充填采煤法水体下采煤技术研究

PAGEPAGE1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5.23～9.8m，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。为了解放水体下所压资源储量，充分提高煤炭资源的回收率，延长矿井服务年限，太平煤矿自2002年底开始，开展了膏体充填开采新技术的试验研究，取得了薄基岩第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月底正式开始，2006年4月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月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1.1采区位置及地形地貌1.1.1采区位置八采区位于太平井田东北部，采区西部以F3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）两点连线到F3断层与田庄井田相邻。1.1.2地形地貌采区地面分布有泗河河道和漫滩，还分布有谢家口村，其余为农田。八采区范围内地貌单元属河湖冲积相沉积，地势相对比较平坦。泗河由东向西流经采区中部，河床标高+39.5m左右，河漫滩标高+43m左右，堤坝外地面标高+41.5m左右。采区范围内泗河河床水道宽40～60m，一般雨季洪水淹至河漫滩，枯季常出现断流，具明显的季节性特征。泗河大坝坝顶标高+46～+47m。1.1.3泗河概况泗河由北而南流经本井田注入南阳湖，其中在本区谢家口村北部为东西流向，在刘家庄西北转向为南北向；区内河宽0.80～1.2km，最大流量3380m3/s。1926年在谢家口溃堤，发生水患，洪水泛滥；自1958年以来泗河上游大力修筑水利工程，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西组3煤层，煤层平均厚度8.83m。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工作面岩石力学参数试验情况，3煤层RQD=22%，抗压强度8.5MPa，抗拉强度0.5MPa，弹性模量1300MPa，泊松比0.29。八采区为一宽缓的向斜构造，主要有谢家口向斜，向斜轴呈北东向，由谢家口村东向两端倾伏，西部被F3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，与第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161.5～211.5m，第四系表土层厚147.00～166.15m，平均154.91m，一般150～160m，第四系底界标高在-110m左右，一般煤层顶板基岩厚度15～50m，基岩上部与第四系接触部分存在风化带，风化带厚度2.41～28.39m，平均13.63m，其中强风化带厚度0.2～14.58m，平均4.81m；弱风化带厚度0.21～18.99m，平均8.82m。PAGEPAGE253煤层直接顶板为粉砂岩或泥岩，厚度2～3m，个别点有炭质泥岩伪顶，老顶为中细砂岩，厚10～26m。根据8304工作面试采报告，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、细砂岩大部分已风化，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第四系松散层条件八采区范围内3煤层上覆第四系松散层厚度147.00～166.15m，平均154.91m，一般150～160m，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，从地表向下可以分为：Ⅰ粘土夹砂层组：组厚30.3～44.4m，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，其中砂粒分布不均，颗粒从粉砂粒到粗砂粒均有。典型土样密度1.9～2.1t/m3，压缩模量8.5MPa，内摩擦角13.2°,内聚力59kPa。