王莊礦矸石混凝土間隔充填連續(xù)采煤工藝研究

魏小東

(潞安環(huán)能股份公司王莊煤礦，山西長治 046031)

王莊煤礦經(jīng)過四十多年開采，煤炭資源已經(jīng)成為制約該礦長遠(yuǎn)發(fā)展的重要因素，開采“三下”壓煤［1］是有效解決該問題的主要方法之一，經(jīng)統(tǒng)計(jì)，目前王莊礦3號煤層三下壓煤共有21個塊段，總儲量6 193.4 萬 t。矸石混凝土充填采煤［2，3］是將矸石、水、水泥及添加劑以一定的比例混合，利用混凝土輸送泵充填到采空區(qū)，待混凝土凝固后形成支撐覆巖的結(jié)構(gòu)體系，從而控制覆巖下沉，實(shí)現(xiàn)安全開采三下壓煤。本文根據(jù)王莊煤礦煤層賦存條件及頂?shù)装鍘r石物理力學(xué)性能，提出了利用矸石混凝土間隔充填，連續(xù)采煤機(jī)短壁機(jī)械化［4，5］開采三下壓煤的采煤方法。

1 采煤系統(tǒng)

1.1 巷道布置

工作面膠帶順槽與軌道順槽沿大巷垂直布置，兩條順槽間留聯(lián)絡(luò)巷，順槽間留15 m煤柱。在區(qū)段內(nèi)順槽將工作面分為左右兩翼，工作面寬度可根據(jù)實(shí)際開采條件確定，考慮到通風(fēng)條件一般單翼開采不超過150 m，雙翼開采不超過300 m，走向長度不受限制，煤房沿著順槽聯(lián)絡(luò)巷方向向左右兩翼布置，也可單翼布置，煤房長度不超過150 m，寬度為5 m，高度根據(jù)履帶行走式液壓支架的支撐高度確定為5 m，煤房間的煤柱寬度為10 m～15 m。順槽和煤房均采用矩形斷面，寬5 m，采用樹脂錨桿支護(hù)。開采及充填巷道布置見圖1。

1.2 采煤方法

采用旺格維利采煤法，首先開采煤房(圖1中A巷)，煤房高為煤層厚度，寬為5 m，樹脂錨桿支護(hù)，煤房間留煤柱，寬度為10 m～15 m，王莊礦3號煤的平均厚度為6.5 m，煤房的高度較大，所以在開采煤房時可分層開采，先開采上分層，采高3.5 m，并對煤房進(jìn)行支護(hù)，然后開采下分層，采高3 m。當(dāng)煤房掘進(jìn)到設(shè)計(jì)位置以后，開始用矸石混凝土充填系統(tǒng)充填煤房，充填完兩個煤房后，后退回收兩個煤房間的煤柱。

圖1 開采及充填巷道布置圖（單位：m）

回收煤柱時需要在煤柱中間重新開掘煤房(圖1中B巷)，樹脂錨桿支護(hù)，此時煤房的高度根據(jù)履帶行走式液壓支架的最大支撐高度確定，煤房高度為5 m，當(dāng)煤房掘進(jìn)到位后，開始回收兩側(cè)煤柱，采用雙側(cè)回收。連續(xù)采煤機(jī)從煤房內(nèi)兩側(cè)依次以45°角斜切進(jìn)刀回收煤柱，斜切進(jìn)刀深度決定于所留煤柱的寬度，如采用煤柱寬度為15 m，除去中間新掘煤房寬度5 m，兩側(cè)各剩余5 m的煤柱，此時則斜切進(jìn)刀深度為7 m，寬度為3.3 m，連續(xù)采煤機(jī)每回收一刀，兩臺履帶式液壓支架邁步后退，及時支護(hù)交點(diǎn)處的空頂面積。回收煤柱時工作面及設(shè)備布置見圖2。

圖2 煤柱回收方式及設(shè)備布置圖

1.3 頂板管理

采用履帶行走式液壓支架支護(hù)交叉點(diǎn)區(qū)頂板，采空區(qū)煤柱除連續(xù)采煤機(jī)切割死角的三角煤柱不能回收外，煤房內(nèi)的絕大部分煤柱將會被回收，直接頂為泥巖，強(qiáng)度低，因而直接頂將隨采隨冒，老頂會在充填的條帶狀矸石混凝土支撐下保持穩(wěn)定。

