東興煤礦井下矸石處理技術(shù)研究與應(yīng)用

趙春陽(yáng)

（山西省煤炭建設(shè)監(jiān)理有限公司，山西 太原 030000）

常規(guī)的垮落法開(kāi)采造成了地表的沉陷，并且沉降量的大小與煤炭資源的累計(jì)開(kāi)采量成正比。同時(shí)作為煤炭開(kāi)采中產(chǎn)生的固體廢棄物，煤矸石在地表堆積，侵占了耕地，污染了環(huán)境。據(jù)統(tǒng)計(jì)，矸石產(chǎn)量約為原煤產(chǎn)量的15%左右，每年的矸石產(chǎn)量約為4～5 億t，累計(jì)堆放量超過(guò)40 億t。近年來(lái)，為減少地表沉降同時(shí)處理矸石，充填開(kāi)采技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。為解決矸石占用土地資源、污染環(huán)境以及建下壓煤?jiǎn)栴}，太原東山東興煤礦開(kāi)展了井下巷式充填技術(shù)的研究，將矸石回填到巷道中，取得了較好的應(yīng)用效果。

1 概 況

1.1 地質(zhì)條件

東興煤礦井田范圍內(nèi)唯一可采的煤層是15 號(hào)煤，位于太原組中下部，全區(qū)穩(wěn)定可采，厚度5.10～6.75 m，平均5.83 m，該煤層結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單—較簡(jiǎn)單，含0～3 層夾矸，單層最大厚度0.35 m。煤層頂?shù)装鍘r性如圖1 所示。

圖1 15 號(hào)煤頂?shù)装鍘r性Fig.1 Lithology of No.15 coal roof and floor

1.2 存在的問(wèn)題

當(dāng)前礦井產(chǎn)生的矸石由井下運(yùn)輸提升至地面，在指定的區(qū)域堆積形成矸石山。矸石山的存在占用了大量的土地資源，對(duì)礦區(qū)環(huán)境造成了污染。同時(shí)，矸石長(zhǎng)期地面堆積在風(fēng)化作用下可釋放部分重金屬，污染水資源。東興煤礦的15 號(hào)煤為Ⅱ級(jí)自燃煤層，遺留在矸石山中的煤炭資源會(huì)發(fā)生自燃，存在一定的事故風(fēng)險(xiǎn)。

1.3 處理方式的確定

當(dāng)前的矸石固廢處理主要包括矸石綜合利用和矸石井下充填兩種方式。煤矸石可用于發(fā)電、生產(chǎn)建筑材料、生產(chǎn)肥料、制備化工原料等，但其初期投資大、建設(shè)周期長(zhǎng)、經(jīng)濟(jì)效益低。東興礦每年的矸石產(chǎn)生量約為1.1 萬(wàn)t，相對(duì)較少，且矸石中大部分夾有地質(zhì)構(gòu)造的石塊，品質(zhì)不符合相關(guān)要求，因此綜合利用的方式不適用。

我國(guó)煤礦井下矸石充填可以分為矸石固體直接充填和膏體材料充填。與膏體材料相比，矸石固體充填的工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，并且初期投入以及后期的運(yùn)營(yíng)成本較低，因此首選矸石固體充填。結(jié)合東興煤礦的實(shí)際生產(chǎn)條件，確定選用巷道矸石充填的方式處理矸石固廢。

2 巷道布置及支護(hù)

2.1 處理區(qū)域及巷道布置

根據(jù)礦井開(kāi)拓布置，確定主充填區(qū)域井下位于F3 斷層?xùn)|北部，南部為原寨溝采空區(qū)，東南部為3條集中大巷，北部為未掘區(qū)域。地面位置為前李家山村居民區(qū)村莊保護(hù)煤柱外東南部。整個(gè)充填區(qū)域位于村莊保護(hù)煤柱和大巷之間，無(wú)法布置正規(guī)工作面。

整個(gè)充填區(qū)域內(nèi)總有效容積79 713 m3，其中充填回風(fēng)巷、回風(fēng)聯(lián)巷、排矸運(yùn)輸巷充填設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度432 m，總?cè)莘e10 368 m3，有效容積9 331 m3；全區(qū)域共設(shè)計(jì)有7 條矸石巷，總充填長(zhǎng)度1 077 m，總?cè)莘e32 310 m3，有效容積29 079 m3。充填區(qū)域可處理矸石量6.1 萬(wàn)t，充填區(qū)域可充填矸石服務(wù)年限11 a，大于礦井實(shí)際服務(wù)年限，可滿足礦井的矸石排放需要。

