充填采煤法水体下采煤技术研究

1、充填采煤法水体下采煤技术研究摘 要：本文通过对山东鲁泰煤业有限公司太平煤矿丿啄区8309三四分层在基岩薄、防水煤岩柱不够的情 况下采用充填开采方法开采的可行性进行了分析并详细介绍了充填工艺及过程，为相同条件下的提高开采 上限开采问题提供了f 切实可行的途径。关键词：薄基岩提高开采上限充填开采山东鲁泰煤业有限公司太平煤矿地处邹城市太平镇境内，核定生产能力60万 t/a,主采山西组3煤层和太原组16上、17煤层。3煤层厚5. 2398m,平均8. 83m。 由于八采区部分3煤层赋存区基岩薄，采用全部垮落法开采矿井将受第四系松散层 底部含水层水的威胁。为了解放水休下所压资源储量，充分提高煤炭资源的回

2、收率，延长矿井服务年 限，太平煤矿口 2002年底开始，开展了膏体充填开采新技术的试验研究，取得了薄 基岩笫四系松散含水层下压煤开采的成功。膏体充填研究工作从2002年12刀底正式开始，2006年4刀底完成系统设备安 装调试、充填工作面准备和人员培训工作，2006年5 b 22日太平煤矿8309上分层 工作面膏体充填试验首次取得成功。目前已有8309上分层、二分层工作面、8311底 分层工作面完成了膏体充填开采，8307分层膏体充填工作面正在开采。由于矿井3煤层8309 一、二分层和8311底分层膏体充填工作面开采已结朿，3 煤层只有8307上分层膏体充填工作面作为新的接续工作面。根据矿井3煤

3、层资源储 量分布、开采综合条件及巷道布置实际，8309三、四分层工作面是最佳的接续工作 面。本文根据八采区及8309三、四分层工作面的地质采矿条件，参考太平煤矿以往 膏体充填开采工作面提高开采上限的工程实践经验，依据建筑物、水体、铁路及 主要井巷煤柱留设与压煤开采规程的有关规定，对8309三、四分层工作面采用充 填开采提高开采上限进行了可行性研究。1八采区水文地质条件研究11采区位置及地形地貌1.1.1采区位置八采区位于太平井do东北部，采区西部以fs断层为界与六采区为邻，南北两侧到 3煤层露头区，东北部以（经距20479150,纬距3910275）及（经距20480000,纬距3919245

4、)两点连线到fs断层与田庄井田相邻。1. 1.2地形地貌采区地而分布冇泗河河道和漫滩，还分布有谢家口村，英余为农山。八采区范围 内地貌单元屈河湖冲积相沉积，地势相对比较平坦。泗河由东向西流经采区屮部， 河床标高+39. 5ni左右，河漫滩标高+43m左右，堤坝外地而标高+41. 5m左右。米区范 围内泗河河床水道宽4060m, 般雨季洪水淹至河漫滩，枯季常岀现断流，具明显 的季节性特征。泗河大坝坝顶标高+46+47mo1.1.3泗河概况泗河由北而南流经木井田注入南阳湖，其屮在木区谢家口村北部为东術流向，在刘家庄西北 转向为南北向;区内河宽0.801.2km,最大流量338()m3/so 192

5、6年在谢家口溃堤,发生水患, 洪水泛滥；& 1958年以來泗河上游人力修筑水利工程，如今泗河已变成季节性河流；泗河是矿 区内最大的山洪河道，堤防等级为2级。在济宁市统一规划建设中，已将泗河河堤重新修整加固, 现河堤顶宽3m,高6m以上。1 2煤层条件八采区开采煤层为山曲组3煤层，煤层平均厚度8. 83mo 3煤层呈黑色块状结构， 玻璃光泽，以亮煤为主，内生裂隙发育。根据太平煤矿8301工作而岩石力学参数试 验情况,3煤层rqd二22%,抗压强度& 5mpa,抗拉强度0. 5mpa,弹性模量1300mpa,泊 松比0. 29o八采区为一宽缓的向斜构造，主要有谢家口向斜，向斜轴呈北

