赵 垒

(潞安环保能源开发股份有限公司 生产办，山西 长治 046204)

1 工程概况

高河能源膏体充填开采项目包括控制中心、破碎车间、充填泵站、矸石仓、充填管路、充填工作面等工程，于2019年建成投产。E1302工作面为首个充填工作面，位于3号煤层东一盘区，东边距矿井边界185 m，东边为未采区，西边为E1303工作面采空区，南边为E1302放顶煤工作面采空区，北边为+450 m水平东翼大巷，上部为耕地，处于村庄保护煤柱内。工作面走向长度490 m、倾向长度230 m、采深410 m、采高3.2 m。截至目前，已完成152个采充循环，累计推进376.9 m，完成回采产量47万t，累计充填膏体27.5万m3，消耗矸石36万t。

2 膏体充填开采采充工艺流程

2.1 割 煤

工作面每个采充循环割煤环节，割第一个循环过程中只割煤上网不移架，待第一个循环煤割完后再进行移架顶溜，此后每个循环按照此工艺推进。第一个循环移架后采空区顶板采用纤维网支护，第二个循环移架后升起尾梁进行采空区顶板管理，第三个、第四个循环使用加装的尾梁延伸装置配合纤维网进行顶板支护，目前采空区最大支护距离为4.0 m，可满足4个循环3.2 m充填距离需求。割煤循环满足一个充填步距后，开始进行采空区隔离等工艺。

2.2 隔 离

隔离准备：根据工作面长度，将所需的高强纤维网、复合塑料编织布、风筒粘合胶、草毡、16号铅丝、刹杆、梯形板等材料，通过端头尾提前运送至待充填区，并准备铁锹、刷子、壁纸刀以及梯子等工具。

支架上部隔离：人员进入待充填区，在支架尾梁与上隔离板之间的凹槽挂钩上挂设高强纤维网，并在纤维网上挂彩条布密封。然后详细检查支架尾梁与上隔离板之间的密封情况，存在缝隙的部位，使用草毡封堵缝隙。

支架下部隔离：将隔离板挂设的高强纤维网、彩条布沿底板铺平，用草毡将下隔离板和高强纤维网、彩条布之间填充实严。再检查底板密封情况，存在缝隙的部位，使用草毡将缝隙封堵。

端头尾架的隔离：端头尾架起到隔离端头尾的作用，调整端头尾支架位置，端头尾架隔离板前部板靠紧工作面两端头支架(1号架/2号架和155号架/156号架)隔离板，隔离板后部贴紧巷道充填体，打出侧向千斤顶支撑好端头尾架，挂设高强纤维网、彩条布，再使用草毡将端头尾架顶底隔离充实。检查密封情况，存在缝隙的部位，使用草毡封堵缝隙。

2.3 充 填

检查充填管路之间、管路与闸阀的连接和开启状态；安装布料管，布料阀出口与支架出浆口之间采用多节短管相连，管路采用铁链固定于支架隔离板上耳板上；检查通讯设备情况，确保通讯设备完好到位；充填工全部到达工作地点，准备充填。

地面矸石经过高细破碎后，按比例加入粉煤灰、胶结料、水等，制成适合管道输送的膏体材料，开始按照压风吹管、泵送清水、泵送灰浆、泵送矸石浆的顺序，从低到高进行工作面充填区高压泵送充填。充填完成前后，巡查人员用探针探测接顶情况，确定充填是否结束。结束后，再按照泵送灰浆、泵送清水、压风吹管顺序清洗管路，本循环充填完成。

2.4 凝 固

膏体8 h后达到初凝强度(约2 MPa)，此时微调支架将尾梁下落具备移架条件。与此同时，探测各个布料阀处膏体凝固情况，开始撤下布料阀和注浆孔之间的布料管并清洗。

3 充填开采存在问题及解决方法

膏体充填开采试生产以来，在不断改进完善后，已由开始的5 d一个采充循环，改进到目前的2 d一个循环，期间遇到的问题及主要改进的技术如下：

1) 解决了支架一次移架不到位问题，使得采煤效率由原来的2个班减少到1个班。充填支架配液盘、后部操作阀布置限制了充填管移动范围，导致支架移架一次达不到截深800 mm，割一刀煤需要二次移架，影响采煤效率，不利于顶板稳定。通过调整充填支架主进主回配液盘和后部操作阀组布置，使移架过程中充填管有足够活动宽度，实现一刀一次移架到位。

