煤礦區(qū)井下矸石回填與安全開采研究

＊楊 峰

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺(tái)頭前灣煤業(yè)有限公司 山西 042100）

煤礦開采過程中會(huì)產(chǎn)生大量的煤矸石，傳統(tǒng)井下運(yùn)輸會(huì)造成資源浪費(fèi)，大量堆積也會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，因此，合理應(yīng)用矸石回填技術(shù)對(duì)于減少煤炭企業(yè)經(jīng)濟(jì)壓力具有重要意義，能推動(dòng)環(huán)境保護(hù)工作的全面進(jìn)步。

1.煤矸石回填技術(shù)發(fā)展歷程

20世紀(jì)50年代到60年代我國(guó)就已經(jīng)開始應(yīng)用采空區(qū)充填技術(shù)，當(dāng)時(shí)采取的主要是管道輸送水沙的方式完成采空區(qū)的回填操作，但是由于河沙的數(shù)量有限，且相關(guān)項(xiàng)目的投入成本較高，這種回填處理技術(shù)逐漸被取代。黃土材料也因?yàn)榄h(huán)保效益較差采用的頻率大幅下降。直到煤矸石大規(guī)模井下回填處理技術(shù)的出現(xiàn)，不僅能滿足回填對(duì)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)等參數(shù)的要求，還能有效提升資源利用率，減少環(huán)境污染和資源浪費(fèi)。我國(guó)最早使用煤矸石回填的案例是在2004年，山東煤礦利用煤矸石井下充填機(jī)械處理技術(shù)，有效完成采空區(qū)的充填處理，隨后河北等地陸續(xù)使用。

在煤矸石井下回填技術(shù)的應(yīng)用過程中，要對(duì)煤矸石進(jìn)行初步的加工處理，回填在相應(yīng)的煤礦采空區(qū)，不僅能有效減少煤矸石出井產(chǎn)生的占地問題和環(huán)境污染問題，也能大大提升采空區(qū)的穩(wěn)定性和牢固性，減少采空區(qū)地質(zhì)災(zāi)害問題產(chǎn)生的影響。與此同時(shí)，煤矸石回填處理技術(shù)能置換出煤炭資源，為水體下、鐵路下、巖溶下水體管控技術(shù)的升級(jí)提供支持。

2.煤礦區(qū)井下矸石回填操作要點(diǎn)

（1）案例。本文以HK煤礦企業(yè)A充填區(qū)為例，2012年到2015年當(dāng)?shù)貙?duì)煤矸石還是采取先污染后治理的處理方案，利用荒溝堆積覆蓋黃土后進(jìn)行植被覆蓋的方式處理煤矸石，三年內(nèi)煤矸石治理項(xiàng)目投入資金超過2000萬元，并且還要投入大量資金。與此同時(shí)，煤矸石占地面積較大，影響了周圍村民的正常工作秩序?；诖?，相關(guān)部門決定開展煤矸石井下充填技術(shù)，主要針對(duì)的是F50和F54斷層中間，臨近工作面近期無采掘活動(dòng)。技術(shù)部門對(duì)充填區(qū)進(jìn)行測(cè)量后發(fā)現(xiàn)，利用煤層瓦斯測(cè)試處理方案，瓦斯的含量在0-1.82cm3/g之間，認(rèn)定A充填區(qū)屬于低沼氣礦井模式，各個(gè)煤層存在一定的煤塵爆炸隱患，為了保證操作流程的安全性和規(guī)范性，技術(shù)部門優(yōu)選煤矸石充填置換方案。

（2）方案設(shè)計(jì)。結(jié)合區(qū)域的實(shí)際情況以及巷道布置狀態(tài)，利用礦井已經(jīng)成形的生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)設(shè)施落實(shí)相應(yīng)工作，秉持可靠性、安全性、技術(shù)先進(jìn)性原則，提出2個(gè)備選方案。

①方案一

將整個(gè)煤矸石回填工程分為I期和II期，I期主要是適當(dāng)擴(kuò)大充填區(qū)域巷道的煤柱寬度，II期則是要在開掘后完成充填巷的回填處理，借助煤矸石皮帶巷側(cè)完成對(duì)應(yīng)工序。

