余吾煤礦井下矸石巷道充填技術(shù)研究與應(yīng)用

呂鯤

（山西潞安化工集團(tuán)，山西長(zhǎng)治 046000）

0 引言

我國(guó)2022 年生產(chǎn)原煤45.0 億t，同比增長(zhǎng)9%，2023 年全國(guó)原煤產(chǎn)量預(yù)計(jì)將達(dá)到46.5 億t。隨著原煤產(chǎn)量的增加，煤炭矸石產(chǎn)量也逐年增長(zhǎng)。目前，我國(guó)地面矸石堆積量超過(guò)60 億t，形成矸石山近2000 座。大量的矸石對(duì)地表生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響[1-4]。許多專(zhuān)家學(xué)者開(kāi)展了矸石處理技術(shù)的研究。高登云[5]等詳細(xì)闡述了神東礦區(qū)矸石處理和利用技術(shù)；代君偉[6]等將矸石破碎后制成漿體，利用管路輸送到井下采空區(qū)中，解決了矸石地面污染和采空區(qū)地表沉陷的問(wèn)題；張健[7]等在邢東礦建設(shè)了井下采選充一體化的矸石處理系統(tǒng)，保證了地表建筑物的穩(wěn)定，實(shí)現(xiàn)了礦井的可持續(xù)發(fā)展；劉煒震[8]等將矸石制成膏體，寬巷掘進(jìn)，置換煤炭資源，達(dá)到了矸石零排放的目的；李曉磊[9]等在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)分析了矸石膠結(jié)充填體不同配比下的單軸抗壓強(qiáng)度，為井下應(yīng)用提供了參考。潞安集團(tuán)余吾煤礦為提高巖巷掘進(jìn)速度，采用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)。在調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)矸石處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用巷道充填的方式井下就地處理矸石，取得了較好的效果。

1 工程概況

1.1 存在的問(wèn)題

余吾煤礦井田面積為161.205 km2，主采3 號(hào)煤層，平均厚度6.02 m，傾角一般3°～11°，屬近水平緩傾斜煤層。煤種為貧煤，其特點(diǎn)為中灰、特低硫、低磷、高發(fā)熱量、高熔灰份，是優(yōu)質(zhì)的動(dòng)力和化工用煤，煤層頂?shù)装鍘r性見(jiàn)表1。

為滿(mǎn)足礦井采掘銜接規(guī)劃，余吾礦選用護(hù)盾式TBM 盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行南六、南七采區(qū)1 號(hào)、2 號(hào)回風(fēng)下山及聯(lián)絡(luò)巷施工。

施工巷道設(shè)計(jì)圓形斷面，直徑6.3 m，斷面面積31.16 m2，掘進(jìn)矸石總量約為26 萬(wàn)m3，矸石粒徑以30～100 mm 居多。由于施工進(jìn)度快，排矸量大，矸石進(jìn)入煤流運(yùn)輸系統(tǒng)，將對(duì)煤質(zhì)產(chǎn)生較大影響。同時(shí)也增加了主運(yùn)系統(tǒng)無(wú)效運(yùn)輸量，提升的矸石地面堆積，也會(huì)增加治理費(fèi)用。為此，需要采用一種經(jīng)濟(jì)合理的方式對(duì)矸石進(jìn)行井下處理。

1.2 處理方式的選擇

當(dāng)前常用的矸石井下處理方式主要有3 種：膏體材料充填、綜采矸石充填和巷道矸石充填。不同方式的對(duì)比見(jiàn)表2[10-11]。

表2 不同矸石處理方式的對(duì)比Table 2 Comparison of different gangue treatment methods

余吾礦處理的矸石主要來(lái)源是巖石巷道的掘進(jìn)，巖巷施工結(jié)束后，矸石量大幅降低。并且充填的目的僅僅是為了處理矸石，無(wú)地表控制要求，因此選用巷道矸石充填的方式。

1.3 充填區(qū)域確定

為縮短運(yùn)輸距離，充填區(qū)域應(yīng)優(yōu)先考慮靠近掘進(jìn)的巷道。盾構(gòu)機(jī)施工的巷道附近有S3102 工作面停采線(xiàn)與三條大巷間大巷煤柱、石料環(huán)保廠(chǎng)和綠康牛羊養(yǎng)殖社的保護(hù)煤柱，可在兩處區(qū)域掘進(jìn)巷道充填矸石，如圖1 所示。