6、东向，由谢家口村 东向两端倾伏，西部被fs断层切割，并呈东西向延伸到六采区。区内倾角变化小，一 般小于10°。1 3覆岩条件八采区3煤层厚度大，埋藏浅，与笫四系松散层底部距离近，有的地点第四系松散层直接覆 盖在煤层之上。3煤层底板标高在120-170m之间，煤层埋深为161.5211.5m,笫四系表土层 厚147.00166.15m,平均154.91m, 一般150160m,第四系底界标高在-110m左右,一般煤 层顶板基岩厚度155()m,基岩上部与第四系接触部分存在风化带，风化带厚度2.4128.39m, 平均13.63m,其屮强风化带厚度0.214.58m,平均4.81m：弱风

7、化带厚度0.2118.99m,平均8.82mo3煤层直接顶板为粉砂岩或泥岩，厚度23m,个别点有炭质泥岩伪顶，老顶 为中细砂岩，厚1026叽 根据8304t作面试采报告，风化中砂岩抗压强度 19. 7mpa,抗拉强度1.09-3. 92mpa,弹性模量1470mpa,泊松比0.3,易崩解;粉 砂岩、泥岩抗压强度12. 5mpa,抗拉强度0. 39mpa,弹性模量1434mpa,泊松比0.3, 易崩解。由于山西组上部地层均遭剥蚀，煤层埋藏浅，老顶中、细砂岩大部分己 风化，强度大大降低。综合顶板岩层的工程地质特征，顶板为层状结构岩体，质 量系数一般，岩体质量等级中等，为中等稳定顶板。1.4第u!系

8、松散层条件八采区范围内3煤层上覆第四系松散层厚度147. 00166. 15m,平均154.91m, 一般150160m,第四系底界标高在-110m左右，以棕灰色、灰绿色粘土、砂质粘 土为主，夹砂及砂砾多层，厚度稳定，从地表向卜可以分为：i粘土夹砂层组：组厚30. 344. 4m,平均36. 2m,主要为黄至褐黄色含砂粘 土，上部夹褐黄色砂层。含砂粘土可塑性强，吸水膨胀，其屮砂粒分布不均，颗 粒从粉砂粒到粗砂粒均有。典型土样密度1.92. lt/m3,压缩模量& 5mpa,内摩 擦角13.2° ,内聚力59kpa。ii砂及粘土互层组：组厚21.534. 0m,平均27. 6m

9、,主要为褐黄色至棕黄色 砂、粘土互层，其中，粘土层少量含砂，可塑性强，吸水膨胀；砂层以含粘土中 砂为主。典型土样密度2. ot/m3,压缩模量10. 8mpa,内摩擦角13.8°，内聚力 51kpaoiii砂质粘土夹砂层组：组厚15. 220. 8m,平均17.0m,主要为褐黄色至浅绿 色粘土，夹褐黄色或灰绿色中砂。iv粘土质粗砂夹含砂粘土组：组厚24.632. 4m,平均28. 7m,以浅黄色至浅 灰色粘土质粗砂为主，夹含砂粘土。典型土样密度192. lt/m3,压缩模量& 5 17. 7mpa,内摩擦角28. 6-37.5°，内聚力480kpa。v粘土及砂质粘土

10、夹砂层组：组厚4. 2611.00m,平均8. 32m,以浅灰色粘 土为主,夹含粘土粗砂。典型土样密度192. ot/m3,压缩模量9.018. 4mpa, 内摩擦角18. 535. 8° ,内聚力2779kpa。vi砂及粘土质砂与粘土层组：组厚33. 843. 8m,平均36. 47m,上部为灰绿 色粘土质中砂，中部为浅灰绿色含砂粘土及粘土质砂互层，底部为浅绿色至褐黄 色含砂粘土。典型土样密度192. lt/m3,压缩模量6. 624. 4mpa,内摩擦角19. 040.2°，内聚力2117kpao1.5水文地质条件太平煤矿井皿范围内断层等构造透水性较弱，3煤层顶板基岩中

11、砂岩含水性 微弱，对煤层开采不构成威胁，顶板砂岩水将随开采而逐渐疏干。上覆第四系松 散层按土层性质和富水性可分为上、中、下三组。如果不遭受人为破坏（如钻进 大口径供水深井等），中组是厚层相对隔水层组，能够较好地阻断上组与下组的 水力联系；而下组为浅灰色、灰绿色粘土、粘土质砂以及屮、粗砂砾层组成，砂 层与粘土层交互沉积，为富水中等的含水层。经太平煤矿8301工作面顺槽9个钻 孔放水情况统计，出水量一般540m7h.孑l, 9个放水钻孔总放水量240m3/h,平 均每个钻孔放水量26. 7m7ho经过长期抽放，钻孔水位降低至-72m以后不再明显 降低。显然，在薄基岩条件下，第四系下组含水层对3煤层

