上海廟礦區(qū)長(zhǎng)城一礦“采、充、留”綠色開采技術(shù)研究

趙大勇，張磊鑫，張　蒼

（山東能源新礦集團(tuán)內(nèi)蒙能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯016200）

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上海廟礦區(qū)長(zhǎng)城一礦“采、充、留”綠色開采技術(shù)研究

趙大勇，張磊鑫，張蒼

（山東能源新礦集團(tuán)內(nèi)蒙能源有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古鄂爾多斯016200）

摘要：煤礦開采技術(shù)的進(jìn)步和完善始終是采礦學(xué)科發(fā)展的主題，而綠色開采又是煤炭開采的發(fā)展方向，對(duì)提高煤炭采出率、保護(hù)生態(tài)環(huán)境和實(shí)現(xiàn)煤礦可持續(xù)發(fā)展具有十分重要的意義。上海廟礦區(qū)長(zhǎng)城一礦將綜合機(jī)械化采煤、地面洗矸與原生矸石架后充填、墩柱沿空留巷三種開采技術(shù)綜合一體化應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了由垮落法、有煤柱開采方式向充填法、無(wú)煤柱連續(xù)開采方式的轉(zhuǎn)變，取得采煤工藝上的新突破，實(shí)現(xiàn)了集約高效、綠色開采。

關(guān)鍵詞：“采、充、留”并行；鉆孔溜矸；架后充填；墩柱留巷

隨著采煤工藝的進(jìn)步、綜合機(jī)械化開采設(shè)備的應(yīng)用、煤礦管理水平的提高，越來(lái)越多的新工藝得以實(shí)現(xiàn)。長(zhǎng)城一礦就礦山開采過(guò)程中如何實(shí)現(xiàn)資源開發(fā)效率最高、對(duì)生態(tài)環(huán)境影響最小，使企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益更加協(xié)調(diào)優(yōu)化進(jìn)行積極探索，通過(guò)聯(lián)合科研院所專門研制適合礦井生產(chǎn)條件的大采高、大阻力、六柱式高效ZC9900/20/38型充填液壓支架，自主研發(fā)了底卸式液壓自動(dòng)卸料充填刮板運(yùn)輸機(jī)和提高矸石堆積密實(shí)度的推移搗實(shí)機(jī)構(gòu)，與中國(guó)礦大合作研發(fā)了國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的鋼管混凝土墩柱作為留巷主體的沿空留巷支護(hù)體系，目前形成了“采、充、留”并行的一體化高效綠色開采技術(shù)。

1　“采、充、留”采煤工作面概況

長(zhǎng)城一礦第一生產(chǎn)水平1902S綜采充填工作面位于+920水平第二區(qū)段南翼，所采煤層為九層煤下分層。工作面南北走向長(zhǎng)510 m，東西傾斜寬度130 m,平均埋深266 m，煤厚平均3.5 m，煤層傾角26.4°，可采儲(chǔ)量33萬(wàn)t。九層煤下分層直接頂板為白色砂巖,厚0.3 m～2.0 m，基本頂為石灰?guī)r，厚2.0m～2.5 m；直接底板由北向南由灰黑色粉砂質(zhì)泥巖變?yōu)榛野咨凵皫r,平均厚度3 m。

2　“采、充、留”一體化開采技術(shù)

依靠科技進(jìn)步，積極推進(jìn)充填開采理論研究。同中國(guó)礦業(yè)大學(xué)深化了充填理論研究，在量化充填介質(zhì)特性、充填參數(shù)對(duì)于地表沉降的關(guān)系，部分充填與可控性下沉等方面進(jìn)行深入研究，努力為充填設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)。重點(diǎn)圍繞改善采場(chǎng)和巷道維護(hù)、提高采出率、加快生產(chǎn)循環(huán)、充填裝備等方面開展了技術(shù)研究。

2.1充填開采技術(shù)配套系統(tǒng)

矸石充填系統(tǒng)包括地面固體充填物料投放系統(tǒng)、井下矸石儲(chǔ)存運(yùn)輸系統(tǒng)、綜采架后充填系統(tǒng)三個(gè)子系統(tǒng)。

