李瑞兴
（晋能控股煤业集团忻州窑矿，山西 大同 037036）
忻州窑矿8318 工作面走向长度为1290 m，倾斜工作面长度为203 m，工作面煤层厚度1.5～2.3 m，平均1.76 m，煤层倾角6°～10°，平均7°。顶底板条件见表1。
表1 8318 工作面顶底板条件
1.1 充填材料的选择
结合目前煤矿无煤柱充填采煤工艺中常采用的充填材料的类型，并综合考虑8318 工作面的地质条件，拟采用高水速凝材料为充填材料，该材料具有强度高、胶结性能好、支撑力大以及适应一定变形的优势[1]。
高水速凝充填材料在实际应用中对应的输送和混合工艺相对复杂，尤其是对浆料凝结速度的控制尤为重要，直接影响充填材料的运输成本和最终的充填效果[2]。根据工作面实际地质条件和输送条件确定合理的充填材料的配比十分重要。
1.2 充填材料的配比
本工程所需的高水速凝充填材料采用以硫铝酸盐水泥熟料为基础原料，并在其中加入一定比例的石灰、悬浮剂、复合缓凝剂、石膏等配料后制备而成[3]。在前人研究的基础上，可以得出不同高水速凝充填材料水灰比下，最终所得高水速凝充填材料的特性及其适用范围见表2。
表2 不同配比高水速凝充填材料属性及应用范围
根据表2 不同配比下高水速凝充填材料的属性，并结合8318 工作面地质条件，本工程采用高水速凝材料水灰比小于2:1 的充填材料[4]。综合考虑充填材料的制备成本，初步确定采用高水速凝材料水灰比为1.5:1 的充填材料，并在实验室中验证上述充填材料是否适用于工作面的应用。实验结论表明：
（1）当高水速凝材料水灰比为2:1 时，对应的充填材料的残余强度为4.6 MPa；
当高水速凝材料水灰比为1.5:1 时，对应的充填材料的残余强度为3.7 MPa，可满足充填强度要求。
（2）对应的高水速凝材料水灰比为1.5:1 时，对应所得充填材料的初凝时间为10 min，在12 h 内均可采用泵体进行输送，从而解决长距离的输送要求。
2.1 充填采煤工艺
充填采煤工艺是将提前配比的充填体采用注浆泵和输送管路运输至工作面采空区，使得充填体与原巷共同形成一个可对工作面围岩进行有效控制的“人工煤柱”[5]。工作面充填后的效果如图1。
图1 工作面充填效果示意图
为与当前工作面综合机械化采煤工艺的效率相匹配，实现工作面的机械化充填也势在必行[6]。因此，本工程将采用机械化原巷充填方式取代传统人工充填方式，达到提高充填效率和效果的目的。
（1）充填设备的选型。高水速凝充填设备选型的主要依据为其充填速度与工作面的推进速度相匹配。目前，工作面每天最大推进速度为6 m，工作面断面的平均面积为10 m2。可以得出，工作面在一天正常推进过程中，理论所需充填材料的体积为600 m3；
在“三八”工作制度下，每班所需充填材料的体积为200 m3。但是，在实际生产中，每班工作时间还包括清理设备和维护检修的时间，按照每班实际工作时间4 h 计算，则要求充填设备每小时输送充填材料的体积为50 m3。同时，综合考虑充填设备80%的充填效率，则对应所需充填设备的额定输送能力不得小于62.5 m3/h。
（2）充填管路系统设计。在充填泵的作用下，将充填材料分两条输送管路进行输送[7]。为保证输送的平稳性，所布置的输送管路具备一定的抗压能力，本工程采用高压软管进行输送。同时，管路在安装时，为了减少输送过程中的阻力，应尽可能地避免弯头、阀门等元件的使用，避免在输送管路上形成死角。结合8318 工作面的现场条件，设计对应的输送充填管路如图2。
图2 充填材料输送管路系统
2.2 充填采煤工艺的实施工艺
充填采煤工艺需要融合机械化采煤工艺中，对应工艺流程为：采煤机截割煤层—移液压支架—将充填模箱和支模安装在预设位置—配比充填材料—启动充填—完成充填任务—移出超前支护液压支架—采煤机截割煤层。本工程中，除了配套核心的充填泵外，还需要自动拆包卸料机、充填模箱以及超前液压自移液支护支架作为辅助设备。根据8318工作面的现场条件，关键核心设备的选型结果见表3。
表3 充填采煤工艺核心设备选型
3.1 工作面围岩支承应力对比
对8318 工作面未充填高水速凝材料和充填高水混凝充填材料两种情况下巷道围岩的超前支承压力进行测量。测定结果如下：
工作面未充填高水速凝材料时，在实际开采中对应的超前支承应力峰值为44.2 MPa，应力集中系数为1.46。工作面充填高水速凝材料后，在实际开采中对应的超前支承应力峰值为39MPa，应力集中系数为1.15。8318 工作面采用充填采煤工艺后，工作面围岩的最大支承应力减小5.2 MPa，对应的应力集中系数降低0.31。
3.2 工作面围岩控制效果
对未充填和充填高水速凝材料后，随着工作面推进对应顶底板的移近量进行对比，对比结果见表4。
表4 工作面顶底板位移量对比 mm
如表4 所示，8318 工作面采用充填采煤工艺后，工作面围岩的顶底板移近量减小近160 mm，起到了明显的支护效果。
3.3 生产效果
机械化充填采煤工艺可极大地解放现场劳动力，减少工作人员的劳动强度。其中，在上料机的作用下，作业人员的数量由原15 人减少为3 人；
采用超前液压支护支架取代单体挑棚进行支护，作业人员的数量由原10 人减少为3 人；
在充填模的作用下，充填作业人员由4 人减少为1 人。参与充填工艺的人数由29 人减少为7 人。
实践表明，8318 工作面采用充填采煤工艺后，采煤机日产最大为9刀，每个月工作面推进约160 m，煤炭产量为15 万t。
（1）采用高水速凝材料，结合工作面的地质条件，确定水灰比为1.5:1，可满足充填强度要求。
（2） 结 合8318 工 作 面 生 产 能 力， 配 套ZBYSB-90/15 充填泵完成充填材料的输送，同时为其配套自动拆包卸料机、充填模箱以及超前液压自移液支护支架等设备提高充填效率。
（3）充填采煤工艺在8318 工作面应用后，工作面的围岩变形得到有效控制，顶底板移近量减少近160 mm，同时，工作面围岩的最大支承应力减小5.2 MPa，应力集中系数降低0.31。
（4）机械化充填采煤工艺可极大地解放工作面的劳动力，总的参与充填工艺的人数由29 人减少为7 人，对应的每个工作面推进尺度可达160 m，产量高达15 万t。
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