矸石充填技術(shù)在深部礦井的應(yīng)用實(shí)踐

康進(jìn)東

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 054000）

0 引言

煤炭資源開采是我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要保障，隨著煤炭資源大規(guī)模的開采，不可避免地造成了地表大面積沉陷，給礦區(qū)周邊的生態(tài)環(huán)境帶來了嚴(yán)重破壞。同時(shí)，當(dāng)?shù)V區(qū)面臨建筑物下煤層開采問題時(shí)，若不能在煤炭資源開采的同時(shí)防止地表變形，保護(hù)地表構(gòu)筑物，將給礦區(qū)人民的生命財(cái)產(chǎn)安全帶來嚴(yán)重的威脅，若不將煤炭資源采出，不僅浪費(fèi)國家資源且縮短了礦井的服務(wù)年限。固體充填采煤法是解決上述問題的有效手段[1-2]。眾多專家學(xué)者從理論、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)、數(shù)值仿真模擬等多方面研究了固體充填采煤技術(shù)，并在國內(nèi)多個(gè)礦區(qū)實(shí)踐應(yīng)用，取得良好的經(jīng)濟(jì)效益。邢東礦緊鄰市區(qū)，為了保護(hù)礦區(qū)周邊環(huán)境，解放建筑物下壓煤問題，采用矸石充填采煤技術(shù)進(jìn)行了采煤，但邢東礦在矸石充填采煤技術(shù)的應(yīng)用過程中，仍然存在不少生產(chǎn)工藝以及技術(shù)上的問題。本文以邢東礦11235 工作面為例，通過合理充填材料配比，對原有的設(shè)備進(jìn)行更新，促使了工作面的安全回采，提高了邢東礦11235 工作面的回采效率。

1 工程概況

邢東礦11235 工作面位于-760 水平，屬于1100 采區(qū)，主采煤層為2 號煤層，該工作面煤層厚度穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)簡單，煤層平均厚度為4.6 m，工作面設(shè)計(jì)推進(jìn)長度880 m，切眼長度58 m，運(yùn)料巷長度1180 m，運(yùn)輸巷長度1220 m，埋深在-525 ～-750 m。工作面北鄰南張村、南靠田家莊，井下位于1225 工作面以北，1200 集中運(yùn)輸巷以西，F(xiàn)1 斷層以東，1223 工作面以南。為了保護(hù)礦區(qū)周邊環(huán)境，實(shí)現(xiàn)矸石零排放，矸石不升井，該工作面采用一次采全高傾斜長壁后退式采煤法[3]，對采空區(qū)用破碎矸石進(jìn)行充填。11235 工作面布置示意如圖1 所示。

2 采空區(qū)矸石充填影響因素

邢東礦埋深大，地質(zhì)條件復(fù)雜，原巖應(yīng)力大，在煤層開采過程中采動影響強(qiáng)烈，巷道圍巖變形大，給礦井的安全生產(chǎn)帶來嚴(yán)重影響。在對工作面進(jìn)行充填的過程中，工作面采空區(qū)上覆巖層的重力由充填體與四周圍巖共同承載，只有充填體的強(qiáng)度足夠大時(shí)，才能控制關(guān)鍵層的下沉，有效控制地表下沉[4]。由于邢東礦屬于深部礦井，對充填體的強(qiáng)度要求高于淺部礦井，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，一方面要保證充填質(zhì)量，要求有效防止頂板垮落最終導(dǎo)致地表沉陷；一方面要保證工作面生產(chǎn)效率，實(shí)現(xiàn)煤層開采與采空區(qū)充填的協(xié)調(diào)。

2.1 充填材料的質(zhì)量

要保證采空區(qū)的充填效果，首先要保證充填材料的質(zhì)量[5]。該工作面采空區(qū)充填采用矸石充填材料，影響矸石充填材料質(zhì)量的因素有矸石塊體的大小、矸石的組成成分、添加劑成分等因素。在充填過程中，矸石作為充填骨料，對充填質(zhì)量具有重要影響，地面矸石的主要來源是東龐礦，井下矸石的來源是井下的采掘活動，但兩者來源的矸石粒徑大、級配不均、密實(shí)度不高，充填前對矸石進(jìn)行了破碎篩分，按照一定粒徑級配進(jìn)行配比，再與粉煤灰進(jìn)行混合充填。矸石充填材料初期沒有強(qiáng)度，呈松散型，為提高力學(xué)性能，需要膠結(jié)粉添加劑成分。

2.2 充填機(jī)械設(shè)備狀況

一次采全高綜合機(jī)械化設(shè)備是充填效果及充填效率的有效保障，在生產(chǎn)過程中要選擇合適的機(jī)械設(shè)備。據(jù)調(diào)查統(tǒng)計(jì)邢東礦原有充填設(shè)備在其它工作面的使用，存在搗實(shí)機(jī)構(gòu)使用壽命短、搗實(shí)效率低、支架調(diào)整困難、后部矸石輸送機(jī)輸送能力小，對礦井生產(chǎn)力具有重要影響。針對該問題提出改進(jìn)方案，液壓支架型號由ZC5160/30/50 升級為ZC5160/29/48，液壓支架后部的刮板輸送機(jī)型號由SGZ730/132 提升至SGZ800/200，輸送能力由原來的200 t/h 提高為450 t/h，滿足了該礦矸石充填工作面月產(chǎn)量的設(shè)計(jì)要求。改進(jìn)后矸石充填液壓支架如圖2 所示。