1）大垂深小孔徑固體充填物料直投系統(tǒng)—鉆孔溜矸。矸石直投系統(tǒng)中輸料孔深度為310 m，孔徑500 mm，全孔下入陶瓷襯壁鑄鐵耐磨套管，實(shí)現(xiàn)矸石的自重運(yùn)輸。地面處理系統(tǒng)不僅能夠處理礦井洗選矸石，還能處理地面建筑垃圾和其他固體廢物。地面矸石投放系統(tǒng)包括地面儲(chǔ)矸場(chǎng)、矸石輸料孔、建筑垃圾破碎機(jī)、矸石給料系統(tǒng)。地面儲(chǔ)矸場(chǎng)配備矸石處理破碎機(jī)、輸矸皮帶、鏟車以及井上下通訊系統(tǒng)，將地面矸石（或洗矸）進(jìn)行簡(jiǎn)單的破碎處理后，輸送到矸石輸料孔的進(jìn)料口。

2）井下矸石儲(chǔ)運(yùn)系統(tǒng)。該系統(tǒng)包括緩沖硐室、矸石破碎系統(tǒng)、+920水平矸石倉(cāng)、矸石運(yùn)輸皮帶。地面處理系統(tǒng)處理后的矸石以及其他材料經(jīng)過(guò)輸料孔，輸送到井下儲(chǔ)存運(yùn)輸系統(tǒng)，輸料孔落下的矸石經(jīng)緩沖硐室，儲(chǔ)存在+920水平矸石倉(cāng)中，矸石倉(cāng)直徑5.5 m，垂高11 m，有效容量208 t。后經(jīng)過(guò)給煤機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)到采區(qū)輸矸皮帶上輸送至充填工作面后部充填運(yùn)輸機(jī)。

掘進(jìn)工作面的原生矸石經(jīng)破碎機(jī)破碎后，進(jìn)入+920水平矸石倉(cāng)，然后一并經(jīng)矸石運(yùn)輸皮帶運(yùn)送至綜采充填工作面后部運(yùn)輸機(jī)進(jìn)行工作面充填。

3）自主研發(fā)特制綜采充填支架—架后充填。綜采架后充填系統(tǒng)裝備ZC9900/20/38型大采高、大阻力、六柱式充填液壓支架，裝備MG300/700-WD型雙滾筒采煤機(jī)、SGZ730/400型刮板運(yùn)輸機(jī)完成采煤、支護(hù)、充填工藝。

ZC9900/20/38型充填液壓支架為自主研發(fā)的大采高、大阻力、六柱式高效充填液壓支架，該支架四連桿機(jī)構(gòu)在前后立柱之間，從而簡(jiǎn)化了支架的結(jié)構(gòu)，既改善了支架后部工作條件，又具有足夠的通風(fēng)斷面和行人空間。四個(gè)立柱支撐在前頂梁上，另兩個(gè)立柱支撐在后頂梁上，使后頂梁具有較大的支頂力。

自行研制SGZ630/264型充填運(yùn)輸機(jī)為底卸式充填刮板運(yùn)輸機(jī)，通過(guò)吊掛的方式懸掛在充填支架的后尾梁上，該運(yùn)輸機(jī)配備底部開有卸料槽的中部槽，卸料槽通過(guò)液壓支架提供的高壓液體，帶動(dòng)油缸實(shí)現(xiàn)卸料槽的開啟和關(guān)閉，從而實(shí)現(xiàn)矸石的下落、充填。為解決充填溜頭處矸石堆積、充實(shí)率低的問題，在充填運(yùn)輸機(jī)溜頭處增設(shè)了推移搗實(shí)機(jī)構(gòu)，利用油缸推動(dòng)鏟板，將溜頭處堆積的矸石推向采空區(qū)側(cè)，提高了溜頭處的矸石堆積密實(shí)程度，提高了留巷段的護(hù)巷效果。

自主研發(fā)的大采高、大阻力六柱支撐式充填配套設(shè)備聯(lián)合試運(yùn)轉(zhuǎn)的成功，適應(yīng)了厚煤層采煤工作面高效充填的需求，實(shí)現(xiàn)了同一支架系統(tǒng)充填與采煤并行作業(yè)，工作面年生產(chǎn)能力達(dá)到90萬(wàn)t以上。

