随着经济社会的不断发展，基础建设的不断完善，使得井田范围内地面设备较多，“三下”压煤的问题日益突出，留设大量煤柱，造成煤炭资源的极大浪费，影响矿井挖掘潜力；
减少资源储量，缩短服务年限；
干扰矿井整体开拓布局。随着绿色开采理念的不断深入，伴随环保政策的不断收紧，消除矸石危害及矸石综合利用成为煤炭企业面临的又一棘手难题，如何变废为宝，无害化处理矸石，同时提高资源回采率，减少煤炭浪费，成为企业践行绿色发展观，实现提质增效的重要发展方向。因此，充填开采的实施，将生产期间产生的矸石回填井下，解决了矸石处理的棘手问题。在充填开采期间，提高充填密实度，有效控制覆岩移动和变形，减少或防止工作面上覆岩层的破坏及地表塌陷，保护地表建（构）筑物、铁路、公路和耕地等不受破坏，可置换出压覆的资源，极大的减少煤炭资源损失，进而解放煤炭资源，提高煤炭回采率，延长矿井服务年限。对于企业实现矸石零排放，树立地区示范效应，落实能源方针政策、引领煤炭行业绿色革命、加强矿业领域生态文明建设具有重要意义。

世界上矿山充填发展已有近百年的历史，经历了废石干式充填、水砂充填、低浓度巷式充填、高浓度充填、膏体充填等四个发展阶段，1979年德国格伦德铅锌矿为了克服低浓度巷式充填泌水严重等问题，在世界上首次试验膏体充填技术。试验成功以后，逐渐在南非、英国、美国、摩洛哥、俄罗斯、加拿大、澳大利亚、葡萄牙、坦桑尼亚、土耳其等国家的金属矿山得到发展和应用。在国内，中国矿业大学率先开展了膏体充填开采技术的研究，设计了太平煤矿膏体充填系统，作为我国第一个膏体充填示范工程，从2006年5月进行工业性试验，试验工作面煤层厚度9m左右，基岩厚度5.4～50m，埋深200m左右，采出率可提高到90%以上。为提高采出率和开采上限，开展膏体充填开采新技术研究，设计充填能力为150m3/h，两个工作面进行轮流充填开采，充填70多万m3，成功采煤100余万t。

文章以海测滩煤矿开采条件为背景，采用数据分析与理论计算相结合的技术手段，提出了海测滩矿井建（构）物下矸石膏体充填开采总体技术架构，有效解决海测滩煤矿矸石处理问题和保护生态环境，也为地区实现“三下”压煤回收和矸石零排放探索出一条成熟路径。

1.1 矿井概况

海测滩井田位于榆林市靖边县城东北方向12km处，隶属陕西省靖边县海则滩镇、黄蒿界镇管辖。主采3号煤，平均厚度2.6m，先期开采地段埋深660m左右，年产矸石约30万吨。井田内地表为黄土丘陵、沙丘、河谷和滩地，已有浩吉铁路、靖神铁路、包茂高速、±800kV昭沂线特高压输电线路、五趟天然气管线和两趟靖榆成品油管线从井田内穿过，井田北部中央分布有海则滩镇及几个大型村庄，地面设施较多，压覆着大量的煤炭资源，给矿井开拓的合理布局以及采掘接续造成严重影响。鉴于此，有必要针对海测滩矿井开展矸石井下充填技术研究，以期解决制约建（构）物下压覆煤炭资源回收难题和矿井矸石处理的环保难题，实现经济效益和生态效益的和谐统一。

矿井采用立井开拓，在井田南部边界设置矿井工业场地，场地内布置主立井和副立井，在工业场地以北约2km处设置风井场地，场地内布置一、二号回风立井。矿井首采盘区为301和302盘区，主、副立井落底后，向北布置一组中央大巷组至302盘区边界，每组开拓大巷为3条，分别为中央辅助运输大巷、中央带式输送机大巷、中央回风大巷，中央带式输送机大巷通过上仓斜巷与井底煤仓和主立井连接。为了满足矿井5.0M/a的生产能力，井下需布置1个综采工作面和1个充填开采工作面搭配生产。

