煤矿论文高水充填置换开采在埠村煤矿的应用.docx

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煤矿论文高水充填置换开采在埠村煤矿的应用

高水充填置换开采在埠村煤矿的应用

（Replacementofhighwaterfilledtheapplicationofcoalmininginbucun）

刘献勇（Liuxianyong）

（山东淄矿集团有限责任公司埠村煤矿）

（ShandongZiboMiningGroupCo.,Ltd.bucunmine）

摘要本项技术针对我国东部地区普遍存在的村庄建筑物下、水体下、铁路下压煤开采（简称三下开采），承压水上开采难题，结合埠村煤矿9煤层直接顶是四灰，顶板坚硬完整不易冒落的特点，自主研发了高水材料，采用开放式自流充填，对已条带采采区911进行了复采，成功复采煤炭31.5万吨，解决了三下压煤、承压水上开采的世界性难题，为我国乃至世界开采“三下”压煤、承压水上开采开辟了一条新的途径，具有重要的现实意义和深远的历史意义。

Abstract：

Thistechnologyprevalentinourcountryvillagesintheeasternregionunderthebuilding,water,railwayundertheCoalMining（miningreferredthreetimes）,confinedwaterminingproblems,combinedwithbucuncoalmineimmediateroofisafour-9ash,hardroofthecharacteristicsofacompletefallinghard,independentresearchanddevelopmentofhighwater,materials,useofopen-gravityfilling,havebeenstripminingdistrict911werere-mining,miningofcoal315,000tonsasuccessfulrecovery,underpressuretosolvethethreecoalpressureWaterminingworldwideproblemfortheexploitationofChinaandtheworld,"threeunder"pressurecoalminingaboveaquiferopenedupanewway,hasimportantpracticalsignificanceandfar-reachinghistoricalsignificance.

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关键词高水充填、“三下”压煤开采不牵村、高回收率、高承压水上安全回采

Keywords：

Highwaterfilling,"threeunder"VillageCoalMiningdoesnotpull,highrecovery,highpressurewatersafetymining

1.前言

埠村煤矿位于济东煤田（章丘煤田）中南部，行政区划属山东省济南市章丘市管辖。

地理坐标为东经117°24′27″～117°31′03″、北纬36°34′54″～36°42′23″。

井田范围东以文祖断层（F13）为界，西以亭山断层（F1）为界，南部以各煤层露头，北（深部）以采矿许可证批准的范围为界，中部以F29断层为界划分为一、三两个井田。

矿区面积为59.69km2，其中一井田9.13km2、三井田50.56km2。

一号井1965年3月正式投产，设计生产能力30万t/年，由于资源枯竭，已于2003年12月31日闭坑。

三号井1958年10月开始建设（期间1960～1966年停建），1970年7月简易投产，设计生产能力45万t/年。

1987年～1994年对三井进行改扩建后，分为东、西两区生产，设计生产能力提高到90万t/年。

2007年核定生产能力120万t/年，2009年实际产量106.3万吨。

矿井开拓方式为立井、斜井多水平开拓，暗斜井延深、上下山采区布置。

矿井通风方式为中央并列式，通风方法为抽出式。

采煤方法为走向长壁后退式，全部陷落法管理顶板。

采煤工艺为综采、机采。

埠村煤矿西区现有1个生产水平，既-390m水平，现有6个采区，其中生产采区有4个，即312采区、921采区、315采区、313采区，准备采区有2个，即101采区、103采区。

1.1高水材料充填的经过及问题的提出

目前，埠村煤矿西区正在开采1、3煤和9-1煤，截至2007年底，矿井储量（111b）176.2万吨，可采储量（111）72.5万吨，全部为1、3煤，资源量（331、332、333）3535.6万吨，其中9煤702.6万吨，10-1煤2244.9万吨。

