金谷煤業(yè)充填開采工藝技術(shù)應(yīng)用探討

趙志超

（冀中能源邢臺礦業(yè)集團(tuán)有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，河北 邢臺054000）

0 引言

我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背后，離不開煤炭資源的利用和發(fā)展，在人們的日常生活與生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用[1]。但是雖然煤炭資源對于社會的發(fā)展有著極大的意義，但是卻嚴(yán)重阻礙社會和環(huán)境之間的關(guān)系，地表沉陷又是煤炭問題中較為嚴(yán)重的問題。正常而言，采量越大，地表沉陷的程度越大，據(jù)推算，每一年的新增沉陷面積大致為750km2[2]。從煤礦的具體開采實(shí)踐中認(rèn)識到，最能夠有效解決“三下”條件下煤炭開采產(chǎn)生的壓煤問題的主要方法是矸石充填開采，同時(shí)矸石充填開采也是實(shí)現(xiàn)綠色采煤的關(guān)鍵組成部分，特別是在一些煤礦儲存量少而經(jīng)濟(jì)實(shí)力強(qiáng)的部分地區(qū)，尤其應(yīng)該對“三下”采煤的問題進(jìn)行大量研究。矸石充填是與采煤工作同時(shí)進(jìn)行，把矸石等材料填充進(jìn)采空區(qū)，用以支撐頂板的方法[3]。

如何在保證地表穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，有能夠?qū)崿F(xiàn)矸石的再利用已成為煤礦開采的重大技術(shù)難題[4]。目前對于矸石的充填大部分是在北方煤礦進(jìn)行的，北方煤層的特點(diǎn)為厚度適中、埋深較深，對于煤層厚度厚、淺埋的煤層的研究太少[5]。煤炭開采后排放矸石會造成很多危害，嚴(yán)重污染空氣質(zhì)量和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。山西省近年來出臺了嚴(yán)格的煤礦固體廢棄物排放限制政策，推行綠色開采試點(diǎn)工作，鼓勵(lì)生產(chǎn)礦井建立井下處理矸石等固體廢棄物的處理系統(tǒng)，對新建矸石山批地限制將越來越嚴(yán)格，有了有效實(shí)行最新政策，金谷煤業(yè)為了實(shí)現(xiàn)綠色礦山的理念、控制地表的下沉，把矸石代替煤炭，將其投入采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)矸石零排放。

1 煤礦地質(zhì)概況

山西古縣金谷煤業(yè)有限公司位于山西省臨汾市古縣古陽鎮(zhèn)古陽村。井田面積8.506 2km2。核定生產(chǎn)能力為90萬t/a。批準(zhǔn)開采2號-11號煤層，現(xiàn)開采9+10號煤層。礦井水文地質(zhì)類型為中等，屬于低瓦斯礦井；煤塵具有爆炸性，煤層自燃傾向性等級為Ⅱ級，屬自燃煤層。

礦井現(xiàn)開采9+10號煤層，工作面采用綜采一次采全高采煤方式，頂板管理采用全部垮落法，本次設(shè)計(jì)不對9+10號煤層工作面采煤方法進(jìn)行調(diào)整，新增11號煤層充填工作面，將地面洗選矸石運(yùn)輸至工作面，充填入采空區(qū)，同時(shí)進(jìn)行沿充留巷無煤柱開采，實(shí)現(xiàn)煤矸石返井充填采空區(qū)的目的。

本次充填開采系統(tǒng)初步設(shè)計(jì)的規(guī)劃充填開采范圍為11#煤層一采區(qū)南翼。11#煤層位于太原組下段中部，11#煤層厚度為1.01～2.55m，平均1.55m，結(jié)構(gòu)簡單，含0～2夾矸，頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，底板為泥巖、鋁土質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖。11#煤層厚度變化不大，11#煤層屬賦煤區(qū)穩(wěn)定可采薄-中厚煤層。首采工作面為11101工作面，傾斜長度150m，推進(jìn)長度約1 190m，實(shí)際揭露煤層平均厚度2.0m，可采儲量約51萬t，如圖1所示，根據(jù)金谷煤業(yè)提供的井上下對照圖等資料，現(xiàn)規(guī)劃充填開采的一采區(qū)南翼所對應(yīng)的地表不存在村莊等建（構(gòu)）筑物，不涉及“三下一上”壓煤開采。