②方案二

主要是采取預(yù)留相同寬度巷道間煤柱的模式，結(jié)合具體工作流程逐步開挖，巷道間煤柱的寬度維持在5cm，在充填一段時(shí)間后，利用煤矸石回填，待回填一段距離，煤矸石就能對(duì)兩側(cè)的煤柱形成對(duì)應(yīng)的側(cè)壓力，此時(shí)再循環(huán)處理。

在對(duì)比方案一和方案二后發(fā)現(xiàn)：①方案一由于煤柱空間較大，相鄰位置應(yīng)力相互作用的程度低，能實(shí)現(xiàn)同時(shí)施工，但是受到人員以及設(shè)備因素的影響，最好采取順序交替開挖處理模式。②采取s形開挖掘進(jìn)處理模式，在充填端煤矸石壓實(shí)穩(wěn)定性趨于穩(wěn)定后，開掘?qū)?yīng)側(cè)煤矸石及時(shí)填充，若是采用這種處理方案，就需要另外搭建煤矸石存儲(chǔ)庫，不僅會(huì)增加項(xiàng)目支出，也會(huì)增多維護(hù)難度。綜上所述，選擇方案一作為整體設(shè)計(jì)方案。

（3）護(hù)巷寬度設(shè)計(jì)。在確定煤礦區(qū)井下矸石填充方案后，就要結(jié)合實(shí)際情況開展相應(yīng)的設(shè)計(jì)處理工作，從而保證參數(shù)匹配設(shè)計(jì)方案，并全面提升操作效率。

第一，結(jié)合井巷煤柱留設(shè)規(guī)劃的相關(guān)規(guī)定，對(duì)于大巷上山位、下山位于煤層頂部巖層中間位置時(shí)，要按照進(jìn)行計(jì)算，本文h約為20m到30m，

煤層傾角α為21°、巖層移動(dòng)角β為60°，得出護(hù)巷煤柱的寬為9.5m-14.2m。

第二，要結(jié)合實(shí)際情況完善數(shù)值模擬分析工作，主要是應(yīng)用三維數(shù)值模擬軟件，配有限差分處理方式建構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變和結(jié)點(diǎn)位移分析體系，利用軟件就能建立對(duì)應(yīng)數(shù)值模型。在模型模擬過程中，還能對(duì)塑性破壞等問題予以分析，評(píng)估動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性水平，并最大程度上獲取巖體受采動(dòng)影響的破壞程度。值得一提的是，軟件模型還能建構(gòu)多種本構(gòu)模擬單元，并且結(jié)合彈性本構(gòu)要求，建立NULL單元，從而模擬回填作業(yè)，這對(duì)于提升支護(hù)系統(tǒng)的綜合支護(hù)水平具有重要意義。

第三，完善具體內(nèi)容分析。①對(duì)材料承載能力和變形予以分析，解決邊坡穩(wěn)定性問題；②對(duì)材料遞進(jìn)屈服過程予以分析，解決地下開采井巷圍巖穩(wěn)定性問題；③斷層結(jié)構(gòu)影響演變分析，解決地下開采布置問題；④排水和非排水加載時(shí)孔應(yīng)力分析，解決巖土結(jié)構(gòu)強(qiáng)化處理問題。在全面分析后建立匹配模型，模擬方案的范圍設(shè)計(jì)為180m×140m×100m，依據(jù)A區(qū)域鉆孔柱狀設(shè)計(jì)要求，建立Mohr-Coulumb模型。

第四，計(jì)算相關(guān)分析，利用填充要求計(jì)算煤礦區(qū)井下煤矸石力學(xué)參數(shù)，與此同時(shí)，也要綜合考量邊界效應(yīng)，整個(gè)充填區(qū)在模型的中間位置，布置對(duì)應(yīng)六條回填試驗(yàn)巷道區(qū)域，從而模擬開挖流程，有效完善采空區(qū)模擬分析工作，計(jì)算不同寬度環(huán)境中煤柱下回風(fēng)巷的變形問題。

