老空区内的充填体充满情况。

图3 充填观测巷道及探孔的分布

4.2 观测巷道顶板下沉

随着充填工作面的不断推进，观测巷顶板观测点的最大下沉量是逐步减小。其中观测点1至观测点10的最大下沉量分别为2.90m、2.62m、2.10m、1.64m、1.36m、0.87m、0.62m、0.53m、0.63m和0.57m。说明随着充填率的提高，观测巷道的观测点的下沉量逐渐下降，因此提高充填率可以减小上覆顶板的下沉。

图4 巷道顶板观测点1～10的下沉量

随着测点距工作面的距离变化，观测巷道的观测点的下沉量的大小如图4所示（横坐标中＋表示在工作面前方，—表示在工作面后方），第一阶段内的观测点在工作面后方4m左右开始显著下沉，第二阶段观测点在工作面后方6m左右开始显著下沉，第三阶段和第四阶段观测点在工作面后方8 m左右开始显著下沉。各点在工作面后10～20m处左右，处于变化活跃期；距工作面煤帮40m时，基本处于稳定状态。

充填工作面于2009年1月3日回采结束，通过观测巷测点的观测，充填试验面回采结束一个月后，各测点没有出现明显的变化下沉。

5 浆体扩散范围

在探巷内向老采空区打设垂直钻孔（见图3），并采用钻孔摄像机对老采空区内的浆体灌注情况进行观测。第一探巷共施工3个探孔，孔深分别为24.60m、25.35m和19.0m，距煤层顶板的距离分别为27.0m、22.11m和20.37m；第二探巷共施工3个探孔，孔深分别为24.60m、25.35m和24.1m，距煤层顶板的距离分别为19.061m、22.11m和20.66m。

探孔1－1孔深至9.8m时，有超高水材料固结体，充填于上下两岩层之间，至孔深11.39～12.28m左右，有一纵向裂隙，超高水材料固结体充填于纵向裂缝中，充填密实，至13.38～15m之间，有很多的固结体存在与纵向裂隙与破碎的岩石之间，至16.38～20.4m之间，可以明显地看到有大量的固结体充填于岩层离层裂隙之间，同时还有小块的矸石被浆体胶结包裹，至20.68～21m处，有大量固结体充填于矸石及其与岩层的裂缝之间。其它探孔与第一探孔的揭露情况基本一致。

钻孔取出的超高水充填材料固结体芯明显显示，充填密实，与围岩固结情况良好。

6 结论

（1）超高水材料开放式充填是一种采充效率较高的充填方式，充填不影响采煤进度，是煤矿充填常规化开采的手段之一。

（2）通过对工作面的矿压观测来看，超高水材料开放式充填能够较好地控制工作面矿压显现程度，较好地控制上覆岩层的移动、断裂和破断。

（3）通过对充填工作面老空区进行观测可以得知，超高水材料浆体的灌注性能优越，大小裂隙都能得到较好地填充，能够保证足够的充填率，得以控制地表下沉程度。

［1］ 杨富禹.煤矿绿色开采技术实践［J］.中国煤炭，2009（12）

［2］ 钱鸣高，许家林等.绿色开采的理念与框架［J］.科技导报，2007（7）

［3］ 钱鸣高，许家林，缪协兴.煤矿绿色开采技术［J］.中国矿业大学学报，2003（4）

［4］ 冯光明，丁玉.超高水充填材料基本性能试验研究［J］.中国矿业大学学报，2011（7）

On strata behavior during open filling mining with ultra－high－water material

Hu Haijiang1，Li Yongyuan2，Fei Siguo3
（1.Jizhong Energy Handan MIG，Handan，Hebei 056000，China；2.Taoyi Coal Mine，Jizhong Energy Handan MIG，Handan，Hebei 056000，China；3.Heze Energy and Chemical Co.，Ltd.，Yangzhou Coal Mining Co.，Ltd.，Heze，Shangdong 274000，China）

In Taoyi Mine，there exists a problem of"three unders"mining.In order to explore the dead"three unders"coal resources，Taoyi Mine adopts ultra－high－water material to fill the goaf.The slurry water volume of ultra－high－water material reaches 95%～97%，so it has good perfusion characteristics.The open filling with ultra－high－water material can reach higher filling rate.The results of strata control observation by excavating roadway，drilling and other means for observing the filling effect show that this technique can alleviate the strata behavior degree，and the slurry can be grouted in fissures in old goaf and around gangue，and it has a good cementation effect.

fully mechanized mining face，open filling mining，ultra－high－water material filling，strata behavior

TD823.7

A

胡海江（1956－），河北武安人，冀中能源邯郸矿业集团副总工程师、工程硕士、高级工程师，从事煤矿充填开采、生态矿山建设工作。

（责任编辑 张毅玲）