圖1 11101工作室布置

2 工作面充填工藝

矸石充填開采是使用運(yùn)輸機(jī)器將矸石充填進(jìn)采空區(qū)，然后通過夯實(shí)機(jī)進(jìn)行壓實(shí)[6]。工作面充填方法選用“邊采邊充”的方法，具體為隨著采煤工作的不斷進(jìn)行，矸石充填的任務(wù)也隨之進(jìn)行，割煤完成后把矸石充填到刮板運(yùn)輸機(jī)上，隨后按照順序打開刮板運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、運(yùn)輸矸石膠帶運(yùn)輸機(jī)等一系列輸送機(jī)器，從而對采空區(qū)進(jìn)行充填，流程如圖2所示，矸石填充主要是靠刮板運(yùn)輸機(jī)和推壓作用相互影響依此來達(dá)到充填的效果。操作順序是從尾部到頭部填充。在下個(gè)卸料孔到達(dá)相應(yīng)的高度之后，將其關(guān)閉并重新打開之前的卸料孔，然后開啟千斤頂用來是鏟板移動(dòng)，從而把充填物壓實(shí)，多次重復(fù)此部分，直到采空區(qū)完全填滿；可以通過移動(dòng)千斤頂使得千斤頂和鏟板的角度發(fā)生變化，可使充填料在支架后部接頂，以達(dá)到充填完成。壓實(shí)后的初始填充率為百分之百。最終必須使得充填率到達(dá)百分之八十以上。綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)與充填系統(tǒng)一體化，采填并舉。

圖2 固體充填作業(yè)流程

矸石充填工藝過程見圖3和圖4，圖3為工作面端頭矸石充填階段正面圖；圖4為工作面中部矸石充填正面圖。

圖3 工作面端頭矸石充填正面圖

圖4 工作面中部矸石充填正面圖

由膠帶輸送機(jī)、矸石轉(zhuǎn)載機(jī)將矸石運(yùn)輸、轉(zhuǎn)載至工作面充填支架后部底卸式刮板輸送機(jī)上[7]，使用刮板運(yùn)輸機(jī)把矸石運(yùn)送到采空區(qū)里面，之后通過不斷推壓使得矸石被壓實(shí)，具體工藝如圖5所示。

圖5 固體充填面落料、推實(shí)工藝

為提高充填效率和充填效果，采取成組移架、交替落料、同步推實(shí)的工序，具體如下：

1）成組移架：按照通常割煤法進(jìn)行割煤，以三架作為1組，當(dāng)割煤完成后把第一組支架前1步的距離，并開始進(jìn)行充填，不同組支架同時(shí)開始運(yùn)行，依此來增加充填的效率和成果，當(dāng)正常工作開始后，端部進(jìn)刀對于后續(xù)的尾部充填不產(chǎn)生影響，采煤與充填礦業(yè)同時(shí)進(jìn)行。

2）交替落料：按順序進(jìn)行充填（運(yùn)輸機(jī)尾至機(jī)頭），沿工作面向機(jī)頭方向交替落料，保持落料的連續(xù)性[8]。

3）同步推實(shí)：當(dāng)首組支架卸料完成后，打開推實(shí)機(jī)對矸石進(jìn)行壓實(shí)，并且首組進(jìn)行作業(yè)時(shí)并不會對下一組的落料造成影響，可以使得推動(dòng)與落料平行作業(yè)，每一個(gè)支架都應(yīng)對落料、推實(shí)進(jìn)行三次，完成后便是一個(gè)循環(huán)。