（4）煤柱寬度設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)工作開始前，為了保證煤矸石不上井，且開采邊角煤資源應(yīng)用合理有效，就要在維持安全性的基礎(chǔ)上，最大程度提高煤矸石布置空間的合理性，確保施工安全和儲(chǔ)存空間的規(guī)范程度符合要求。

在充分考量相關(guān)因素的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)儲(chǔ)存煤矸石的空間尺寸和兩側(cè)煤柱的實(shí)際寬度，要確保充填效果符合最大限度要求，減少寬度參數(shù)，并維持尺寸標(biāo)準(zhǔn)后先采先沉、采動(dòng)應(yīng)力疊加等問題予以分析，保證前期煤矸石掘進(jìn)過程中兩側(cè)煤柱的實(shí)際寬度能隨著操作流程的變化逐步增大，后期則結(jié)合寬度要求適當(dāng)減小。與此同時(shí)，按照σ=σ0+σ3tanβ計(jì)算柱核區(qū)強(qiáng)度，其中，0σ表示整個(gè)區(qū)域內(nèi)煤矸石的單向抗壓強(qiáng)度、3σ表示作用在煤柱的側(cè)向壓力、tanβ表示的是應(yīng)力系數(shù)。

綜上所述，在全面分析設(shè)計(jì)要點(diǎn)后，就要結(jié)合煤礦區(qū)煤矸石兩側(cè)煤柱的寬度完成充填巷開挖順序的優(yōu)化工作，按照煤柱置換標(biāo)準(zhǔn)完成對(duì)應(yīng)的開采處理，然后隨時(shí)掘進(jìn)隨時(shí)回填，以維持整體工作的穩(wěn)定性。

（5）項(xiàng)目效益。在全面推廣煤礦區(qū)井下矸石充填技術(shù)方案后，每年井下產(chǎn)生的煤矸石無需出井就能實(shí)現(xiàn)有效的回收利用，大大提升了操作的科學(xué)性和便捷性，并且，采空巷道利用煤矸石還能有效實(shí)現(xiàn)充填加固處理，采空巷道充填率在98%以上，節(jié)約排放煤矸石費(fèi)用450萬元，減少了大量的排污費(fèi)用，并且，還能有效實(shí)現(xiàn)煤炭資源的合理性置換，達(dá)到13.8萬噸，銷售累積收入達(dá)到5000萬元。最關(guān)鍵的是，煤矸石回填技術(shù)的應(yīng)用處理也能大大提升環(huán)境質(zhì)量，確保企業(yè)和周圍居民形成融洽的合作關(guān)系，真正意義上踐行了“來自于地下、應(yīng)用于地下”的管控方針。

除此之外，當(dāng)?shù)貙⑼度敫嗟募夹g(shù)在煤矸石回填技術(shù)升級(jí)方面，將煤矸石磨成粉制成膏狀物，從而借助管道輸送到井下相關(guān)填充區(qū)域，配合綜采支架采空區(qū)填充方案，更好地提升資源采出率。

3.煤礦區(qū)井下矸石安全開采策略

全面分析設(shè)計(jì)要點(diǎn)的基礎(chǔ)上，要結(jié)合煤礦區(qū)的實(shí)際情況完善對(duì)應(yīng)工序，并且保證煤矸石開采工作的合理性和安全性，積極提升開采率，維持整體技術(shù)應(yīng)用研究和處理工作的效果，保證安全技術(shù)措施都能發(fā)揮其實(shí)際效用，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的雙贏。

(1)基本流程

為了保證安全措施能發(fā)揮其實(shí)際效果，就要結(jié)合充填巷的實(shí)際情況匹配完整的支護(hù)方案，保證應(yīng)用效率最優(yōu)化。并且，要嚴(yán)格約束對(duì)應(yīng)的支護(hù)工藝流程內(nèi)容，按照標(biāo)準(zhǔn)要求維持整體效果。