12、开采存在比较严重的 威胁，附近矿井曾因此含水层发生出水事故，造成重大损失。为了保证在安全条 件下尽可能多地回收煤炭资源，太平煤矿进行了卓有成效的研究，通过提前钻孔 放水，降低含水层水位，83011作面采用长壁垮落法开采，在采高l8ni的条件下, 开采上限提高，基岩厚度为11517m。口前，矿井在采用分层膏体充填条件下，8309工作面一、二分层及8311工作 面底分层开采取得了成功。1.6八采区疏放水工程由丁太平煤矿八采区第卩u系底部含水层富水性弱中等且很不均匀，按照 建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程的要求，为了保证 安全，采取了主动预防措施，对第四系底部含水层进行了疏降。太平

13、煤矿第四系下组共完成了 14次抽水试验，钻孔单位涌水量为0. 0391 0. 471 1/s.m,富水性中等,水质类型为重碳酸钙钠型,矿化度仅0. 423g/lo由 于矿井排水,水位普遍持续下降,原始水位埋深1.7m （1964年6月a41孔），2002 年12月30日水位埋深为11& 25m （99-3孔）,2003年11月20日水位埋深为126.31m （99-3 孔）。止式疏放水首先在靠近8301工作面的东大巷进行，8301上顺槽形成后，在 8301±顺槽进行疏放水，每天测量矿井的涌水量，同吋观测八采区长观孔的水位, 长观孔有99-2孔、99-3孔和00-7孔。从200

14、2年5月开始在东大巷施工放水孔8个， 8301上顺槽有24个，8302工作面18个，放水量为468m7h；到2002年12月底，99-3 孔水位降至-119. 25m, 99-2孔降至t18. 12m, 00-7孔降至t18. 09m。太平煤矿底含井下疏放过程中，取得了井下疏放孔涌水量和地面长观孔水位 观测的大量数据。4个长观孔水位呈现比较一致的变化规律，水位埋深从2002年4 月的105m降至2004年3月的126m,降深达到21m。而井卜涌水量在2003年6月前基 本稳定，以后随放水孔增多，疏水量不断加大，2004年2月最大达1000m7h,后 因八采区部分工作面回采完毕关闭部分放水孔，汹

15、水量有所下降。2007年10月， 01-1水位上升至-121.85m, 00-7升至-122. 70m,水位趋于稳定,疏水量200m7ho2八采区充填技术小结及8309膏体充填工作面三、四分层开采的必要性2.1八采区充填开采技术小结八采区已采用膏体充填技术进行充填开采的工作面有8309工作面一、二分 层及8311工作面底分层，8307上分层工作面正在开采。2. 1. 1 8309工作面一、二分层8309 二分层工作面走向长400m,倾向宽180m,分层采厚2.2m,总采 厚4.4m。从2006年5月份开始冋釆，共釆出煤炭44. 77万t。8309工作面为一单斜构造，煤层走向6388°

16、,煤层倾角06。，平均3。， f09-1断层走向342° ,倾角4070° ,落差h = 35. 5m,回采过程中采取了 相应措施过断层，没有发生冒顶及溃水、溃砂等现象。8309充填工作面水文地质条件简单，上方岩柱11. 437.4m,基岩标高 -104. 14-127.1m,底粘土厚03叽第四系下组含水层及粘土隔水层厚度不稳 定，为屮等偏弱含水层。由于采煤工作面采用充填法管理顶板，对上部含水层波 及影响不大。一、二分层工作面上顺槽及工作面靠近上顺槽30m左右，有25nv7h 顶板淋水，其它区域均无淋水。根据残余测点观测资料，8309膏体充填工作面一、二分层开采后，地表最