矸石充填作業(yè)工序見圖6。

圖6 矸石充填作業(yè)工序

3 采區(qū)巷道布置

3.1 采區(qū)巷道

在井筒的西北-東南處設(shè)置1組皮帶、軌道、回風(fēng)下山還有集中運(yùn)輸巷，都可以做為1采區(qū)的開拓巷。沿著11#煤層下覆巖層下山的是皮帶，沿著11#煤層下覆巖層設(shè)置的是軌道下山，沿著9#煤層上覆巖層設(shè)置的是回風(fēng)下山，沿著9#煤層上覆巖層設(shè)置的是集中運(yùn)輸巷。

一采區(qū)南翼11#煤層開拓巷道均為已有，已經(jīng)形成。皮帶、軌道、回風(fēng)下山均采用半圓拱形斷面，錨網(wǎng)噴支護(hù)、錨索補(bǔ)強(qiáng)，其中軌道下山、回風(fēng)下山凈寬4.0m，凈高3.5m，凈斷面12.28m2；皮帶下山凈寬4.6m，凈高3.8m，凈斷面15.2m2；集中運(yùn)輸巷采用矩形斷面，錨網(wǎng)噴支護(hù)、錨索補(bǔ)強(qiáng)，凈寬4.2m，凈高3m，凈斷面12.6m2；一采區(qū)11號煤軌道巷采用三心拱斷面，錨噴支護(hù)、錨索補(bǔ)強(qiáng)，凈寬5.0m，凈高3.5m，凈斷面15.36m2，沿11#煤層底板與集中膠帶下山平行布置。

一采區(qū)南翼11#煤層充填工作面輔助運(yùn)輸巷（兼做運(yùn)矸巷）與新增的11#煤軌道巷連接，無極繩普軌卡軌車摘掛鉤位置坡度≯7‰。

3.2 采煤工作面布置

投產(chǎn)時(shí)在一采區(qū)南翼11#煤布置一個(gè)充填工作面，充填工作面順槽采用沿充留巷，兩進(jìn)一回布置形式；在11#煤布置一個(gè)掘進(jìn)工作面。

11#煤首采充填工作面布置在11101工作面，根據(jù)項(xiàng)目建設(shè)期工作面回采規(guī)劃，首采工作面回采時(shí)，上面9+10#煤工作面回采完近兩年，上覆巖層已基本穩(wěn)定，對11#煤的回采應(yīng)該不會造成大的影響，但是井下礦壓不確定因素較多，礦方在實(shí)際回采時(shí)應(yīng)加強(qiáng)礦壓監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)隱患及時(shí)采取措施，以免對礦井造成不必要的損失。

3.3 充填工作面關(guān)鍵設(shè)備選型

矸石充填工作面的原理就是在原有的采煤系統(tǒng)中，新添了充填系統(tǒng)，充填系統(tǒng)中有許多用來運(yùn)輸、推壓、充填矸石的裝備設(shè)施，比如：運(yùn)輸矸石皮帶、矸石轉(zhuǎn)載機(jī)，充填支架等等。這些裝備設(shè)施的布置如下圖7所示。

圖7 矸石充填工作面設(shè)備布置

目前充填工作面四機(jī)配套（采煤機(jī)、刮板輸送機(jī)、充填液壓支架、支架后底卸式輸送機(jī)）比較成熟，主要回采設(shè)備選型原則如下：

1）生產(chǎn)能力：所選中的設(shè)備裝備的生產(chǎn)能力必須能夠滿足該設(shè)備工作的各項(xiàng)要求。例如刮板機(jī)、破碎機(jī)等裝備設(shè)施生產(chǎn)能力必須超過還煤業(yè)采煤機(jī)的能力，不僅如此，還必須要保有一定的閑余能力才可滿足。

2）性能匹配：每個(gè)裝備設(shè)施理應(yīng)能夠?qū)Ρ舜擞幸欢ㄟm應(yīng)能力，才可以更好的實(shí)現(xiàn)其性能，達(dá)到生產(chǎn)要求。

3）液壓支架、采煤機(jī)、輸送機(jī)幾何關(guān)系與空間位置配套。

4）壽命配套。須保證裝備設(shè)施的修理周期在大致相同的時(shí)間范圍內(nèi)，不僅能夠節(jié)省修理時(shí)間和精力，還可以避免在工作過程中有裝備設(shè)施發(fā)生故障或者帶“病”運(yùn)行。