Ⅱ砂及粘土互层组：组厚21.5～34.0m，平均27.6m，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2.0t/m3，压缩模量10.8MPa，内摩擦角13.8°,内聚力51kPa。Ⅲ砂质粘土夹砂层组：组厚15.2～20.8m，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24.6～32.4m，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1.9～2.1t/m3，压缩模量8.5～17.7MPa，内摩擦角28.6～37.5°,内聚力4～80kPa。Ⅴ粘土及砂质粘土夹砂层组：组厚4.26～11.00m，平均8.32m，以浅灰色粘土为主，夹含粘土粗砂。典型土样密度1.9～2.0t/m3，压缩模量9.0～18.4MPa，内摩擦角18.5～35.8°,内聚力27～79kPa。Ⅵ砂及粘土质砂与粘土层组：组厚33.8～43.8m，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1.9～2.1t/m3，压缩模量6.6～24.4MPa，内摩擦角19.0～40.2°,内聚力2～117kPa。1.5水文地质条件太平煤矿井田范围内断层等构造透水性较弱，3煤层顶板基岩中砂岩含水性微弱，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、粘土质砂以及中、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5～40m3/h.孔，9个放水钻孔总放水量240m3/h，平均每个钻孔放水量26.7m3/h。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，8301工作面采用长壁垮落法开采，在采高目前，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于太平煤矿八采区第四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0.0391～0.471l/s.m，富水性中等，水质类型为重碳酸钙钠型，矿化度仅0.423g/l。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118.25m（99-3孔），2003年11月20日水位埋深为126.31m（99-3孔）。正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上顺槽进行疏放水，每天测量矿井的涌水量，同时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2002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468m3/h；到2002年12月底，99-3孔水位降至-119.25m，99-2孔降至-118.12m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。而井下涌水量在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1000m3/h，后因八采区部分工作面回采完毕关闭部分放水孔，涌水量有所下降。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200m2八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。2.1.18309工作面一、二分层8309一、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月份开始回采，共采出煤炭44.77万t。