2.2鋼管混凝土墩柱沿空留巷無(wú)煤柱開采技術(shù)——墩柱留巷

沿空留巷支護(hù)系統(tǒng)采用國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的鋼管混凝土墩柱做為留巷的主體，輔助配合混凝土灌注、巷旁加強(qiáng)支護(hù)和采空區(qū)側(cè)擋風(fēng)護(hù)幫措施，形成完善的留巷體系。

鋼管混凝土墩柱沿空留巷技術(shù)是與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)聯(lián)合研發(fā)的一種新型的留巷技術(shù)。采用鋼管混凝土墩柱進(jìn)行支護(hù)，墩柱外側(cè)堆砌3排裝填矸石的袋子至頂板，共同承擔(dān)頂板壓力，還可以阻擋采空區(qū)的有害氣體和涌水進(jìn)入留巷空間。鋼管混凝土墩柱是在空鋼管中充填混凝土制作而成的，采用φ299 mm×6 mm的普通無(wú)縫鋼管，鋼管長(zhǎng)度依巷道高度確定，鋼管底部焊接注漿口，上沿切直徑30 mm的半圓排氣孔；鋼管殼起約束作用，使混凝土處于三向受壓狀態(tài)，從而使夾心混凝土具有更高的抗壓強(qiáng)度，內(nèi)填混凝土與鋼管管殼共同承受軸向壓力。為防止墩柱因承受壓力過(guò)大插入底板，墩柱放置于規(guī)格為500 mm×500 mm×10 mm的柱鞋上，柱鞋上焊接四塊角鋼，限制墩柱在托盤上的移動(dòng)。因?yàn)殇摴芑炷炼罩鶠閯傂灾ёo(hù)，在墩柱頂部與頂板之間墊兩塊楔形木塊，起讓壓作用。

鋼管混凝土墩柱可多次使用，采用鋼管混凝土墩柱支護(hù)沿空留巷有支撐力大、穩(wěn)定性好、施工速度快、經(jīng)濟(jì)合理等優(yōu)點(diǎn)。

3　高效充填留巷工藝實(shí)施技術(shù)成果

3.1充填效果分析

1902S綜采充填工作面采高3.5 m，充填高度2.8 m，充實(shí)率可達(dá)80%，經(jīng)過(guò)地表沉降觀測(cè)顯示，1902S工作面地表沉降最大值發(fā)生在工作面后方200 m處，最大下沉量為0.65 m，而同煤層工作面開采后，地表沉降值達(dá)到2.00 m，采用矸石充填與垮落法開采相比可以有效減少地表的沉降。

3.2沿空留巷效果分析

鋼管混凝土墩柱作為一種新型的支護(hù)材料，為煤礦沿空留巷支護(hù)提供了一種新工藝，1902S綜采工作面運(yùn)輸巷沿空留巷，采用鋼管混凝土墩柱代替單體支護(hù)，實(shí)現(xiàn)了留巷的安全、可靠、經(jīng)濟(jì)。

1）支護(hù)形式對(duì)比。永久支護(hù)上，單體支柱沿空留巷采用兩排單體支柱配鉸接頂梁和錨索形式進(jìn)行支護(hù)，柱距為0.8 m，排距為0.4 m，錨索走向間距為3 m；鋼管混凝土墩柱支護(hù)沿空留巷，采用鋼混墩柱和錨索共同進(jìn)行永久支護(hù)，墩柱單排布置，柱距為1.0 m～1.5 m，錨索走向間距為3 m。臨時(shí)支護(hù)上，兩種留巷方式均采用在巷內(nèi)支設(shè)兩排單體臨時(shí)支護(hù)，采用單體支柱沿空留巷臨時(shí)支護(hù)滯后工作面30 m～50 m，待周期來(lái)壓結(jié)束后回撤；而采用新工藝需要滯后工作面80 m，待注漿后14天達(dá)到水泥凝固期后開始回撤臨時(shí)支護(hù)。

2）礦壓顯現(xiàn)對(duì)比。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀察整理，九層煤工作面周期來(lái)壓步距為10 m～15 m，走向和傾向等長(zhǎng)或整數(shù)倍時(shí)，來(lái)壓顯現(xiàn)非常明顯，來(lái)壓時(shí)頂板最大下沉量鋼混墩柱為0.16 m，累計(jì)下沉量0.3 m；單體支護(hù)沿空留巷周期來(lái)壓下沉量為0.3 m左右，累計(jì)下沉量為0.56 m。可見單體支柱沿空留巷來(lái)壓時(shí)頂板下沉量較大。