1.4 采煤工作面設(shè)備選型

1)采煤機(jī)。依據(jù)王莊煤礦煤層的賦存條件，選用美國九益公司12CM27連續(xù)采煤機(jī)，該機(jī)型主要技術(shù)特征如下:采高2.6 m～5.5 m;生產(chǎn)能力15 t/min～27 t/min;總裝機(jī)功率459 kW;截煤滾筒:寬度3.3 m，直徑915 mm;裝載機(jī)構(gòu)形式為扒爪式;自重55.384 t。

2)履帶行走式液壓支架。履帶行走式液壓支架主要隨連續(xù)采煤機(jī)跟機(jī)工作，對頂板及時支護(hù)，為采煤設(shè)備及人員提供安全的作業(yè)空間。通過對技術(shù)參數(shù)的比較，選用太原煤科院研制的XZ7000/25.5/50型履帶行走式液壓支架兩臺。

3)梭車。采用SC15/182型梭車兩臺，作為運(yùn)輸設(shè)備與連續(xù)采煤機(jī)配套使用，該機(jī)型主要適用于礦井邊角煤回收、殘采煤回收、三下采煤等不適合進(jìn)行長壁工作面開采的區(qū)域，同時也可作為巷道快速掘進(jìn)的配套運(yùn)輸工具。

2 充填系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

充填系統(tǒng)由矸石破碎系統(tǒng)、攪拌系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和防塵系統(tǒng)構(gòu)成。充填系統(tǒng)見圖3。

圖3 充填系統(tǒng)圖

2.2 充填工藝

1)煤房充填工藝。當(dāng)煤房掘進(jìn)到位后進(jìn)行充填。矸石混凝土在膠結(jié)凝固的過程中會出現(xiàn)體積收縮的現(xiàn)象，充填高度越高，矸石混凝土凝固后收縮量就越大，這會嚴(yán)重影響充填的質(zhì)量，而且一次充填高度過高，也會增加充填施工的難度。所以為了提高充填質(zhì)量，充填煤房采用分層充填:首先充填下分層，一次充填高度為4.0 m，充填長度可根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況確定，等下分層的充填完成后，再充填上分層，充填高度2.5 m，但要注意上下兩個分層之間充填間隔時間不能小于7 d，因?yàn)榛炷猎谀痰那? d內(nèi)，強(qiáng)度會達(dá)到其強(qiáng)度的80%左右，收縮變形也會完成總變形的80%～90%。

2)充填接頂工藝。充填接頂質(zhì)量的好壞直接決定了上覆巖層的變形，所以這是整個充填過程中最重要的一項(xiàng)工序，用以下工藝措施來保證充填體的接頂質(zhì)量:在充填煤房上分層時，緊貼煤房頂板，在頂板中間預(yù)留一路注漿管，等煤房上分層充填完畢并等混凝土初凝時間達(dá)到7 d后，用預(yù)留的注漿管對充填體收縮后產(chǎn)生的間隙進(jìn)行注漿。通過這一工藝就可防止充填體欠接頂而影響充填效果。

3 結(jié)語

利用煤矸石制備矸石混凝土進(jìn)行充填開采，是一種礦產(chǎn)資源綠色開采方法，既解決了環(huán)境問題，又提高了煤炭資源采出率，是采煤技術(shù)的發(fā)展方向，本文提出了一種矸石混凝土間隔充填并使用連續(xù)采煤機(jī)進(jìn)行開采的采煤方法，該法用充填體支撐煤層上覆巖層控制其下沉，并利用連續(xù)采煤機(jī)機(jī)動性能好的特點(diǎn)來開采充填體之間的煤，是一種回采率高、機(jī)械化程度高的采煤工藝。

［1］張華興，郭惟嘉.“三下”采煤新技術(shù)［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.

［2］劉同有.充填采礦技術(shù)與應(yīng)用［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2001.

［3］孫恒虎，黃玉誠，楊寶貴.當(dāng)代膠結(jié)充填技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2002.

［4］胡炳南，張玉卓，王明立.連續(xù)采煤機(jī)房柱式分層開采厚煤層技術(shù)研究［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2000，28(10):46-48.

［5］魏學(xué)全.星村煤礦連續(xù)采煤機(jī)房柱式開采設(shè)計(jì)探討［J］.煤礦現(xiàn)代化，2004，61(4):53-55.