第一，要對(duì)區(qū)域煤礦煤矸石進(jìn)行截割處理。第二，完成上網(wǎng)操作，布設(shè)鋼筋梯和串前探梁，并且結(jié)合要求設(shè)置臨時(shí)支護(hù)頂板結(jié)構(gòu)。第三，退出掘進(jìn)機(jī)。第四，要在頂部錨桿錨網(wǎng)的位置完成支護(hù)頂板的處理。第五，完成掛網(wǎng)操作，完成錨桿輔助處理。第六，進(jìn)入下一個(gè)循環(huán)。

綜上所述，在支護(hù)處理工序中，要保證永久支護(hù)項(xiàng)目的完整性和規(guī)范性，并且從外向內(nèi)、從頂部到后部有效整合具體流程。

(2)回填區(qū)域巷道的斷面參數(shù)

回填區(qū)域巷道的斷面參數(shù)，回填區(qū)域巷道的斷面主要分為臥底前斷面和臥底后斷面。

臥底前斷面參數(shù)：整個(gè)區(qū)域高度為3.0m，寬度為4.5m，面積為13.5m2。

臥底后斷面參數(shù)，整個(gè)區(qū)域高度為4.0m-4.5m，寬度為4.5m，面積為16.8m2[5]。

(3)優(yōu)選支護(hù)方式

①臨時(shí)支護(hù)

在煤礦區(qū)煤矸石回填操作方案中，為了維持其整體工序的安全性和科學(xué)性，要優(yōu)選支護(hù)處理模式，匹配實(shí)際操作標(biāo)準(zhǔn)，建立健全合規(guī)的設(shè)計(jì)機(jī)制和管控流程，提高支護(hù)方案的綜合水平。臨時(shí)性的支護(hù)結(jié)構(gòu)最大控頂距離為1.9m，最小空頂距離為0.3m，在煤巖截割處理工藝前，永久性支護(hù)的掘進(jìn)面最大距離一般會(huì)控制在0.3m左右[6]。與此同時(shí)，施工人員要在探測(cè)工作開始前確定梁結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)變形問題，并且利用臨時(shí)支護(hù)平面和剖面分析圖對(duì)具體操作要點(diǎn)予以約束管理。

②永久支護(hù)

若是要采取永久性支護(hù)，一般是采取錨網(wǎng)索支護(hù)處理機(jī)制，保證巷道斷面設(shè)計(jì)規(guī)范性。具體參數(shù)如下：

A.斷面a，掘進(jìn)高度為3100mm、凈高為3000mm；掘進(jìn)寬度為4700mm、凈寬為4500mm，掘進(jìn)面的面積為14.5m2、凈斷面的面積為13.5m2，錨桿的頂部為φ20×2000mm、幫結(jié)構(gòu)φ20×2500mm，錨桿間排距頂部800mm×800mm、幫結(jié)構(gòu)800mm×800mm。

B.斷面b，掘進(jìn)高度為4600mm、凈高為4500mm；掘進(jìn)寬度為4700mm、凈寬為4500mm，掘進(jìn)面的面積為18.1m2、凈斷面的面積為13.5m2，錨桿的頂部為φ20×2000mm、幫結(jié)構(gòu)φ20×2500mm，錨桿間排距頂部800mm×800mm、幫結(jié)構(gòu)800mm×800mm。

③工藝流程

為了保證整體施工項(xiàng)目的合理性和規(guī)范性，技術(shù)部門要整合相關(guān)內(nèi)容和設(shè)計(jì)要點(diǎn)，嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)化工藝流程運(yùn)維開采技術(shù)方案。

首先，在錨桿支護(hù)處理工藝體系中，頂部的錨網(wǎng)位置，要按照從外向內(nèi)且?guī)徒Y(jié)構(gòu)穩(wěn)定的原則，積極提升應(yīng)用效率，避免臨時(shí)性支護(hù)單元應(yīng)用處理不到位。

其次，要結(jié)合操作標(biāo)準(zhǔn)和具體要求進(jìn)行錨桿安裝，頂部打眼后就要安裝錨桿結(jié)構(gòu)，幫部則要利用吹眼器進(jìn)行清潔度的處理，然后按照固定要求將其直接和樹脂錨固劑分析處理。