圖1 矸石巷道充填區(qū)域Fig.1 Filling area of gangue roadway

2 充填方案設(shè)計(jì)

2.1 煤柱寬度的計(jì)算

采用極限強(qiáng)度理論確定條帶煤柱的寬度[12]。掘進(jìn)巷道將煤炭資源采出后，巷道周邊煤體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，在淺部形成應(yīng)力集中，邊緣部分承載能力急劇降低，形成塑性區(qū)，塑性區(qū)中部為彈性核區(qū)，如圖2 所示（圖中σ為煤柱極限強(qiáng)度）。

圖2 煤柱內(nèi)分區(qū)破壞示意Fig.2 Damage of the partitionin coal pillar

煤柱的留設(shè)寬度L按下式計(jì)算：

式中：Y為塑性區(qū)寬度，m；C為彈性核區(qū)寬度，m。

根據(jù)A.H.Wilson 的研究，塑性區(qū)寬度Y與埋深、煤層采高之間存在一定關(guān)系，如式（2）所示。

式中：M為煤層采高，m；H為煤層埋深，m。

由于巷道掘進(jìn)后采用進(jìn)行了充填，矸石可以承擔(dān)頂板巖層的部分載荷，造成礦壓顯現(xiàn)的明顯改變。因此，式（2） 中煤層的采高M(jìn)用等效采高計(jì)算[13-14]。

等效高計(jì)算式為：

式中：h為巷道高度，m；ω 為充填率，%；η 為壓縮率，%。

充填巷道的高度為6.0 m，充填率和壓縮率按90%計(jì)算，代入式（3） 可得等效采高為1.14 m。巷道的埋深為520 m，代入式（2） 可得，塑性區(qū)寬度為2.92 m。根據(jù)實(shí)測(cè)資料，彈性核區(qū)寬度為8.4 m，代入式（1） 可得，煤柱寬度為14.24 m?？紤]一定的富余系數(shù)，實(shí)際取15 m。

2.2 巷道支護(hù)

與其他掘進(jìn)巷道不同，充填巷道主要作為矸石的運(yùn)輸通道和充填矸石用，維護(hù)時(shí)間短，服務(wù)期限一般在1 a 以?xún)?nèi)，支護(hù)要求相對(duì)較低，充填過(guò)程中不出現(xiàn)掉渣及大面積幫臌即可。根據(jù)圍巖條件，確定充填巷的支護(hù)參數(shù)，如圖3 所示。

圖3 矸石充填巷支護(hù)Fig.3 Gangue filling roadway support

斷面為矩形斷面，寬6.0 m，高6.0 m，支護(hù)排距0.9 m，錨索3-2-3 布置，錨索間距1800 mm，規(guī)格為φ22 mm×6300 mm；頂錨桿每排7 根，間距900 mm；幫錨桿每排每幫8 根，巷道二次成巷，上部間距850 mm，下部間距700 mm；頂采用雙鋼筋托梁，頂規(guī)格為φ16-5600×100-7-900，幫采用井字形托盤(pán)；頂金屬網(wǎng)規(guī)格為40×40-6400×840，幫金屬網(wǎng)規(guī)格為40×40-3800×840、40×40-2400×840。

當(dāng)頂板破碎或遇地質(zhì)構(gòu)造帶時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況，編制專(zhuān)項(xiàng)安全技術(shù)措施，縮小錨桿、錨索支護(hù)排距，提高支護(hù)強(qiáng)度。

3 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

3.1 矸石物料運(yùn)輸路線(xiàn)

矸石的運(yùn)輸路線(xiàn)為T(mén)BM 盾構(gòu)機(jī)施工工作面—南六采區(qū)2 號(hào)聯(lián)絡(luò)巷—南六采區(qū)進(jìn)風(fēng)下山—南六采區(qū)等候室—進(jìn)風(fēng)大巷—大巷5 號(hào)聯(lián)絡(luò)巷—膠帶大巷—s3102 膠帶順槽—填矸巷，如圖4 所示。