9、10煤资源量占矿井资源量的80%，突水系数大于0.1MPa/m，受水威胁严重。

如何安全有效的开采受水威胁的9、10煤，是决定埠村煤矿生死存亡的一大技术难题，因此，埠村煤矿决策层领导和有关工程技术人员在集团公司有关领导的大力支持帮助下，通过几次外出学习考察，对兄弟单位的高水充填、超高水充填置换开采技术，有了深刻的认识，外出考察学习人员普遍认为，高水充填置换开采技术，技术上可行、经济上合理、安全上可靠，适合埠村煤矿的水文地质条件，借鉴其成功的高水充填置换开采经验，可从根本上解决建下、承压水上开采问题，实现无污染绿色开采，解放受徐奥灰承压水威胁的9、10煤，提高矿井煤炭资源回收率、延长矿井服务年限，实现企业的可持续发展，鉴于此，埠村煤矿在矿长张友明的带领下，迅速成立了高水充填领导小组，落实了任务、时间，决定借鉴兄弟单位高水充填的先进技术，主要依托本矿城隆建材公司粉煤灰加气混凝土砌块的技术，走自主研发的道路，首先研制出高水充填所需的配方，再对充填材料的流动性和膨胀性进行实验，试验成功后，首先在已回采结束（条带采）的911采区进行充填复采试验，待取的成功经验后，推广至其它采区。

1.2高水材料充填的目的意义

通过对采空区进行充填，可有效的防治煤层上覆岩层的下沉及底板突水，从根本上解决建下、承压水上开采问题，消除矿井水灾、火灾、瓦斯等各方面不利因素，实现无污染绿色开采，解放受徐奥灰承压水威胁的9、10煤，提高矿井煤炭资源回收率、延长矿井服务年限，实现企业的可持续发展。

1.3高水充填的特点

三下采煤和承压水上采煤一直是困扰我国煤矿生产正常接续和持续发展的重大问题，特别是我国东部地区、人口多村庄密度大，村庄压煤尤为严重，长期以来我国煤矿村庄压煤，主要采用迁村或条带开采的方法进行开采，然而迁村法存在搬迁成本高、侵占土地、选址困难以及开采后破坏环境等问题，承压水上开采主要采用底板预注浆加固、矸石充填置换开采、水沙充填置换开采、条带开采等，底板预注浆加固、矸石充填、水沙充填置换开采成本高、费工费时而且效果很差，条带开采，采出率很低，而且万吨掘进率很高，所以以上方法基本被煤矿企业所抛弃，而高水充填可以从根本上解决三下压煤和承压水上开采的问题，所谓高水充填就是把煤矿附近的矸石、粉煤灰、工业炉渣、建筑垃圾等在地面加工制作成浆体，采用充填泵或重力加压，通过管道输送到井下，利用浆体流动性好的特点适时充填采空区，形成以高水充填体为主的支撑体系，有效控制地表沉陷甚至没有沉陷，有效控制受承压水威胁的底板变形甚至不发生变形，实现村庄不搬迁和承压水上安全开采。

2.911采区开采情况及分析

2.1911采区开采条件

1.煤层赋存及顶底板情况

根据911采区实际开采情况，采区浅部煤层变薄至不可采、西部边界煤层与页岩成互层状失去开采价值、开采范围内煤层赋存较稳定，煤层厚度1.0～1.4m之间。

911采区9-1煤顶、底板情况详见下表。

911采区9-1煤顶、底板情况表

类别

岩石名称

厚度（m）

主要岩石特性

顶板

老顶

砂质页岩

6.64

灰黑色，含砂少，垂直节理发育。

直接顶

五灰

2.50

灰色致密，含海百合茎化石。

底板

直接底

细砂岩

6.07

灰～灰黑色，含粘土质长石石英砂岩，含黑云母片。

老底

砂质页岩

3.00

黑灰色、细致，层理不发育。

煤层顶底板在采区内变化较小

2.开采情况

911采区是埠村煤矿西区9-1煤首采区。

地面位于山后寨以南、危山北麓，对应的地表建筑主要为圣井广场、圣井镇政府、山后寨村、309国道横穿而过。

地势南高北低，地面标高97.1～114.72m；井下位置，东至煤层可采边界，西至F17断层防水煤柱，南至F13断层防水煤柱及圣井一号煤矿矿界煤柱，北至九十行大巷保护煤柱。