8309工作面为一单斜构造，煤层走向63～880，煤层倾角0～6°，平均3°，F09-1断层走向342°，倾角40～70°，落差H＝3～5.5m，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11.4～37.4m，基岩标高-104.14～-127.1m，底粘土厚0～3m。第四系下组含水层及粘土隔水层厚度不稳定，为中等偏弱含水层。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2～5m3/h顶板淋水，其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，地表最大下沉值1154mm。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。2.1.28311工作面底分层8311工作面位于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日回采结束，共采出煤炭32.4万8311充填工作面为一单斜构造，煤层走向27～1150，煤层倾角0～8°，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°，落差H＝1.8m；F11-2断层走向5°，倾角70°，落差H＝7m；F09-1断层走向342°，倾角40～70°，落差H＝3～5.5m。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。8311外段底分层充填工作面水文地质条件简单，上方岩柱5.1～33.3m，基岩标高-104.7～-120.5m，底粘土厚0～5.4m。第四系下组含水层及粘土隔水层厚度不稳定，为中等偏弱含水层。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0～3m3/h经观测，8311膏体充填工作面底分层开采后，地表最大下沉量680mm。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200mm2.28309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工作面三、四分层是最佳的接续工作面。为保证矿井的稳定生产，充分回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）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，采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工作面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煤层赋存条件等基本资料，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2-2（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2-3（附图2）。图2-3八采区基岩面等高线图根据井下施工的8309工作面1号底含结构及富水性探查孔及地面施工的钻孔资料知，第四系底含具有粘土、砂层及砾石等组成的复合结构。由新近井下施工的第四系底部含水层井下探查资料，第四系底含下部7.85m的含砾粗砂和3.9m的含砾粗砂均无水，而距煤层顶板31.74m（此处基岩厚度15.3m）的4.2m含砾粗砂初揭涌水量13m3/h，稳定涌水量3m事实上，在8309、8311和8307工作面探查底粘的探查孔均进入粘土层之上（或直接覆盖于基岩之上）的砂层均未见涌水现象，说明八采区北部西段底部砂层水早已被疏干，且与上部砂层水（即8309面底含1号探查孔的含砾粗砂含水层）没有水力联系。48309膏体充填工作面三、四分层的基本条件4.18309工作面三、四分层概况图2-68309工作面布置平面图4.1.1地面相对位置及邻近工作面开采情况表2-11地面相对位置及邻近采区开采情况表水平名称-190m采区名称八采区地面标高+39～+43m井下标高-123.9～-164m地面的相对位置及建筑物地面为泗河河道及河漫滩。