最后，要依據(jù)錨索準(zhǔn)確性標(biāo)準(zhǔn)和順序完成錨索施工，靜待15min時(shí)間，再換錨索托盤，并且將預(yù)緊力控制在80kN以上。

除此之外，要結(jié)合煤礦區(qū)煤矸石開采管理和回填質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)落實(shí)充填區(qū)域的加固處理機(jī)制，保證荷載、整體性以及支撐強(qiáng)度參數(shù)都能滿足具體標(biāo)準(zhǔn)，最大程度上提高技術(shù)應(yīng)用效率，維持其整體效果。

4.煤礦區(qū)井下矸石回填技術(shù)發(fā)展方向

在科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展的時(shí)代背景下，矸石回填技術(shù)也將全面升級(jí)和優(yōu)化，打造更加多元的技術(shù)應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的和諧統(tǒng)一。

(1)矸石回填“置換”井下煤柱技術(shù)

①技術(shù)原理。主要是利用破碎的煤矸石、建筑垃圾等廢棄物，將其制成漿液的基礎(chǔ)上，利用充填泵設(shè)備和專用管路輸送方案，將其直接輸送到煤礦井下的采空區(qū)，待漿液凝固后就能實(shí)現(xiàn)對(duì)頂板結(jié)構(gòu)的支撐，有效置換井下煤柱結(jié)構(gòu)，打造更加科學(xué)合理且堅(jiān)固的處理模式。

②應(yīng)用設(shè)備。矸石破碎系統(tǒng)、物料配比攪拌系統(tǒng)以及管道泵送系統(tǒng)共同組成基礎(chǔ)應(yīng)用結(jié)構(gòu)，在對(duì)應(yīng)的物流轉(zhuǎn)載點(diǎn)都會(huì)設(shè)置篩蓖結(jié)構(gòu)，能有效避免管路的堵塞問題，最大程度上提高設(shè)備的應(yīng)用效率。因?yàn)榧夹g(shù)方案的影響因素較多，且會(huì)受到環(huán)境因素、項(xiàng)目規(guī)模因素等制約，所以，需要企業(yè)結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行反復(fù)的試驗(yàn)處理，確保充填料粒度的合理性和規(guī)范性，并且能有效維持整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定效果。

③具體要求。在矸石回填替換煤柱方案實(shí)施過程中，要綜合分析相關(guān)因素，因?yàn)槌涮盍蠞{的壓力參數(shù)較大，所以，要維持密封效果，避免出現(xiàn)裂縫，這就需要在工序中融合堵漏填縫的操作內(nèi)容，提升充填質(zhì)量的基礎(chǔ)上，也能為工作面安全性的優(yōu)化提供保障。

(2)似膏體自流充填

主要是從金屬礦山引入到煤礦處理體系中，所謂似膏體，指的就是煤矸石粉碎物、火電廠粉煤灰、河沙以及水泥等，需要地面配合車間落實(shí)相關(guān)加工工作，從地面到達(dá)綜采區(qū)域，然后利用總回風(fēng)巷充填鉆孔的方式，配合套管處理，有效維持管路處理的科學(xué)性，并且，需要配置水管結(jié)構(gòu)，保證管路堵塞時(shí)能借助高壓水予以處理控制，最大程度上提高充填處理的規(guī)范性和科學(xué)性。

這套系統(tǒng)最大優(yōu)勢(shì)就在于機(jī)械化程度較高，且對(duì)應(yīng)的充填效果較好、充填能力較大，但是這種處理機(jī)制也存在一定的弊端，尤其是地面似膏體制作過程較為復(fù)雜，并且需要布置鉆孔予以充填區(qū)域處理，比較常見的是淺部或者是煤層傾角在10°以下的炮采開采區(qū)域。

5.結(jié)束語

總而言之，在煤礦區(qū)煤矸石回填操作和開采過程中，要將安全性、科學(xué)性和技術(shù)可靠性作為關(guān)鍵，整合具體技術(shù)要點(diǎn)，維持操作方案的整體效果，強(qiáng)化煤矸石的強(qiáng)度和穩(wěn)定水平，完善回填質(zhì)量，減少資源的浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益的和諧統(tǒng)一。