在F3 斷層?xùn)|北部充填區(qū)域內(nèi)東北- 西南向平行布置充填回風(fēng)巷和排矸運(yùn)輸巷，充填回風(fēng)巷和排矸運(yùn)輸巷通過(guò)回風(fēng)聯(lián)巷相連；排矸運(yùn)輸巷東側(cè)與3號(hào)聯(lián)絡(luò)巷貫通；充填回風(fēng)巷東側(cè)與一采區(qū)大巷聯(lián)絡(luò)巷貫通，形成充填區(qū)域的通風(fēng)、運(yùn)輸?shù)认到y(tǒng)。在距離充填回風(fēng)聯(lián)巷25 m 煤柱布置1 個(gè)掘進(jìn)巷，距離掘進(jìn)巷35m 布置1 個(gè)排矸巷，保證矸石的充填作業(yè)接替。排矸運(yùn)輸巷、充填回風(fēng)巷和充填回風(fēng)聯(lián)巷均沿15 號(hào)煤層頂板布置，充填區(qū)域采用“一進(jìn)一回”的通風(fēng)方式，排矸運(yùn)輸巷內(nèi)鋪設(shè)膠帶輸送機(jī)和軌道兼作進(jìn)風(fēng)。

為保證井下掘進(jìn)、充填的正常銜接，設(shè)計(jì)充填區(qū)域內(nèi)配有1 個(gè)掘進(jìn)面和1 個(gè)充填面。

2.2 巷道支護(hù)方式

以排矸巷為例，巷道設(shè)計(jì)斷面為矩形，尺寸為5 m×6 m，分兩次掘進(jìn)，初次掘進(jìn)斷面5 m×3 m，支護(hù)采用錨網(wǎng)索支護(hù)，如圖2 所示。

圖2 巷道斷面支護(hù)Fig.2 Roadway section support

巷道頂板選用φ20 mm×2 000 mm 的螺紋鋼錨桿，共6 根，間距900 mm，排距1 000 mm；頂板采用φ17.8 mm×7 000 mm 鋼鉸線進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)，排距2 000 mm，間距1 800 mm。巷道兩幫選用φ20 mm×2 000 mm 的螺紋鋼錨桿，間距1 000 mm，排距1 000 mm，距離頂板3 m 位置處每2 m補(bǔ)打1 根4 500 mm 錨索對(duì)幫進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)支護(hù)。

頂錨桿錨固劑采用Z2360 和K2335 各一卷；幫錨桿錨固劑采用Z2360 和K2335 各一卷；頂錨索錨固劑采用Z2360 兩卷和K2335 一卷；幫錨索錨固劑采用Z2360 和K2335 各一卷。

網(wǎng)片采用12 號(hào)鐵絲菱形網(wǎng)，網(wǎng)格40 mm×40 mm，規(guī)格1 000 mm×10 000 mm，網(wǎng)片搭接長(zhǎng)度100 mm。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 開(kāi)采步驟

為進(jìn)一步保證巷式充填過(guò)程中隔離煤柱的安全穩(wěn)定，根據(jù)巖層移動(dòng)控制機(jī)理，采用“逐步縮小煤柱寬度”的跳掘方法進(jìn)行掘巷，如圖3 所示。

圖3 巷道掘進(jìn)和充填順序示意Fig.3 Roadway excavation and filling sequence diagram

首先掘進(jìn)排矸運(yùn)輸巷和充填回風(fēng)巷、充填回風(fēng)聯(lián)巷，充填區(qū)域形成獨(dú)立的通風(fēng)系統(tǒng)；在充填回風(fēng)聯(lián)巷東側(cè)65 m 處施工1 號(hào)排矸巷；在充填回風(fēng)聯(lián)巷東側(cè)25 m 處施工5 號(hào)掘進(jìn)巷，同時(shí)對(duì)1 號(hào)矸石巷進(jìn)行充填；在35 m 煤柱中間再掘3 號(hào)巷，即兩巷之間留15 m 煤柱，并充填已掘的5 號(hào)排矸巷道。依此類推，礦井以1 個(gè)掘進(jìn)面和1 個(gè)充填工作面，保證井下矸石的充填。同時(shí)，為保證充填回風(fēng)巷的通風(fēng)安全，充填回風(fēng)巷側(cè)的排矸巷應(yīng)最后完成。

在排矸巷充填完畢后，對(duì)排矸運(yùn)輸巷、充填回風(fēng)巷、充填回風(fēng)聯(lián)巷進(jìn)行二次拉底，作為排矸巷進(jìn)行充填。

3.2 運(yùn)矸系統(tǒng)