井下位置及掘进地面设施的影响工作面井下位于八采区，F09-1断层以西，8307工作面以北，8311工作面以南。工作面上方是泗河河道及河漫滩，本掘进工作面受地面设施影响不大。邻近工作面开采情况8309底分层上顺与8309上分层上顺平面间隔19.3m，8309底分层下顺与8309上分层下顺平面间隔7.5m，F09-1断层与四分层切眼平面间隔8m。工程要求上顺槽沿充填体掘进，下顺槽掘进留2.2m顶煤。施工岩石性质全煤面长151m推进长度331.54.1.2煤（岩）层赋存特征870，下顶底板名称岩石名称厚度（m）岩性特征老顶中粒砂岩12～29灰白～黄褐色，大部风化，裂隙发育，含方解石、长石及黑色矿物，f=5～6直接顶充填体4.4煤层3煤层三、四分层4.4～4.7直接底粉砂岩或粘土岩0～3.6深灰色，不太稳定,粗粉砂结构，有波状层理，f=3老底中、细砂岩2.3～13灰色，层状，平行层理，水平层理，f=54.1.3地质构造本工作为一单斜构造，煤层倾向1770，煤层倾角0～5°，平均2°，本区构造简单。8309工作面三、四分层开切眼位于F09-1断层以西，故三、四分层内无断层。4.1.4储量计算地质储量：工作面面积为45238.8m2，煤层厚度取平均值4.7m，煤的容重1.34，则8309工作面三、四分层基础储量为28.49万t，可采储量27.07万t4.1.5水文地质8309工作面三、四分层绝对高程为-123.9～-164m，F09-1断层以西，8307工作面以北，8311工作面以南。8309底分层上顺与8309上分层上顺平面间隔19.3m，8309底分层下顺与8309上分层下顺平面间隔7.5m，F09-1断层与四分层切眼平面间隔8m。工作面上方是泗河河道及河漫滩，本工作面上方岩柱根据98-6钻孔推算基岩标高-104.14m，基岩厚度为19.76～59.86m，底粘土厚0～1.65m。第四系下组含水层及泥岩隔层厚度不稳定，为中等偏弱含水层。该区粘土沉积厚度变化较大，天然状态下具有良好的隔水性能。最大涌水量10m3/4.28309工作面底含水文地质结构分析综合分析8309工作面三、四分层开采区域附近钻孔（98-6、科4和8309工作面底含1号、99-2、99-1和2000-2）揭露的底含结构（图2-7）知，底含主要由含砾砂层、含砂粘土、粘土等组成。根据井下8309工作面底含1号探查孔知，第四系底部含水层自下而上（图2-5）依次为1.09m粘土、7.85m含砾粗砂（无水）、2.1m含砂粘土、3.9m含砾粗砂（无水）、1.5m粘土和4.2m含砾粗砂（稳定涌水量3m3/h）。钻探发现，第四系底含靠近第四系下部的2层砂层均无水，但煤层顶板上方30.24m以上的第3层砂层揭露初始涌水量13m3/h，稳定涌水量3m35.8309膏体充填工作面三、四分层水体下开采的安全性分析5.1采煤方法根据太平煤矿膏体充填开采实践证明，膏体充填开采技术为水体下采煤提供了新的技术途径，故8309工作面三、四分层开采仍沿用分层膏体全部充填法开采，以保证采动后顶板不垮落，严格限制裂缝带的发育高度，减轻对第四系含水层的影响，确保工作面开采不受第四系底含水的威胁。8309膏体充填开采三、四分层采煤工艺仍然选择分层开采、膏体充填采煤法，自上而下分层，顺序滞后开采，每分层开采厚度2.2m。5.1.2采煤工艺与充填工艺为提高膏体充填工作面的生产效率，加强工作面顶板管理，8309工作面三、四分层拟采用综合机械化采煤工艺。采煤工作面装备MG150/375-W型采煤机，配SGZ630/220型刮板输送机，选用专用充填液压支架支护顶板，支撑高度1600～2400mm。充填开采工艺为：在地面建立注浆站，用泗河砂、粉煤灰、专用胶结料和水配制成胶凝性膏体浆液，采用泵送设备通过管道把膏体充填料浆由地面泵送至井下采煤工作面，及时充填采空区，形成一个以膏体充填体为主体的支撑体系，膏体强度1.2～2.0MPa，以有效控制上覆岩层的移动和变形。本全采全充方案的基本特征是“地面造浆、充填泵加压、单管道输送，在顶板未垮落前充填全部采空区”。5.1.3太平煤矿膏体充填系统具体工艺流程，主要包括：物料准备、料浆制备、管道泵送、工作面充填等，如图所示。充填工艺系统流程框图物料准备与电力供应太平煤矿膏体充填料浆由泗河砂、电厂粉煤灰、胶结料和水配制而成，料浆质量浓度不低于80%。