采区上限标高-286.6m，下限标高-380.7m。

采区走向长260～1430m、倾斜宽400～780m，煤层厚度1.0～1.5m、平均1.3m，煤层倾角5～14°、平均9.5°，开采面积733299m2，资源量为143.2万吨，为防止底板徐奥灰突水，采用倾向小条带开采的方法，已安全采出49.0万吨（其中东翼5个回采工作面共采出23.9万吨、西翼3个回采工作面共采出25.1万吨），剩余资源量为94.17万吨（包括采区轨道及皮带上山保护煤柱、断层煤柱、条带煤柱），采用高水材料对采空区充填后，按照原工作面采留比，对原条带煤柱进行回采，尚有31.5万t煤柱储量可以采出（其中东翼可采出13.0万吨、西翼3个回采工作面共采出18.6万吨）。

911采区东翼共布置5个回采工作面，其中9110工作面为保护地面建筑物，于2004年8月15日采用走向条带开采（采宽40m）进行试采，2004年7月15日上条带采至32m处时，老顶初次来压垮落，随后发生底板突水，初期涌水量150m3/h，最大涌水量351.6m3/h，稳定涌水量331.2m3/h。

根据水质化验和工作面周围观测资料分析出水水源为底板徐灰水。

出水后立即停止工作面回采，研究治水方案，确定采取井上下相结合的方法进行堵水工程。

工程设计井下5道水闸墙隔离突水工作面，为注浆创造静水条件，地面注浆孔1个，终孔层位徐灰底板粘土页岩。

工程自2004年8月25日开始施工，至2005年3月29日注浆结束竣工。

2005年4月5日对隔离工作面进行放水，检验注浆效果，至2005年4月6日积水放出，稳定涌水量24m3/h，堵水效果良好，堵水率达92%。

堵水成功后经研究，为有效防止底板突水，同时保护地面建筑，工作面回采方式改为倾斜条带开采，工作面里段徐上砂岩富水区内，采用采宽6m，留宽10m；在徐上砂岩富水区以外，采用采宽15m、留宽25m实现安全回采；9112工作面借鉴9110面安全回采经验，工作面回采方式采用倾斜条带开采，工作面里段徐上砂岩富水区内，采用采宽6m，留宽10m；在徐上砂岩富水区以外，采用采宽15m、留宽25m；9114及9116工作面在徐上砂岩富水区以外，采用倾斜条带开采，采宽15m、留宽20m；9118工作面位于采区的最浅部，采用倾斜条带开采，采宽20m、留宽20m，均实现安全开采。

911采区西翼共布置3个回采工作面，其中9111及9113工作面为有效防止底板突水，同时保护地面建筑，采用倾斜条带开采，采宽15m、留宽20m；9115工作面，采用倾斜条带开采，采宽15m、留宽20m，部分条带采用采宽20m、留宽20m，均实现安全开采。

2.2地面建筑物影响情况及分析

根据《埠村煤矿三井东、西区部分采区村庄下压煤开采方案设计》，考虑对地面建筑进行保护，设计采用条带法开采方案，其中9煤层采宽40m、留宽36m，10煤层采宽38m、留宽38m，预计采后地面村庄建筑物变形控制在Ⅰ级范围内，符合“三下”规程的相关规定。

由于911采区受底板徐灰承压水严重威胁，为防止采后发生煤层底板滞后突水，采用倾向小条带法开采，各工作面分别采用采宽6m留宽10m、采宽15m留宽25m、采宽15m留宽20m、采宽20m、留宽20m，均实现了安全回采，采后采空区基本不跨落，只有个别条带局部块段顶板冒落，对地面基本无影响。

2.3受承压水影响情况及分析

2003年埠村煤矿与煤炭科学研究总院西安分院合作在-390水平进行了9、10煤水文补勘工程，根据《淄矿集团埠村煤矿三井（西区）9、10煤水文地质条件补充勘探成果报告》井田徐灰含水层划分为三个水文地质块段（F7断层以西、F7～F8断层之间和F8断层以东），4个水文地质分区（F7断层西南Ⅰ区、F7断层西北Ⅱ区、F7～F8断层之间Ⅲ区、F8断层以东为Ⅳ区），Ⅰ区内又划分2个亚区（第一放水孔组至F7断层间为Ⅰ-1亚区，该区以南为Ⅰ-2亚区）。