經(jīng)過(guò)對(duì)掘進(jìn)期間、回采留巷期間兩個(gè)階段的礦壓觀測(cè)，巷道斷面收縮率為15.45%，符合設(shè)計(jì)要求，滿足了工作面的進(jìn)風(fēng)、運(yùn)輸、行人的需要。

3）支護(hù)效果對(duì)比。采用鋼混墩柱沿空留巷來(lái)壓后，墩柱的讓壓木帽變形被壓縮甚至切斷，個(gè)別墩柱插入頂板0.1 m，個(gè)別的墩柱受壓發(fā)生彎曲變形失去其承載力，需要更換，但巷道整體的變形較小，維護(hù)工作量??；而采取單體支柱沿空留巷時(shí)，支柱可以隨時(shí)進(jìn)行整改和更換，后期維護(hù)機(jī)動(dòng)靈活，但巷道整體變形大，局部甚至需要復(fù)棚支護(hù)。

3.3經(jīng)濟(jì)效益分析

長(zhǎng)城一礦在1902S綜采充填工作面實(shí)施綜采架后充填開采及沿空留巷技術(shù)，工作面月單產(chǎn)均在7.5萬(wàn)t以上，每月消化矸石量為7萬(wàn)t，基本具備了年產(chǎn)量90萬(wàn)t、年消化矸石80萬(wàn)t的綜采充填能力，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了月度沿空留巷110 m的好水平，“采、充、留”一體化高效工作面綠色開采技術(shù)成效顯著。

截止目前，綜采架后充填矸石54萬(wàn)t，以矸換煤50萬(wàn)t，累計(jì)留巷2 123 m；多回收煤炭資源近20萬(wàn)t，獲取直接經(jīng)濟(jì)效益2 500余萬(wàn)元。

4　結(jié)束語(yǔ)

“采、充、留”一體化安全高效綠色開采技術(shù)，充分利用回采空間架后充填矸石，實(shí)現(xiàn)了井下矸石不升井，地面洗選矸石和建筑垃圾通過(guò)鉆孔溜矸技術(shù)回填井下，解決了由于井工開采帶來(lái)的地表塌陷難題和礦井固體廢棄物對(duì)地表環(huán)境的影響。

采用鋼管混凝土墩柱沿空留巷開采技術(shù)減少了區(qū)段煤柱的資源損失，緩解了接續(xù)緊張的局面，最大限度的降低巷道萬(wàn)噸掘進(jìn)率，提高了資源綜合利用效率，消除了煤柱集中壓力安全隱患。具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和安全效益，為今后類似煤層條件的無(wú)區(qū)段煤柱開采提供理論依據(jù)與技術(shù)借鑒,具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

[1]錢鳴高，許家林，繆協(xié)興，等.煤礦綠色開采技術(shù)[J].中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，32（4）:343- 348.

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（編輯：武曉平）

Green Mining Technology with Backfilling and Retaining in Greatwall No.1 Mine in Shanghaimiao Coal Mine

ZHAO Dayong, ZHANG Leixin, ZHANG Cang
(Inner Mongolia Energy Co., Ltd., Shandong Energy Xinwen Mining Group, Erdos 016200, China )

Abstract:Development and improvement of mining technology are always the theme of mining development as a discipline. Green mining is the future direction of the coal mining, which is important to increase coal recovery rate, protect ecological environment, and realize sustainable development of mines. Greatwall No.1 mine in Shanghianiao coal mine integrates fully- mechanized mining, backfilling after support with washed gangue and primary coal rejects, and pier pillar gob- side entry retaining technology in order to transform from caving mining with pillars to continuous mining with backfilling without pillars. As a breakthrough in miningtechnique, the technologyhas achieved the intensive, efficient, and green mining.

Keywords:mining with backfilling and retaining concurrently; borehole and bing- hole; fill behind support; pier pillar gob- side entry retaining technology

作者簡(jiǎn)介：趙大勇（1961-），男，山東臨沂人，大學(xué)本科，高級(jí)工程師，從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)和安全管理工作。

收稿日期：2015- 11- 12

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.020

文章編號(hào)：1672- 5050（2016）01- 0069- 03

中圖分類號(hào)：TD823.8

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A