圖2 改進(jìn)后矸石充填液壓支架Fig.2 Improved hydraulic support for gangue filling

2.3 充填工藝的改進(jìn)

充填工藝的選擇是現(xiàn)場施工工序是否流暢的重要保障，為提高生產(chǎn)效率，充填效果，首先需要充填和采煤作業(yè)在空間上分開，時(shí)間上平行，通過優(yōu)化改進(jìn)充填開采設(shè)備，將原有的先出煤后充填傳統(tǒng)工藝升級為回采與充填同時(shí)進(jìn)行，生產(chǎn)操作互相不影響，實(shí)現(xiàn)了“邊采邊充”，改進(jìn)后的充填工藝的作業(yè)工序如圖3 所示。

圖3 矸石充填作業(yè)工序Fig.3 Working procedure of gangue filling

3 矸石充填采煤方案

根據(jù)11235 工作面的地質(zhì)情況，對采空區(qū)矸石充填影響因素進(jìn)行分析，本著經(jīng)濟(jì)實(shí)用的原則，并從原材料供應(yīng)及充填成本等方面進(jìn)行綜合考慮，最終確定了11235 工作面矸石充填采煤方案。

3.1 矸石充填材料配比

11235 工作面采用矸石粉煤灰混合材料作為充填料，為了得到最佳充填效果，達(dá)到控頂效果，對煤矸石、粉煤灰按不同比例混合進(jìn)行試驗(yàn)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場的試驗(yàn)研究，確定充填材料的現(xiàn)場配比為矸石∶粉煤灰=1∶0.3，為解決矸石粉煤灰形成的塊體具有松散型，膠結(jié)粉添加劑成分。

3.2 矸石運(yùn)輸系統(tǒng)

由于該礦自產(chǎn)的矸石產(chǎn)量不夠，需要從其它礦井調(diào)用，運(yùn)輸系統(tǒng)需要包括地面矸石和井下矸石2套運(yùn)輸系統(tǒng)，最終都匯集到-760 運(yùn)矸巷，然后在統(tǒng)一對工作面采空區(qū)進(jìn)行充填。自產(chǎn)矸石和地面矸石運(yùn)輸方式如下。

自產(chǎn)矸石運(yùn)輸路線為：篩分—篩分運(yùn)矸聯(lián)巷—篩分矸石倉—-760 運(yùn)矸巷—1100 南部采區(qū)矸石倉—1100 南部采區(qū)軌道上山—1100 南部采區(qū)集中運(yùn)料巷—11235 運(yùn)料巷—工作面后方地面矸石運(yùn)輸路線：地面矸石倉—地下皮帶走廊—投料孔—井下緩沖倉—運(yùn)矸聯(lián)巷—-760 運(yùn)矸巷—1100 南部采區(qū)矸石倉—1100 南部采區(qū)軌道上山—1100 南部采區(qū)集中運(yùn)料巷—11235 運(yùn)料巷—工作面后方自產(chǎn)矸石倉總?cè)萘?050 m3，可儲存正常生產(chǎn)所需1.2 d 的矸石；礦外矸石是利用汽車將外來矸石拉至地面矸石站儲存，通過皮帶運(yùn)輸?shù)酵读峡讓㈨肥斗啪拢?jīng)緩沖后入矸石倉存放，主要是處理東龐礦、邢臺礦矸石。

3.3 回采充填系統(tǒng)

依據(jù)11235 工作面工作面寬度進(jìn)行液壓支架布置，工作面切眼長58 m，規(guī)格為11.5 m×3.6 m（寬×高），采用錨網(wǎng)梁加錨索支護(hù)。共布置40 架ZC5160/29/48D 型掩護(hù)式液壓支架，2 架ZT9400/30/50D 型端頭支架、MG500/1140WD 型采煤機(jī)及SGZ800/200 充填刮板機(jī)等設(shè)備，充填能力可達(dá)500 t/h。整套系統(tǒng)通過運(yùn)矸皮帶將矸石輸送工作面支架后部SGZ800/200 充填刮板機(jī)，通過卸料孔將矸石卸載至采空區(qū)，然后通過搗實(shí)機(jī)構(gòu)將矸石充分搗實(shí)并完全接頂，待支架后方空間全部充填滿并搗實(shí)后，再進(jìn)行下一刀割煤工序，割煤與移架、推溜、充填順序進(jìn)行[6]。

4 經(jīng)濟(jì)效果分析

利用矸石充填技術(shù)對11235 工作面進(jìn)行開采，整套充填系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，采用改進(jìn)后的充填工藝，將充填效率由原有的每班1 刀煤提高至每班4刀煤，月產(chǎn)能力由1.8 萬t 提高至7.2 萬t，工作面生產(chǎn)能力大幅提升，提高了工作面回采過程中頂板的安全程度，減少了安全事故，有效的防止了由于采空區(qū)的垮落而導(dǎo)致的地面塌陷。充填體的強(qiáng)度，密實(shí)性可靠，減少了向地面排矸無地面堆積，該工作面的開采能夠有效解放“三下”壓煤量27.7 萬t。

5 結(jié)語

通過矸石充填技術(shù)在邢東礦11235 工作面的成功應(yīng)用，并不斷改進(jìn)充填工藝及設(shè)備更新改造，增加了生產(chǎn)的安全可靠性，提高了矸石的充填效果，減少煤層開采對工作面及周邊頂?shù)装宓臄_動，解決了邢東礦井可采資源緊張問題，提高了資源回收率。此外，該技術(shù)有效控制地表變形，減少了地表沉陷量，保護(hù)了周邊環(huán)境，推動了礦井持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。