（1）河砂准备太平煤矿膏体充填使用的主要骨料为泗河河砂。目前采用的采砂设备有：（1）挖砂船，即江苏省水力制造总厂生产的CSLQY-40型清淤机，工作效率为54m3/h；（2）砂污泵1台，功率22kW，流量200m3/h，含固率小于40%。挖砂船使用砂污泵采挖的河砂通过管道输送到储砂场，在储砂场虑水后，再经胶带输送机运至充填站砂场备用。（2）胶结料准备太平煤矿膏体充填目前使用的蓝资特种水泥厂所生产的MT充填胶结料，在胶结料圆筒仓备用。（3）粉煤灰准备太平煤矿膏体充填目前使用的粉煤灰来自里彦电厂，由散装水泥罐车从里彦电厂运输到充填站，装入粉煤灰圆筒仓备用。（4）水准备在地面充填站内打2个水井保证充填所需用水。（5）电力供应充填站的电力由太平煤矿井下电网供应，井下6kV高压电由630变电所通过电缆钻孔进入充填站变电站，供充填站各用电设备。充填站目前未设备用电源，以后考虑地面农用电作为备用应急电源。料浆制备膏体料浆制备由德国施德达公司生产的搅拌系统完成，搅拌系统设计生产能力为160m3/h。搅拌系统主要由2套上料系统、2套称量系统、2台BHS2.25搅拌机、缓冲料浆斗、1台变频螺旋搅拌输送机、控制系统、除尘系统等组成。膏体浆料的制备由搅拌系统的自动控制系统自动完成配比。配料方式太平煤矿膏体充填配料涉及4种物料，包括河砂、粉煤灰、胶结料及水，这些物料的配料过程及其控制如下：（1）河砂定量供给：河砂供给子系统包括前装机、河砂缓冲仓、皮带称、倾斜皮带、中途仓。首先，堆场河砂由ZL-50P型前装机铲装到2个河砂缓冲仓。在配料过程中，在规定的时间范围内，先打开河砂缓冲仓出口给料器同时给料，到达到设计值90%时，保留1个给料器继续给料，直到达到设计值；称量完毕的河砂由倾斜皮带运送至充填楼第三层的中途仓。（2）胶结料定量供给：胶结料供给子系统包括圆筒料仓、破拱器、螺旋给料机、称量斗。在规定时间的配料过程中，首先启动破拱器，料仓螺旋给料机快速给料到称量斗，称量斗开始监视进斗物料质量，到达到设计值90%时，改为慢速给料，达到设计值前适当时间螺旋给料机停机，利用螺旋机惯性使所加物料正好达到设计值。（3）粉煤灰定量供给：粉煤灰供给子系统包括圆筒料仓、破拱器、螺旋给料机和称量斗。在配料过程中，待胶结料配料完成后，启动破拱器，料仓螺旋给料机快速给料到称量斗，称量斗开始监视进斗物料质量，到达到设计值90%时，改为慢速给料，达到设计值前适当时间螺旋给料机停机，利用螺旋机惯性使所加物料正好达到设计值。（4）水定量供给：水的供给子系统包括水泵、气动蝶阀、称量斗。在规定时间的配料过程中，同时打开上水管上的2个气动蝶阀，上水泵开始运转，水通过上水管道及气动蝶阀向称量斗内加水，到达到设计值90%时，关闭大口径蝶阀由小口径蝶阀继续向称量斗供水，水量加到设计值，关闭蝶阀，水泵停止供水。上述配料过程除每次第一次搅拌外，其它均是在搅拌机进行上一批次料搅拌的过程中完成，保证在搅拌机需要加料时，各种物料能够及时放入。物料搅拌太平煤矿充填站共有二级搅拌装置，一是充填料浆的一级搅拌，设备为BHSDKX2.25m3型周期式混凝土强制搅拌机；二是充填料浆的二级搅拌，设备为卧式螺旋搅拌输送机。周期式搅拌机搅拌制作充填料浆的过程是加料、搅拌、出料按周期性循环作业的过程。待上一批次的膏体料浆放出搅拌机并关闭卸料门后，打开中途仓、粉料称量斗的放料阀，把中途内的河砂及粉料称量斗内的胶结料、粉煤灰放入搅拌机；水称量斗内的水通过打开的底部气动蝶阀及搅拌机加水泵放入搅拌机。4种物料搅拌到设计搅拌时间后，打开搅拌机卸料门，把搅拌好的膏体料浆放入缓冲料浆斗。管道泵送制备完成的膏体充填料浆通过充填泵、干线充填管路、工作面充填管路及布料管泵送到工作面充填区。5.1.4充填设备及布置方式1、充填泵泵送设备为德国施维英公司生产KSP220V/EHS2000型工业泵，主要由充填泵及液压包组成，其主要技术参数：输送量5～150m3/h；最高泵送压力10MPa;最大输送量时泵送压力8MPa;整机质量12t。充填泵的操作工序为：先打开控制柜上的主开关，然后启动液压包，待缓冲料浆斗内的膏体充填料浆到设计料位后再开启充填泵泵送。充填管路充填管路由干线充填管路、工作面充填管路及布料管、三通、阀门等管路附件组成。