根據(jù)山西古縣金谷煤業(yè)有限公司、冀中能源機(jī)械裝備集團(tuán)有限公司邢臺機(jī)械廠、冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)通方煤礦機(jī)械有限公司和科工集團(tuán)上海有限公司簽訂的《山西古縣金谷煤業(yè)有限公司充填開采綜機(jī)設(shè)備配套技術(shù)協(xié)議》，工作面主要配套設(shè)備見表1。

表1 充填工作面主要配套設(shè)備

4 沿充留巷

沿充留巷主要是煤炭回采時(shí)，把矸石填入采空區(qū)，且需要把順槽邊緣保留下來[9]。與傳統(tǒng)沿空留巷相比，沿充留巷具有造成的壓力更低，變形更小，預(yù)算更低并且效果更佳的優(yōu)點(diǎn)。

綜合機(jī)械化固體充填采煤是在采空區(qū)實(shí)行全斷面固體密實(shí)充填，然后頂板壓力開始轉(zhuǎn)移至煤壁、充填液壓支架及采空區(qū)充填體[10]，與普通方法相比，減少了沉陷中的旋轉(zhuǎn)變形，為沿填留巷工作面奠定了極佳的施工基礎(chǔ)。

結(jié)合綜合機(jī)械化固體充填采煤工作面的工藝特征以及參考金谷煤業(yè)9+10#煤層現(xiàn)行綜采工作面全部垮落法管理頂板時(shí)的沿空留巷工藝，本設(shè)計(jì)提出組合支架留巷的方案。

4.1 組合支架設(shè)計(jì)

把工字鋼和單體支柱相互結(jié)合相互組合起來使用，會使結(jié)合體擁有高阻讓壓、自動(dòng)支撐等優(yōu)點(diǎn)，能夠很好的發(fā)揮各個(gè)支架的優(yōu)秀性能，以此組合成的支架，可以使得其在不同程度的礦壓下都有很好的適應(yīng)性。實(shí)際具體布置是在工作面采空區(qū)端邊緣、沿巷走向布置此多功能支架，具體布置見圖8。工字鋼頂端通過十字鉸接頂梁連接，底端通過特制鐵鞋連接（復(fù)合鐵鞋），以增加底板受力面積，防止支架鉆底，并由此增加摩擦阻力[11]。

圖8 組合支架示意圖

4.2 輔助支護(hù)方式

把輔助支護(hù)設(shè)置在工作面后方80m處，輔助支護(hù)圖如圖9所示。分別搭配鉸接和十字鉸接頂梁（沿著巷道走向布置）用來加強(qiáng)鞏固各個(gè)單體輔助支護(hù)的頂板支護(hù)，沿巷道走向設(shè)置四排支護(hù)，間距為600mm。沿采空區(qū)編號①②③④。其中前兩個(gè)單體輔助支護(hù)使用鉸接項(xiàng)梁（長1 200mm），一個(gè)項(xiàng)梁有兩根柱子，間距為600mm。后兩個(gè)單體支護(hù)搭配十字鉸接項(xiàng)梁（長600mm），一個(gè)項(xiàng)梁有一根柱子，以此來支架支護(hù)的穩(wěn)定。④號單體輔助支護(hù)還搭配工字鋼梁。前三號支護(hù)穿普通鐵鞋進(jìn)行工作，最后一號支護(hù)配專用鐵鞋。

圖9 沿空留巷期間巷內(nèi)單體輔助支撐示意圖

單體支柱高度按照巷高選型。靠近實(shí)體煤側(cè)的兩個(gè)單體初撐力為90kN，靠近采空側(cè)的三個(gè)單體初撐力為95kN，并且要保證迎山有勁（迎山角3°～5°）。普通鐵鞋直徑300mm，鐵鞋結(jié)構(gòu)見圖10。

圖10 單體支柱普通鐵鞋結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)單體支柱的適用長度，建議其規(guī)格為DW35-300/110，額定工作阻力為300kN，柱徑為110mm，伸縮量不小于1 500mm。