设计中对于地面设施中的±800kV昭沂线特高压输电线路和靖榆成品油复线采用膏体充填开采保护，其余区域为了消耗矸石，局部采用膏体充填工艺解决日常矸石。

1.2 膏体充填技术架构

经过对综合机械化固体充填、短壁干式充填、工作面膏体充填、短壁胶结充填矸石充填方法进行方案对比，固体充填适合矸石量大，减沉控制要求不高的矿井；
短壁干式充填和巷式膏体充填虽能解决“三下”开采问题，但受限于掘进速度，充填能力较低；
工作面膏体充填不仅能解决海测滩矸石的处理问题，可有效控制地表下沉，对地表的建（构）物起到保护作用，作为推荐充填方法。在工作面压覆段进行高密实充填，以控制地表沉降；
在工作面非压覆段，无需控制地表沉降，可适当降低充填率，以加快工作面推进速度、提高产能，处理掉矿井正常生产期间产生的矸石即可。

具体的方案是将洗煤厂洗选产生的矸石通过汽车运输至一、二号风井场地的受矸棚内，通过破碎系统将矸石破碎至特定粒级的细颗粒，再与粉煤灰、水泥以及辅料加水制成符合设计要求的煤矸石膏体料浆，然后采用充填泵通过管道泵送至井下，并根据工作面回采段的压覆情况，适时按照充填要求对采空区进行充填，从而实现处理矸石和保护地表建（构）筑物的目的。

2.1 膏体充填材料组成分析

海测滩矿膏体充填材料主要包括煤矸石和粉煤灰，并辅以水泥、添加剂和水。其中水泥为胶结材料，选用32.5#普通硅酸盐水泥，在膏体泵送过程中包裹骨物料，起滑润作用，并确保膏体不发生离析，避免沉淀堵管，确保凝固后膏体具有一定的抗压强度。添加剂保障膏体的稳定输送，是否使用添加剂需结合后期试验情况确定，水为矿井水。

充填料应为稳定性好的饱和膏体，在泵压过程中不允许离析，材料中含有一定细颗粒，满足泵送时间4h以上。配比选择应根据海测滩煤矿充填系统所用的原材料作出膏体小样和环管实验最终进行确定，本项目参考类似工程案例及已掌握的膏体环管试验数据，初步选用充填材料配方见表1。

表1 海测滩煤矿膏体充填材料配比参数表

2.2 充填材料制备系统

原料矸石通过皮带由储矸棚运至破碎系统进行破碎，粒径控制在5mm以下，破碎后的矸石缓存在成品矸石缓存仓。充填时，将成品矸石缓存仓内的骨料落料至骨料计量机构，经过计量后通过皮带输送机输送至膏体配比搅拌系统。与此同时，预存在粉料筒仓内的粉煤灰、水泥，清水池内的水各自经过计量后也被输送至膏体配比搅拌系统，经过混合搅拌制成充填膏体由充填泵沿管路泵送至井下待充填区域。具体的工艺流程如图1所示。

图1 充填站制浆工艺流程图

2.3 膏体输送关键技术分析

2.3.1 膏体充填站布置

矿井膏体充填站考虑布置灵活，距离充填工作面较近等方面确定在风井场地。

海测滩煤矿充填站的主要功能是将煤矸石、粉煤灰、水泥以及辅料加水制成合格的煤矸石膏体料浆。充填站主要由破碎系统，膏体配比搅拌系统、给水系统和泵送系统等系统组成。其中主要设备包含料浆制备装置，以及保证按配比及浓度给料给水的计量与输送设备、自动化控制仪表、充填原料储备装置等。

2.3.2 膏体输送系统

在管道膏体输送方面，充填材料通过地面垂直钻孔转至井下输浆管线，在工作面回风巷道布设管道将膏体充填材料充填至工作面后方采空区，初期充填管路总长度约4.0km，首采盘区最远处充填管路的最大长度约为6.5km（含垂直管路650m）。

根据充填能力需求，泵送系统单条管路流量为250m3/h，流速按2.0m/s设计，经计算泵送压力确定为10MPa。考虑充填工业泵长时间连续进行远距离输送的工作特点，选用KOS25150HP型充填工业泵，流量250m3/h，最大工作压力12MPa。共布置三台充填泵，两用一备确保流量不小于500m3/h，搭配D245×23mm的无缝钢管。

3.1 工作面生产系统

海测滩煤矿首充工作面为302盘区东翼的30201充填开采工作面，其开采煤层为3号煤层，平均煤厚为2.6m。工作面巷道采用“一进一回”单巷布置，分别为工作面运输巷和回风巷。