充填矸石卸載至矸石巷皮帶輸送機(jī)機(jī)尾，由矸石巷皮帶輸送機(jī)裝置至充填工作面。

主井生產(chǎn)系統(tǒng)人工撿出的矸石進(jìn)入地面臨時(shí)場(chǎng)地，經(jīng)轉(zhuǎn)載入礦車后，由副斜井運(yùn)至井下回填；掘進(jìn)矸石不出井，在井下充填巷道排矸。

地面矸石—副斜井—集中軌道大巷—矸石車場(chǎng)—翻矸機(jī)—破碎機(jī)—排矸運(yùn)輸巷—排矸巷皮帶輸送機(jī)—拋?lái)窓C(jī)—充填面。

掘進(jìn)面矸石—礦車—矸石車場(chǎng)—翻矸機(jī)—破碎機(jī)—排矸運(yùn)輸巷—排矸巷皮帶輸送機(jī)—拋?lái)窓C(jī)—充填面。

3.3 主要設(shè)備

充填區(qū)域掘、裝、運(yùn)、充工序全部采用機(jī)械化，對(duì)于機(jī)械設(shè)備的選擇首先滿足技術(shù)先進(jìn)，生產(chǎn)可靠，安全高效；同時(shí)各設(shè)備間要相互配套，保證運(yùn)輸暢通。主要設(shè)備見(jiàn)表1。

4 應(yīng)用效果

4.1 巷道變形觀測(cè)

為掌握巷道的變形情況，優(yōu)化支護(hù)方案，在巷道掘進(jìn)后設(shè)置測(cè)點(diǎn)，對(duì)巷道表面位移進(jìn)行觀測(cè)，觀測(cè)結(jié)果如圖4 所示。

圖4 巷道變形觀測(cè)結(jié)果Fig.4 Roadway deformation observation results

由圖4 可以看出，在整個(gè)觀測(cè)周期內(nèi)，巷道的變形量緩慢增長(zhǎng)，但變形速率較小。最終頂板下沉量為44.5 mm，兩幫收斂量為20.1 mm，變形量相對(duì)較小，對(duì)后續(xù)充填工作幾乎無(wú)影響。

4.2 地表沉降

由于目前充填區(qū)域較小，地表尚未觀測(cè)到變形值。因此采用等效采高的方式對(duì)充填后的地表沉降進(jìn)行估算，公式如下：

式中：m 為充填巷道高度；η 為矸石的壓縮率；δ為巷道頂板下沉量；△為充填未接頂量。

根據(jù)充填區(qū)域的地質(zhì)生產(chǎn)條件計(jì)算可得，該區(qū)域巷道充填的等效開(kāi)采厚度為0.558 m，由此計(jì)算可得的地表變形最大值，見(jiàn)表2。變形值較小，對(duì)建筑物無(wú)影響。

表2 地表最大變形值Table 2 Maximum surface deformation value

4.3 效益分析

4.3.1 經(jīng)濟(jì)效益

充填系統(tǒng)每年需掘進(jìn)矸石充填巷道720 m，年投資約500 萬(wàn)元，巷道掘進(jìn)出煤可實(shí)現(xiàn)的原煤銷售收入1 200 萬(wàn)元。根據(jù)測(cè)算，如果矸石地面堆積，征地費(fèi)、公路綠化費(fèi)、矸石場(chǎng)土建工程等約需投入560 萬(wàn)元。綜上可得，采用巷道充填的方式處理矸石，年可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益1 260 萬(wàn)元，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

4.3.2 社會(huì)效益

采用煤矸石井下充填矸石巷，預(yù)計(jì)每年減少3.0 萬(wàn)t 煤矸石排放，減少了煤矸石占地，解決了煤矸石地面堆積對(duì)空氣、水、土地等的污染問(wèn)題。同時(shí)采用巷道充填的方式將原先不可采的大巷及村莊保護(hù)煤柱進(jìn)行了回收，可提高煤炭資源的回收率，有利于延長(zhǎng)礦井的服務(wù)年限。

5 結(jié) 論

（1） 在對(duì)比不同矸石處理方式的基礎(chǔ)上，東興煤礦確定采用巷道矸石充填的方式處理矸石。

（2） 為保證井下掘進(jìn)、充填的的正常銜接，設(shè)計(jì)充填區(qū)域內(nèi)配有1 個(gè)掘進(jìn)面和1 個(gè)充填面，采用“逐步縮小煤柱寬度”的跳掘方法進(jìn)行掘巷。

（3） 采用等效采高對(duì)地表沉陷進(jìn)行測(cè)算，結(jié)果表明，采用巷道巷充的方式對(duì)地表的影響較小，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著。