干线充填管路由长春全鑫公司和西安中星公司生产，管道规格为Ф203×16mm，管道外层为外径203mm、壁厚8mm的无缝钢管，内层为厚8mm的耐磨层，管道内径为165mm。钢管间采用高压法兰连接。干线管路上每隔2节或3节钢管间安装1个三通，在地面钻孔弯管处及工作面下顺槽最高点处设有放气阀，在干线管路末端安装有DN150mm、PN64闸阀。干线管路通过管座固定。工作面充填管路由施维英公司生产，管道规格为Ф168×5mm的无缝钢管，钢管间采用快速连接件连接。工作面管路上每隔30m安装1个三通，每个三通上安装2个DN150mm、PN25闸板阀，并接1根布料管至充填区，布料管的规格与工作面管路相同。充填区临时支护与隔离墙支设太平煤矿膏体充填的充填步距为一般为2.0m，上一循环充填完成后，随着采煤工作面的继续推进应及时做好充填区的临时支护工作，并在充填前支设好充填区隔离墙。充填区临时支护的方式采用一梁二柱，即沿工作面推进方向布置，梁的一侧支撑在上循环充填体，另一侧点柱用单体液压支柱在隔离墙外沿隔离墙布置。临时支护梁长3000mm，尾梁为11号矿用工字钢。在充填之前，首先要在待充填区铺设充填编织袋，袋间压茬不得小于100mm。隔离墙由木背板、加强点柱等组成，塑料编织袋规格根据充填步距确定，紧贴悬移顶梁支架隔离板及后柱、临时支护尾梁靠工作面煤壁侧的单体支柱支撑。5.1.5（1）检查准备通过井上下检查、联系，确认系统正常，设备完好，设定好当班充填量以后，方可进入下一步工作。（2）泵送清水关闭通向工作面充填管路的闸阀，打开旁通闸阀，出口接下顺槽水仓，，地面利用搅拌机上水泵上水，干线管路容积约为23m3，为了便于计量，固定充填泵速度档位，专人记录泵水时间及泵送压力，工作面见水后，通知地面停泵，然后关闭下顺槽旁通闸阀。（3）灰浆推水停止泵水后，关闭水泵，搅拌系统准备搅拌灰浆。打开充填泵进料斗放料口，把二次搅拌机、充填泵进料斗内清水放尽；打开充填泵出口三通，放入清洗球；关闭充填泵进料斗放料口及充填泵出口三通。通知井下打开下顺槽旁通闸阀，工作面充填管路自下顺槽处第一根布料管做好充填准备，然后开泵进行灰浆推水，专人记录泵水时间及泵送压力。干线管路内的清水排到下顺槽水仓，再由水泵外排。待灰浆从下顺槽旁通闸阀流出后，打开下顺槽通向工作面充填管路的闸阀并关闭下顺槽旁通闸阀，使灰浆经工作面充填管路自下顺槽处第一根布料管充入充填区。（4）砂浆充填确认系统一切正常后，搅拌系统搅拌正常充填砂浆工作面正常充填由下顺槽端向上顺槽端充填。充填正式开始时，下顺槽侧工作面第一个转换阀接通旁路，第一根布料管从该阀旁路接口连接到第一个充填孔进行充填，同时准备第二个转换阀接通旁路，并在第二个转换阀连接好第二根布料管。第一个充填孔充填完成以后，使第一个转换阀接通直管部分，充填浆液即转而从第二根布料管充填采空区。在第二根布料管充填的同时，接通第三个转换阀接通旁路。如此重复，直到完成整个工作面待充空间充填的任务。在充填过程中，如果发现已经充填的区域出现明显不接顶的现象，可以部分打开该区域就近的布料管控制闸阀，进行必要的补充充填，确保充填体接顶质量和效果。为了保证充填系统运行正常，充填泵在运行时应有专人操作和监管，注意油温、润滑、冷却、泵压变化等，并根据搅拌系统的能力变化，随时可执行加速、减速等操作。井上下人员还应保持密切联系。（5）灰浆推砂浆当待充填区未充填空间仅剩25～30m3左右时，通知地面停止搅拌砂浆，开始搅拌灰浆。适当降低泵送速度，待缓冲浆斗及二次搅拌机内的砂浆快泵送完毕时，把细料浆放入缓冲浆斗，实行灰浆推砂浆。（6）管路、设备清洗待缓冲浆斗及二次搅拌机内的灰浆接近泵送完毕时，停止泵送。打开充填泵进料斗，把二次搅拌机、充填泵进料斗内余料放尽，清洗搅拌机、缓冲料浆斗、二次搅拌机、充填泵。清洗干净完毕后，关闭充填泵进料斗放料口，为清洗管路准备清水，开始泵送清水。泵送清水冲洗管路不少于5～10min，直到到排水管排出清水为止。清洗完成后可以打开沿线三通，检查清洗效果。整个充填过程结束。5.2八采区水体下采煤开采实践由于8309充填工作面三、四分层采高均为2.2m，采用膏体全部充填法管理顶板，而《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中没有适合膏体充填开采条件下导水裂缝带高度的计算公式（单层厚度1～3m），故采用太平煤矿实际的充填开采经验数据和探测资料进行对比分析。