911采区的东翼位于水文地质条件相对复杂的Ⅰ区。

Ⅰ区水文特点是水位高，渗透性及径流条件好，富水性强，存在极强的补给水源。

西翼位于水文地质条件相对复杂的Ⅱ区。

Ⅱ区水文特点是徐灰含水层渗透性较强，横向水力联系密切，其补给水源主要来自奥灰水垂直补给，奥灰水补给有限。

计算采区徐灰突水系数大于0.10MPa/m，工作面采用常规推采方式受底板徐灰承压水严重威胁。

为防止底板水害，采区采用小条带开采，已安全回采结束，证明采用倾斜条带开采（采6m留10m、采15m留25m、采15m留20m及采20m留20m）对底板水防治非常有效，底板徐、奥灰突水的可能性很小。

3.高水充填材料

高水充填材料的主要成分是粉煤灰、石膏、水泥、石灰、发泡剂等，水料比约为0.6：

0.4，在标准养护和生产条件下，料浆能产生大约30％的膨胀，28天强度达到或超过2MPa左右。

3.1高水材料的充填方法、

目前我国采煤方法大体可分为两种，一是走向长壁后退式采煤法，二是倾向长壁后退式采煤法，根据两种采煤方法，可以选择两种充填方法，走向长壁后退式采煤法，可选用袋包式充填法（与工作面平行作业动态充填），倾向长壁后退式采煤法（仰采），可选用封堵开放式充填法（与工作面平行作业动态充填）。

通过对911采区充填复采方法的论证分析，并结合充填区条件，确定采用分段封堵开放式充填（静态充填）。

911采空区充填方法：

待工作面上下出口止浆墙建好后，按照规定的顺序和程序接进注浆管路往采空区注浆，实现开放自流式充填。

具体详见下图。

具体止浆墙的位置详见下附图

3.2高水材料的充填工艺

⑴步骤

①制作挡墙

②粉煤灰、石膏、水、制浆搅拌池，制成粉煤灰料浆

③粉煤灰料浆、固化剂、膨胀剂---浇注搅拌机

④输送充填料

⑤充填

⑥清管

⑦拆除挡墙。

⑵简图：

制作挡墙—--清管----—输送充填料--充填—清管—拆除挡墙。

粉煤灰、水---制浆搅拌池-----

浇注搅拌机

固化剂、膨胀剂---固化剂储罐搅拌-

4.经济效益及社会效益分析

4.1经济效益

埠村煤矿911采区采用本项目提出的高水充填置换开采，按照原工作面采留比，对原条带煤柱进行回采，尚有31.54万吨煤柱储量可以采出（其中东翼可采出12.97万吨、西翼3个回采工作面共采出18.57万吨）。

按照山东境内原煤今年1-5月份平均销售价格627元/t，吨煤完全成本215元，按每吨盈利412元计算，可实现盈利1.3亿元，冲减高水充填的总费用3607.3万元（固定设备、充填材料、人工费用、巷道扩修费用等），尚可实现盈利1.14亿元（911采区）。

4.2社会效益

实施本项目提出的高水充填置换开采，可有效的防止煤层上覆岩层的下沉及底板突水，从根本上解决建下、承压水上开采问题，实现村庄不搬迁和承压水上安全开采、实现无污染绿色开采，消耗大量粉煤灰，解放大量土地，提高矿井煤炭资源回收率、延长矿井服务年限，稳定职工队伍，实现企业的可持续发展，促进社会和谐稳定，其前景广阔，社会效益巨大。

5.结论意见

通过前面高水充填置换开采方案分析，可以得到以下主要结论：

⑴高水充填可有效控制岩层移动，从根本上解决建下、承压水上开采问题，实现真正意义上的无污染绿色开采。

⑵高水充填置换开采技术，在王庄煤矿已经有成功经验，加之本矿的实验结论，本项目技术上可行，安全上可靠，经济上合理。

⑶采用高水充填置换开采，可以多回收煤炭资源，提高资源采出率，对埠村煤矿具有重要的现实意义。

⑷由于高水充填研究起步较晚，其充填设备、工艺还不够成熟，所以，今后要加强对高水充填的研究，使其设备工艺日臻完善合理，进一步减少充填成本。