2) 改进了隔离充填工艺，避免了跑浆漏浆，实现了单次大规模充填。针对高顶区，端头尾等待充填区薄弱点，提出了前后两个循环隔离布搭接隔离工艺，机头尾隔离充填支架+单体柱隔离加强隔离强度，同时动态调整膏体浓度，有效避免了充填跑浆漏浆，实现了大规模充填一次完成，单次最大充填量1 850 m3。

3) 解决了充填膏体用量的盲目性，提升了采空区充实率，确保了井下巷道和地表变形处于合理范围之内。高河能源膏体充填开采最初阶段存在每个循环膏体用量测算不准确，造成膏体过量或者待充填区重实率过低问题，针对该情况提出了“人工测算+体积监测”的膏体用量计算法，有效克服了膏体过量或者充填不接顶等问题。

根据监测，目前每次充填采空区充实率达到98%，膏体长期强度达到设定值3 MPa，巷道顶底板最大移近量100 mm,两帮最大移近量70 mm，地表未出现明显变形。

4) 实行“师带徒”现场培训新工人制度，锻炼了充填队伍。由于充填开采为新工艺，工人对各方面作业工序不熟悉，严重减慢了充填开采作业效率，通过实践及专业人员现场培训，由开始的生疏到目前的熟练操作，有效提高了充填采煤效率。

5) 安装尾梁延伸装置，提升循环步距，由3刀一循环提升至4刀一循环，提升了回采效率。E1302充填工作面充填开采循环步距稳定在3刀煤(2.4 m)，经过井下多次技术论证、实验，通过在支架尾梁后部安装“支架尾梁延伸装置”加强机尾待充填区域顶板维护，进而将单循环充填步距由2.4 m提升至3.2 m，充填开采效率提效明显。

6) 柔性网替代双层金属网，减少了用工数，提高了生产效率，降低了回采成本。借鉴高河矿放顶煤工作面收尾使用柔性网工艺，高河矿经过前期实验后决定将双层金属网更换成高强度聚酯纤维网进行维护待充填区域，解放了联网工，提高了割煤效率，且降低了充填开采成本。

7) 协调贝克福尔公司改进了充填材料配比和充填工艺流程，制定了堵管应急预案，克服了堵管等重大事故。针对可能发生的堵管事故，高河能源采取了四种措施，一是制定了堵管应急预案；二是严格执行充填工艺流程，实现管路满管输送；三是加强地面监测监控和应急处理，发现问题及时采取措施；四是加强应急处置措施，突发堵管情况可立即采取反向冲洗应急处理措施。

4 取得效果

1) 推动了潞安采煤方法的变革，解放了建筑物下的压煤资源，最大限度地回收资源，延长矿井服务年限。E1302充填工作面为高河村的保护煤柱，充填开采后将保护煤柱予以回收，回收煤炭资源47万t，取得了良好经济效益。

2) 解决了不搬迁村庄采煤的难题，保护了地表建筑物，控制住了地表变形。E1302充填工作面上部为耕地，处于村庄保护煤柱内，采用充填开采工艺进行回采后，地面沉降控制在200 mm之内，节省了塌陷治理费。

3) 充填开采原材料主要为煤矸石，在解决矸石外排的同时，减少了矸石压占土地面积，同时充填开采可以保护地下水资源，促进矿区生态环境建设。E1302充填工作面充填消耗矸石达到36万t，实现了矸石返井。

4) 膏体充填开采是一项绿色开采技术，享受费用减免优惠政策，按照充填开采煤炭资源税减免政策，E1302充填工作面回采煤炭资源税减半；另外享受充填开采产能置换政策，高河能源充填开采产能的30%可以用于产能置换。

5 结 语

膏体充填开采技术不但可解决村庄、河流和铁路下开采后地面沉降问题，还可应用到顶(底)板承压水下开采、上提回采上限开采、松散结构体下开采、工业广场和风井保护煤柱回收等多个方面。同时，为采空区内留巷、瓦斯控制、自然发火防治、消除采空区积水隐患等提供了有利条件，为减少掘进准备工程量、改善回采工作面通风方式和瓦斯治理提供了一条可靠的途径，最大限度实现煤矿绿色开采和保水开采，技术应用前景十分广阔。