5.2.1全部垮落法开采实践太平煤矿在第四系含水层下采煤实践方面作了有效的探索。在8301工作面上分层和放顶煤开采范围内，底粘土厚度4～7m，在上分层和留设35m岩柱放顶煤开采过程中，导水裂缝带实际已波及第四系底部，但整个开采过程中未出现顶板涌水现象。在8303工作面开采过程中，开切眼附近顶板岩柱仅存10.6m，实际接近防塌煤岩柱尺寸，垮落带已经接近松散层底部，在初次来压时有6～7m3/h的涌水量，此处底部粘土层小于1m5.2.2膏体充填开采实践（1）8309上分层和二分层充填工作面，在无粘土层、基岩最小厚度11.4m地段，第四系松散层下采煤取得了成功。（2）8311底分层膏体充填工作面，在无粘土层、基岩厚度5.1m地段（顶煤6m左右）第四系松散层下采煤取得成功。5.3太平煤矿8311底分层膏体充填工作面覆岩导水裂缝带高度探测由于膏体充填开采顶板不垮落，只是产生缓慢下沉，《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》中没有适用的导水裂缝带高度计算公式。为此，在8311工作面底分层开采过程中，太平煤矿与山东科技大学合作进行“8311底分层膏体充填工作面覆岩导水裂缝带高度探测”研究，2008年5月6日～6月6日，共施工5.3.18311膏体充填工作面底分层观测工程布置为了有效地控制上山方向导水裂缝带的最大高度，在8311工作面的上顺施工观测钻窝A，设计一组钻孔，用于观测8311工作面膏体充填开采条件下的冒裂带高度。A钻窝距设计停采线的平距为12m，实际停采线距A钻窝平距为26m。工程布置平面图示于图4-1，各孔设计要素见表4-1。图4-18311底分层膏体充填表4-18311工作面上顺A钻窝观测钻孔要素表孔号孔径/mm方位角仰角孔深/m钻孔性质A-189128667.5采前（塌孔未完成测量）A-289112860采前A-38997860采后A-489128668.5采后A-589120670采后（回钻时塌孔）A-689105845.1采后5.3.2施工观测时间过程2008年5月5日采前对比观测钻孔A-1孔打成，5月6日采用上行分段注水观测法观测2008年5月12日采前对比观测钻孔A-2008年5月18日2008年5月20日，2008年6月5日，采后对比观测钻孔A-6孔打成，65.3.2导水裂缝带高度观测资料分析（1）采前A-2号钻孔观测结果分析（图4-2）孔深0~30m为3煤层层位段，孔深15~30m，漏失量除个别测点观测值稍小外，一般为11.0~12.0L/min，孔深31~55m孔段为粉砂岩或泥岩、中细砂岩。钻孔注水漏失量比较均衡在4.5~7.0L/min范围内变化。该段地层漏水特征表明3煤层顶板岩层原生裂隙和裂缝发育较图4-2A-2号钻孔分段注水漏失量观测成果图Q(L/min)图4-14108工作面A-1号钻孔分段注水漏失量观测成果图（2）采后A-3号孔观测结果分析（图4-3）Q(L/min)图4-14108工作面A-1号钻孔分段注水漏失量观测成果图A-3孔观测时，8311工作面距观测钻窝32m。孔深15~28m孔段为3煤层层位段，3煤层裂隙发育，注水漏失量大，一般为13.5~14L/min，与采前A-2孔观测结果相比基本相同孔深28~36m孔段的中细砂岩层位段，注水漏失量5~7L/min，与采前A-2孔结果比较，基本没有变化，说明该段地层受采动影响不明显，未产生明显的孔深36~40.6m孔段的中细砂岩层位段，注水漏失量有明显增大，漏失量达到7~10L孔深41~58m孔段，注水漏失量减小到4~5L/min，采动前后漏失量无大的变化，因而可以A-3孔实测导水裂缝带高度H裂=6.85m，该高度包含了3煤层未采残煤厚度图4-3（3）采后A-4号孔观测结果分析（图4-4）A-4孔观测时，8311工作面距观测钻窝28m。