17、大下沉值1154mm o根据8309工作面充填体欠接顶量观测记录表可以看出，工作面充填效果较 好，工作面充填体欠接顶量平均在60mm左右。2. 1.2 8311工作面底分层8311工作面位t 8309充填工作面浅部，工作面长1020m,宽122m,分层采 厚2. 2m。2007年3月份开始回采，2009年2月22日冋釆结束，共采出煤炭32.4 万t。8311充填工作面为一单斜构造，煤层走向27115°,煤层倾角08。，平 均2。，工作面构造简单，断层不甚发育，共有3条断层:f11-1断层走向345° , 倾角80° ,落弟ii=l8m； f11-2断层走向5。，倾

18、角70° ,落差ii = 7m； f09-1 断层走向342° ,倾角4070° ,落差11 = 35.5m。冋采过程中采取了相应措 施过断层，没有发生冒顶及溃水、溃砂等现象。8311外段底分层充填工作面水文地质条件简单，上方岩柱5. 133. 3m,基 岩标高-104. 7-120.5m,底粘土厚05.4mo第四系下组含水层及粘土隔水层 厚度不稳定，为小等偏弱含水层。由于采煤工作面采用充填法管理顶板，对上部 含水层波及影响不大。回采过程中工作面顶板没有出现淋水现象，靠近下顺槽老 塘区有03m7h的涌水。经观测，8311膏体充填工作而底分层开采后，地表最大下沉量6

19、80mmo根据8311工作面充填体欠接顶量观测记录表可以看出，工作面机尾段充填 效果较差，统计工作面充填体欠接顶量平均小于200mmo2.2 8309膏体充填工作面三、四分层开采的必要性由于矿井3煤层8309 一、二分层和8311底分层膏体充填工作面已开采结束, 3煤层只有8307上分层膏体充填工作面作为新的接续工作面。根据矿井3煤层 资源储量分布、开采综合条件及巷道布置实际，8309 x作面三、四分层是最佳 的接续工作面。为保证矿井的稳定生产，充分冋收国家宝贵的煤炭资源，在保证 矿井生产安全的前提下，接续开采8309膏体充填工作面三、四分层是非常必要 的。太平煤矿膏体充填开采实践表明：（1）

20、8309充填工作面上分层和二分层， 在无粘土层、基岩最小厚度11.4m地段，第四系松散含水层下采煤取得了成功；（2） 8311膏体充填工作面底分层，在无粘土层、基岩厚度5.1m地段（顶煤厚 度6m左右）第四系松散含水层下采煤取得成功。8309充填工作面三、四分层的 基岩厚度在原有条件下增加了 4.4m的膏体充填体，釆用膏体充填开采该面三、 四分层可以有效防止第四系底部含水层水害威胁。3八采区水文地质条件勘查3.1钻探资料分析及疏放水情况钻探资料分析为了查清八采区地质及水文地质条件，在八采区地面共施工了 11个钻孔， 基本掌握了八采区的地质及水文地质条件。在八采区采煤工作面准备及回采过程中，在井

21、下施工了大量的探查孔及第四 系底含放水孔，其中：8309膏体充填工作面施工探查孔11个，8311膏体充填工 作面施工探查孔12个；2009年4月在八采区8309工作而下顺槽施工了穿透第 四系底含的探查孔1个。2002年5月后，东大巷施工放水孔8个，8301工作面 施工放水孔24个，8302工作面施工放水孔18个。根据上述地质工作，查清了八采区3煤层顶板基岩厚度分布、第四系底粘厚 度分布、3煤层赋存条件等基木资料，基本查明了第四系底含的水文地质结构。八采区底粘等厚线图见图22 （附图1）。图2-2八采区底粘等厚线图八采区基岩面等高线图见图23 （附图2）。15.3k830917.85k3.9k4

22、.2k13k 3/h31.74k3k 3/h8309 8311830783094瞬©膏燼兖填工作面三回分层的墓本条絆分层概况840086006800900084009100860086008°0086008800900091008500y8t1. 10! *i ici*ft «ti4ibh2ccy. 03»it x hr1:2000济宁矿业绝团人平煤矿83091伽探测怙孔平山询邻近工作画囲蘿情况4 t3地o造4.l5水袁地质4o 2 8309 工作圜廳含东文地艇结构分新8309199-2 99-12000-22-598-6483092-7830911.09k7.85k2.1k3.9k1.5k4.2k213k ?/h230.24k3k 3/h30.24k33k 3/h930815ol2棗煤工艺与充塡工碧膏体窕燻地面工艺緊统135.l4充填设备及布置方式5o l 5©工作面充填工艺