物料車(chē)輛由中央?yún)^(qū)副立井（南風(fēng)井） 下井，由電機(jī)車(chē)運(yùn)輸至南三軌道大巷1 號(hào)車(chē)場(chǎng)，經(jīng)單軌吊換裝后，運(yùn)輸至各充填巷口。運(yùn)輸設(shè)備為CTL12/9GP型電機(jī)車(chē)、DZ18003+3 型柴油單軌吊機(jī)車(chē)。

3.2 充填能力及設(shè)備

余吾礦所選TBM 盾構(gòu)機(jī)月平均進(jìn)尺400 m/月，日進(jìn)尺13.3 m，出矸量為68.5 t/h。充填系統(tǒng)中，運(yùn)輸機(jī)選用DSJ800 型皮帶運(yùn)輸機(jī)，最大運(yùn)輸能力400 T/h，拋?lái)窓C(jī)選用TCJ-D80/30/67 型，最大充填能力為350 t/h，充填系統(tǒng)與TBM 系統(tǒng)同步運(yùn)行、同步檢修。巷道矸石充填系統(tǒng)的主要設(shè)備見(jiàn)表3。

表3 巷道充填主要設(shè)備Table 3 Main equipment of roadway filling

3.3 效益分析

3.3.1 經(jīng)濟(jì)效益

巷道矸石充填處理了井下矸石，節(jié)省了矸石提升和地面處理費(fèi)用，同時(shí)提高了煤炭資源的回收率，但掘巷及充填本身也產(chǎn)生一定的費(fèi)用。

（1） 巷道掘進(jìn)費(fèi)用。2 個(gè)區(qū)域巷道進(jìn)尺8164 m，成本按8500 元/m 計(jì)算，總計(jì)6939 萬(wàn)元。

（2） 矸石充填費(fèi)用。矸石運(yùn)輸及充填所需的動(dòng)力費(fèi)及人工費(fèi)等，按150 元/t 計(jì)算，總計(jì)3750萬(wàn)元。

（3） 設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用。矸石巷道充填需要購(gòu)置拋?lái)窓C(jī)等設(shè)備，合計(jì)1246 萬(wàn)元。

（4） 節(jié)省提升費(fèi)用。矸石井下充填，避免了提升到地面，預(yù)計(jì)節(jié)約輔助運(yùn)輸各項(xiàng)費(fèi)用263萬(wàn)元。

（5） 節(jié)省矸石處理費(fèi)用。升井后的矸石需要進(jìn)行覆蓋、綠化治理，按5 元/t 計(jì)，總計(jì)可節(jié)約矸石治理費(fèi)用210 萬(wàn)元。

（6） 回收煤炭資源。矸石巷道充填可置換煤柱資源40 萬(wàn)t，可創(chuàng)造經(jīng)濟(jì)效益約2 億元。

綜上可得，將矸石采用掘巷的方式進(jìn)行井下處理，預(yù)計(jì)可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益8538 萬(wàn)元。

3.3.2 社會(huì)效益

矸石井下處理，可減少礦井主運(yùn)輸系統(tǒng)的壓力，提高有效提升率。同時(shí)矸石置換了井下綜采工作面無(wú)法回收的煤炭資源，提高了回收率，延長(zhǎng)了礦井的服務(wù)年限。隨著國(guó)家環(huán)保的不斷加強(qiáng)，矸石井下處理可有效保護(hù)地面的生態(tài)環(huán)境，社會(huì)效益顯著。

4 結(jié)論

（1） 余吾煤礦采用盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)巖巷，產(chǎn)生大量矸石。在綜合對(duì)比的基礎(chǔ)上，確定采用巷道充填的方式井下就地處理。

（2） 通過(guò)理論計(jì)算，確定充填區(qū)域充填巷道之間的煤柱尺寸為15 m，可保護(hù)地面建筑物的穩(wěn)定。

（3） 將矸石井下處理，可產(chǎn)生經(jīng)濟(jì)效益8538萬(wàn)元，提高煤炭資源的回收率，延長(zhǎng)礦井的服務(wù)年限，經(jīng)濟(jì)社會(huì)效益顯著。