工作面输膏系统：膏体制备站→地面输膏钻孔→中央回风大巷→30201工作面回风巷→采空区。

充填工作面的生产能力分为压覆段和非压覆段两种情况，根据国内先进生产经验，工作面长度暂定为240m。在压覆段需对采空区全部进行高密实充填，日充填两次，每个充填步距推进3刀，日循环6刀，年产1.37Mt/a，矸石消耗量为0.72Mt/a；
非压覆段视需求对正常生产期间的矸石进行处理，日循环12刀，年产2.74Mt/a，矸石消耗能力最大为0.36Mt/a。根据首采工作面压覆段和非压覆段的分布情况，压覆段回采155天，非压覆段回采175天，工作面加掘进煤年产2.00Mt/a。

3.2 充填工作面生产工艺

工作面压覆段和非压覆段生产工艺相同，采用走向长壁采煤法，充填法管理顶板。区别在于压覆段完成采煤机割煤、工作面刮板运输机运煤、经转载机到顺槽皮带运输机、移动充填液压支架，三个循环后，需进行充填作业。

充填工艺流程为清管→浆推水→割第1-3刀煤→开始前移挡墙→充填膏体→充填体开始凝固→管道清洗→充填结束验收。支架布置见图2。

图2 充填工作面支架布置图

非压覆段完成回采工艺后，根据矸石量确定是否开展充填作业，如进行充填，仅需冲完部分空间，消耗完矸石即可，对密实度无要求。

开采沉陷预计结果是评价“三下”（建筑物、水体和铁路下）采煤可行性的重要资料，本次采用我国应用广泛且较为成熟的概率积分法进行地表沉陷预测。

4.1 地表沉陷移动变形预计值

海测滩煤矿目前没有相关的沉陷实测数据，参考周边魏墙煤矿地表沉陷的实测数据如表2所示。

表2 地表移动变形参数

依据以下面的公式可以得出不同盘区膏体充填开采地表沉陷预计值，具体见表3。

表3 充填开采地表移动与变形预测结果

式中：r=H/tanβ表示主要影响角半径，tanβ表示主要影响角正切值，取2.21；
H表示采深。

4.2 地表减沉控制效果分析

本矿井主要在靖-榆成品油管线和±800kV特高压输电线下进行膏体充填开采。本矿井靖-榆成品油管线压覆区域，根据充填开采地表沉陷预计，得到采煤影响区内地表最大水平变形为0.31mm/m，最大倾斜为0.57mm/m，最大曲率为0.00339×10-3/m，经与《采空区油气管道安全设计与技术规范》（Q/SY 1487—2012）中指标进行对比，显示将对输油管线的影响较小，无稳定性危险。

在±800kV特高压输电线压覆区域，根据充填开采地表沉陷预计值，得到地表最大水平移动为54.56mm，最大倾斜为0.53mm/m，均小于《1000kV交流架空输电线路运行规程》（DL/T307-2010）及《±800kV直流架空输电线路运行规程》（GB/T28813-2012）中塔基允许变形值（水平移动≦75mm，倾斜≦1.5mm/m），对高压输电线及基座的影响较小。

本研究在采出海测滩矿井“三下”压煤的同时，有效解决海测滩煤矿矸石处理问题和保护生态环境，也为地区实现“三下”压煤回收和矸石零排放探索出一条成熟路径。

①通过多种充填采煤方法比选，最终确定采用工作面膏体充填方式在工作面非压覆段采空区进行部分充填以对矿井生产期间产生的煤矸石进行处理，在工作面压覆段采空区采用全部充填对地表存有的建（构）筑物进行保护。

②通过研究确定了膏体充填材料制备及管道输送系统的系统组成及各系统的工艺流程，并确定了膏体制备系统总能力为500m3/h。

③以30201充填采煤工作面为例，通过研究确定了工作面膏体充填系统工作面的面长为240m，采煤总能力为2.0Mt/a（含掘进系统产生的0.1Mt煤），累计消耗矸石0.68Mt/a，可满足海测滩矿井正常生产期间年处理矸石的需求。

④海测滩煤矿井田范围内建设有靖-榆成品油复线，参考《采空区油气管道安全设计与技术规范》（Q/SY 1487—2012），采用膏体充填开采后，其对输油管线的影响较小。海测滩矿井井田内存在±800kV昭沂线，采用膏体充填开采后，地表移动变形值小于高压输电线塔基变形控制指标：水平移动≦75mm，倾斜≦1.5mm/m，在实际开采过程中应加强地表高压输电线基座的监测和维护工作。

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