王莊礦矸石混凝土間隔充填連續采煤工藝研究

魏小東

(潞安環能股份公司王莊煤礦，山西長治 046031)

王莊煤礦經過四十多年開采，煤炭資源已經成為制約該礦長遠發展的重要因素，開采“三下”壓煤［1］是有效解決該問題的主要方法之一，經統計，目前王莊礦3號煤層三下壓煤共有21個塊段，總儲量6 193.4 萬 t。矸石混凝土充填采煤［2，3］是將矸石、水、水泥及添加劑以一定的比例混合，利用混凝土輸送泵充填到采空區，待混凝土凝固后形成支撐覆巖的結構體系，從而控制覆巖下沉，實現安全開采三下壓煤。本文根據王莊煤礦煤層賦存條件及頂底板巖石物理力學性能，提出了利用矸石混凝土間隔充填，連續采煤機短壁機械化［4，5］開采三下壓煤的采煤方法。

1 采煤系統

1.1 巷道布置

工作面膠帶順槽與軌道順槽沿大巷垂直布置，兩條順槽間留聯絡巷，順槽間留15 m煤柱。在區段內順槽將工作面分為左右兩翼，工作面寬度可根據實際開采條件確定，考慮到通風條件一般單翼開采不超過150 m，雙翼開采不超過300 m，走向長度不受限制，煤房沿著順槽聯絡巷方向向左右兩翼布置，也可單翼布置，煤房長度不超過150 m，寬度為5 m，高度根據履帶行走式液壓支架的支撐高度確定為5 m，煤房間的煤柱寬度為10 m～15 m。順槽和煤房均采用矩形斷面，寬5 m，采用樹脂錨桿支護。開采及充填巷道布置見圖1。

1.2 采煤方法

采用旺格維利采煤法，首先開采煤房(圖1中A巷)，煤房高為煤層厚度，寬為5 m，樹脂錨桿支護，煤房間留煤柱，寬度為10 m～15 m，王莊礦3號煤的平均厚度為6.5 m，煤房的高度較大，所以在開采煤房時可分層開采，先開采上分層，采高3.5 m，并對煤房進行支護，然后開采下分層，采高3 m。當煤房掘進到設計位置以后，開始用矸石混凝土充填系統充填煤房，充填完兩個煤房后，后退回收兩個煤房間的煤柱。

圖1 開采及充填巷道布置圖（單位：m）

回收煤柱時需要在煤柱中間重新開掘煤房(圖1中B巷)，樹脂錨桿支護，此時煤房的高度根據履帶行走式液壓支架的最大支撐高度確定，煤房高度為5 m，當煤房掘進到位后，開始回收兩側煤柱，采用雙側回收。連續采煤機從煤房內兩側依次以45°角斜切進刀回收煤柱，斜切進刀深度決定于所留煤柱的寬度，如采用煤柱寬度為15 m，除去中間新掘煤房寬度5 m，兩側各剩余5 m的煤柱，此時則斜切進刀深度為7 m，寬度為3.3 m，連續采煤機每回收一刀，兩臺履帶式液壓支架邁步后退，及時支護交點處的空頂面積?；厥彰褐鶗r工作面及設備布置見圖2。

圖2 煤柱回收方式及設備布置圖

1.3 頂板管理

采用履帶行走式液壓支架支護交叉點區頂板，采空區煤柱除連續采煤機切割死角的三角煤柱不能回收外，煤房內的絕大部分煤柱將會被回收，直接頂為泥巖，強度低，因而直接頂將隨采隨冒，老頂會在充填的條帶狀矸石混凝土支撐下保持穩定。

1.4 采煤工作面設備選型

1)采煤機。依據王莊煤礦煤層的賦存條件，選用美國九益公司12CM27連續采煤機，該機型主要技術特征如下:采高2.6 m～5.5 m;生產能力15 t/min～27 t/min;總裝機功率459 kW;截煤滾筒:寬度3.3 m，直徑915 mm;裝載機構形式為扒爪式;自重55.384 t。

2)履帶行走式液壓支架。履帶行走式液壓支架主要隨連續采煤機跟機工作，對頂板及時支護，為采煤設備及人員提供安全的作業空間。通過對技術參數的比較，選用太原煤科院研制的XZ7000/25.5/50型履帶行走式液壓支架兩臺。

3)梭車。采用SC15/182型梭車兩臺，作為運輸設備與連續采煤機配套使用，該機型主要適用于礦井邊角煤回收、殘采煤回收、三下采煤等不適合進行長壁工作面開采的區域，同時也可作為巷道快速掘進的配套運輸工具。

2 充填系統

2.1 系統構成

充填系統由矸石破碎系統、攪拌系統、輸送系統、控制系統和防塵系統構成。充填系統見圖3。

圖3 充填系統圖

2.2 充填工藝

1)煤房充填工藝。當煤房掘進到位后進行充填。矸石混凝土在膠結凝固的過程中會出現體積收縮的現象，充填高度越高，矸石混凝土凝固后收縮量就越大，這會嚴重影響充填的質量，而且一次充填高度過高，也會增加充填施工的難度。所以為了提高充填質量，充填煤房采用分層充填:首先充填下分層，一次充填高度為4.0 m，充填長度可根據現場的實際情況確定，等下分層的充填完成后，再充填上分層，充填高度2.5 m，但要注意上下兩個分層之間充填間隔時間不能小于7 d，因為混凝土在凝固的前7 d內，強度會達到其強度的80%左右，收縮變形也會完成總變形的80%～90%。

2)充填接頂工藝。充填接頂質量的好壞直接決定了上覆巖層的變形，所以這是整個充填過程中最重要的一項工序，用以下工藝措施來保證充填體的接頂質量:在充填煤房上分層時，緊貼煤房頂板，在頂板中間預留一路注漿管，等煤房上分層充填完畢并等混凝土初凝時間達到7 d后，用預留的注漿管對充填體收縮后產生的間隙進行注漿。通過這一工藝就可防止充填體欠接頂而影響充填效果。

3 結語

利用煤矸石制備矸石混凝土進行充填開采，是一種礦產資源綠色開采方法，既解決了環境問題，又提高了煤炭資源采出率，是采煤技術的發展方向，本文提出了一種矸石混凝土間隔充填并使用連續采煤機進行開采的采煤方法，該法用充填體支撐煤層上覆巖層控制其下沉，并利用連續采煤機機動性能好的特點來開采充填體之間的煤，是一種回采率高、機械化程度高的采煤工藝。

［1］張華興，郭惟嘉.“三下”采煤新技術［M］.徐州:中國礦業大學出版社，2008.

［2］劉同有.充填采礦技術與應用［M］.北京:冶金工業出版社，2001.

［3］孫恒虎，黃玉誠，楊寶貴.當代膠結充填技術［M］.北京:冶金工業出版社，2002.

［4］胡炳南，張玉卓，王明立.連續采煤機房柱式分層開采厚煤層技術研究［J］.煤炭科學技術，2000，28(10):46-48.

［5］魏學全.星村煤礦連續采煤機房柱式開采設計探討［J］.煤礦現代化，2004，61(4):53-55.