在距工作面80m以后，若區(qū)域頂板、注漿加固充填體等已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，可將輔助支護(hù)單體支柱撤掉。對于巷道頂板與巷幫不穩(wěn)定區(qū)段，暫保留單體支柱支護(hù)，加打錨桿、錨索并采取其他必要措施加強(qiáng)支護(hù)，穩(wěn)定后再撤掉單體支柱。

4.3 巷旁注漿加固

護(hù)幫腿靠采空側(cè)累設(shè)方木接頂，用鐵絲將方木與護(hù)幫腿綁定，木擋墻后鋪網(wǎng)，形成人工留巷墻體。木擋墻架設(shè)完成后，由溜尾至溜頭順序進(jìn)行采空區(qū)密實(shí)充填，第1～5架支架后方充滿矸石并接頂以后，即可開始巷旁注漿加固。根據(jù)河北工程大學(xué)提供的關(guān)于巷旁注漿寬度與采高之間關(guān)系的試驗(yàn)結(jié)論，注漿加固寬度應(yīng)為采高的1～1.5倍，因此本次設(shè)計(jì)注漿加固范圍為巷旁2～3m，建設(shè)單位可根據(jù)留巷效果進(jìn)行調(diào)整，但不得小于2m。巷旁注漿加固與后續(xù)充填作業(yè)同時(shí)進(jìn)行。

采用32.5水泥配制留巷注漿漿液，水灰比0.6∶1（實(shí)驗(yàn)室配比），電動(dòng)液壓注漿泵及水泥漿攪拌機(jī)置于留巷順槽進(jìn)風(fēng)段。留巷步距與充填步距保持一致，每循環(huán)留巷注漿量估算約0.8m3，注漿加固寬度2.5m，折算每米巷道使用水泥量約1.3t。使用錨桿鉆機(jī)將自進(jìn)式注漿錨桿打入矸石充填體內(nèi)，注漿錨桿連接好注漿管路接頭，對巷旁矸石充填體進(jìn)行注漿加固，注漿壓力2MPa，注漿至設(shè)計(jì)注漿量以后停止本循環(huán)注漿作業(yè)。注漿循環(huán)一次后，須立即把管路中的漿水使用清水洗刷，防止?jié){水在管路中凝結(jié)影響注漿速率。另外，必須根據(jù)實(shí)際效果去微調(diào)各個(gè)不同的參數(shù)，盡量使得注漿效果達(dá)至更好。

等到漿液和矸石成型后，安裝錨桿托盤與螺母，可以先不增加力。待矸石注漿體具備1d強(qiáng)度后，使用錨桿鉆機(jī)將注漿錨桿預(yù)緊力安裝至10N·m，待矸石注漿體具備3d強(qiáng)度后，將注漿錨桿預(yù)緊力增加至30N·m，待矸石注漿體具備7d強(qiáng)度后，將注漿錨桿預(yù)緊力增加至150N·m，形成支撐頂板的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)。至此，完成一次巷旁注漿加固過程。

5 結(jié)語

針對煤炭開采過程中中出現(xiàn)的大量矸石排放問題[12]，本文探討了矸石充填開采技術(shù)，對其應(yīng)用情況總結(jié)如下：

1）以11101工作面作為首采充填面擬定巷道布置方案，細(xì)化充填工藝，采用“邊采邊充”的充填方法，并在原有的充填設(shè)備中增加了順槽運(yùn)矸皮帶、矸石轉(zhuǎn)載機(jī)、矸石充填支架、懸掛式卸矸刮板輸送機(jī)、端頭支架等設(shè)備來確保充填的可靠性。

2）對11101工作面進(jìn)行沿充留巷支護(hù)，確定了各支護(hù)參數(shù)，并提出了組合支架留巷的方案，具體設(shè)置為在巷道采空區(qū)側(cè)邊緣、沿巷道走向設(shè)置工字鋼與相鄰的單體液壓支柱相組合的復(fù)合巷旁支架，以確保巷道不變形，實(shí)現(xiàn)矸石的井下處理。