孔深15~32m孔段为3煤层层位段，3煤层裂隙以育，注水漏失量大，一般为12~14L/min，与采前A-2孔观测结果相比基本相同孔深33~40m孔段的中细砂岩层位段，注水漏失量6~8L/min，与采前A-2孔结果比较，变化较小，说明该段地层受采动影响不明显，未产生明显的孔深40~45m孔段的中细砂岩层位段，注水漏失量有明显增大，漏失量达到8~10L孔深45~62m孔段，注水漏失量减小到4~6L/min，采动前后漏失量无大的变化，因而可以A-4孔实测导水裂缝带高度H裂=6.9m，该高度包含了3煤层未采残煤厚度图4-4（4）采后A-6号孔观测结果分析（图4-5）A-6孔观测时，8311工作面已停采12天，距观测钻窝26m。孔深11~25m孔段为3煤层层位段，3煤层裂隙以育，注水漏失量大，一般为12~14L/min，与采前A-2孔观测结果相比基本相同孔深26~28m孔段的中细砂岩层位段，注水漏失量6~8L/min，与采前A-2孔结果比较，变化较小，说明该段地层受采动影响不明显，未产生明显的新生导水裂隙孔深29~38m孔段的中细砂岩层位段，注水漏失量有明显减小，漏失量一般为0~2L孔深39~41m孔段，注水漏失量又突然增大到9L/min，说明该段地层受采动影响较明显，产生了较明显的新生导水裂隙孔深41~45m孔段，注水漏失量又减少到2L/min以下，A-6孔实测导水裂缝带高度H裂=6.93m，该高度包含了3煤层未采残煤厚度图4-5A-6号钻孔分段注水漏失量观测成果图5.3.3结论通过对太平煤矿8311工作面底分层膏体充填条件下顶板覆岩导水裂缝带高度的探测研究，通过对现场的实际测试资料的分析，得出以下几点结论：（1）根据实测结果，太平煤矿3煤层采煤高度2.2m，在膏体充填法管理顶板条件下，导水裂缝带最大高度6.93m，裂高采厚比为3.15（2）除去3煤层残煤厚度，导水裂缝带在3煤层顶板岩层中的发育高度1.83m。而8311工作面顶板基岩的最小厚度为5.15m6.8309膏体充填工作面三、四分层水体下采煤安全性分析6.1对膏体充填工作面覆岩破坏的认识八采区3煤层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，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，但由于矿井附近深孔取水井的影响，使得上、下含水层存在一定的水力联系。八采区在开采过程中，对相关取水井进行了技术处理并对下组含水层进行连续疏放水，水量明显减少。8309工作面一、二分层和8311底分层工作面采用膏体充填法开采，开采过程中及开采结束后，没有出现明显的涌水现象，第四系底含下采煤取得了成功。经对井下探查孔资料分析知，8309、8311和8307工作面底含中的下部砂层均无水，说明该砂层水要么被疏干，要么是独立的水力单元，不富水。2009年4月8309工作面底含的1号探查孔验证了以往的结论。8311底分层膏体充填工作面导水裂缝带高度探测表明，其开采底分层后（2.2m）的导水裂缝带高度为6.93m，远小于全部垮落法开采裂缝带高度。6.28309工作面煤岩柱类型分析根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》第50条表4（见表4-2），8309膏体充填工作面三、四分层及8311工作面底分层上方第四系下组是留设安全顶板煤岩柱直接相关的含水层。根据8309工作面一、二分层的开采实践，该含水层富水性为弱含水层（探测知，第四系底含下部2层砂层不含水，第三层砂层含水但水量不大），采动等级为Ⅱ级，属于Ⅱ级第3种类型，即开采时允许导水裂缝带波及松散孔隙弱含水层水体，但不允许断裂带波及该水体，应该留设顶板防砂安全煤岩柱。表4-2矿区的水体采动等级及允许采动程度煤层位置水体采动等级水体类型允许采动程度要求留设的安全煤岩柱类型水体下Ⅰ1、直接位于基岩上方或底界面下无稳定的粘性土隔水层的各类地表水体2、直接位于基岩上方或底界面下无稳定的粘性土隔水层的松散孔隙强、中含水层水体3、底界面下无稳定的泥质岩类隔水层的基岩强、中含水层水体4、急倾斜煤层上方的各类地表水体和松散含水层水体5、要求作为重要水源和旅游地保护的水体不允许导水裂缝带波及到水体顶板防水安全煤岩柱Ⅱ1、底界面下为具有多层结构、厚度大、弱含水的松散层或松散层中、上部为强含水层，下部为弱含水层的地表中、小型水体2、底界面下为稳定的厚粘性土隔水层或松散弱含水层的松散层中、上部孔隙强、中含水