上海廟礦區長城一礦“采、充、留”綠色開采技術研究

趙大勇，張磊鑫，張　蒼

（山東能源新礦集團內蒙能源有限責任公司，內蒙古鄂爾多斯016200）

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上海廟礦區長城一礦“采、充、留”綠色開采技術研究

趙大勇，張磊鑫，張蒼

（山東能源新礦集團內蒙能源有限責任公司，內蒙古鄂爾多斯016200）

摘要：煤礦開采技術的進步和完善始終是采礦學科發展的主題，而綠色開采又是煤炭開采的發展方向，對提高煤炭采出率、保護生態環境和實現煤礦可持續發展具有十分重要的意義。上海廟礦區長城一礦將綜合機械化采煤、地面洗矸與原生矸石架后充填、墩柱沿空留巷三種開采技術綜合一體化應用，實現了由垮落法、有煤柱開采方式向充填法、無煤柱連續開采方式的轉變，取得采煤工藝上的新突破，實現了集約高效、綠色開采。

關鍵詞：“采、充、留”并行；鉆孔溜矸；架后充填；墩柱留巷

隨著采煤工藝的進步、綜合機械化開采設備的應用、煤礦管理水平的提高，越來越多的新工藝得以實現。長城一礦就礦山開采過程中如何實現資源開發效率最高、對生態環境影響最小，使企業經濟效益與社會效益更加協調優化進行積極探索，通過聯合科研院所專門研制適合礦井生產條件的大采高、大阻力、六柱式高效ZC9900/20/38型充填液壓支架，自主研發了底卸式液壓自動卸料充填刮板運輸機和提高矸石堆積密實度的推移搗實機構，與中國礦大合作研發了國內首創的鋼管混凝土墩柱作為留巷主體的沿空留巷支護體系，目前形成了“采、充、留”并行的一體化高效綠色開采技術。

1　“采、充、留”采煤工作面概況

長城一礦第一生產水平1902S綜采充填工作面位于+920水平第二區段南翼，所采煤層為九層煤下分層。工作面南北走向長510 m，東西傾斜寬度130 m,平均埋深266 m，煤厚平均3.5 m，煤層傾角26.4°，可采儲量33萬t。九層煤下分層直接頂板為白色砂巖,厚0.3 m～2.0 m，基本頂為石灰巖，厚2.0m～2.5 m；直接底板由北向南由灰黑色粉砂質泥巖變為灰白色粉砂巖,平均厚度3 m。

2　“采、充、留”一體化開采技術

依靠科技進步，積極推進充填開采理論研究。同中國礦業大學深化了充填理論研究，在量化充填介質特性、充填參數對于地表沉降的關系，部分充填與可控性下沉等方面進行深入研究，努力為充填設計提供理論指導。重點圍繞改善采場和巷道維護、提高采出率、加快生產循環、充填裝備等方面開展了技術研究。

2.1充填開采技術配套系統

矸石充填系統包括地面固體充填物料投放系統、井下矸石儲存運輸系統、綜采架后充填系統三個子系統。

1）大垂深小孔徑固體充填物料直投系統—鉆孔溜矸。矸石直投系統中輸料孔深度為310 m，孔徑500 mm，全孔下入陶瓷襯壁鑄鐵耐磨套管，實現矸石的自重運輸。地面處理系統不僅能夠處理礦井洗選矸石，還能處理地面建筑垃圾和其他固體廢物。地面矸石投放系統包括地面儲矸場、矸石輸料孔、建筑垃圾破碎機、矸石給料系統。地面儲矸場配備矸石處理破碎機、輸矸皮帶、鏟車以及井上下通訊系統，將地面矸石（或洗矸）進行簡單的破碎處理后，輸送到矸石輸料孔的進料口。

2）井下矸石儲運系統。該系統包括緩沖硐室、矸石破碎系統、+920水平矸石倉、矸石運輸皮帶。地面處理系統處理后的矸石以及其他材料經過輸料孔，輸送到井下儲存運輸系統，輸料孔落下的矸石經緩沖硐室，儲存在+920水平矸石倉中，矸石倉直徑5.5 m，垂高11 m，有效容量208 t。后經過給煤機轉運到采區輸矸皮帶上輸送至充填工作面后部充填運輸機。

掘進工作面的原生矸石經破碎機破碎后，進入+920水平矸石倉，然后一并經矸石運輸皮帶運送至綜采充填工作面后部運輸機進行工作面充填。

3）自主研發特制綜采充填支架—架后充填。綜采架后充填系統裝備ZC9900/20/38型大采高、大阻力、六柱式充填液壓支架，裝備MG300/700-WD型雙滾筒采煤機、SGZ730/400型刮板運輸機完成采煤、支護、充填工藝。

ZC9900/20/38型充填液壓支架為自主研發的大采高、大阻力、六柱式高效充填液壓支架，該支架四連桿機構在前后立柱之間，從而簡化了支架的結構，既改善了支架后部工作條件，又具有足夠的通風斷面和行人空間。四個立柱支撐在前頂梁上，另兩個立柱支撐在后頂梁上，使后頂梁具有較大的支頂力。

自行研制SGZ630/264型充填運輸機為底卸式充填刮板運輸機，通過吊掛的方式懸掛在充填支架的后尾梁上，該運輸機配備底部開有卸料槽的中部槽，卸料槽通過液壓支架提供的高壓液體，帶動油缸實現卸料槽的開啟和關閉，從而實現矸石的下落、充填。為解決充填溜頭處矸石堆積、充實率低的問題，在充填運輸機溜頭處增設了推移搗實機構，利用油缸推動鏟板，將溜頭處堆積的矸石推向采空區側，提高了溜頭處的矸石堆積密實程度，提高了留巷段的護巷效果。

自主研發的大采高、大阻力六柱支撐式充填配套設備聯合試運轉的成功，適應了厚煤層采煤工作面高效充填的需求，實現了同一支架系統充填與采煤并行作業，工作面年生產能力達到90萬t以上。

2.2鋼管混凝土墩柱沿空留巷無煤柱開采技術——墩柱留巷

沿空留巷支護系統采用國內首創的鋼管混凝土墩柱做為留巷的主體，輔助配合混凝土灌注、巷旁加強支護和采空區側擋風護幫措施，形成完善的留巷體系。

鋼管混凝土墩柱沿空留巷技術是與中國礦業大學聯合研發的一種新型的留巷技術。采用鋼管混凝土墩柱進行支護，墩柱外側堆砌3排裝填矸石的袋子至頂板，共同承擔頂板壓力，還可以阻擋采空區的有害氣體和涌水進入留巷空間。鋼管混凝土墩柱是在空鋼管中充填混凝土制作而成的，采用φ299 mm×6 mm的普通無縫鋼管，鋼管長度依巷道高度確定，鋼管底部焊接注漿口，上沿切直徑30 mm的半圓排氣孔；鋼管殼起約束作用，使混凝土處于三向受壓狀態，從而使夾心混凝土具有更高的抗壓強度，內填混凝土與鋼管管殼共同承受軸向壓力。為防止墩柱因承受壓力過大插入底板，墩柱放置于規格為500 mm×500 mm×10 mm的柱鞋上，柱鞋上焊接四塊角鋼，限制墩柱在托盤上的移動。因為鋼管混凝土墩柱為剛性支護，在墩柱頂部與頂板之間墊兩塊楔形木塊，起讓壓作用。

鋼管混凝土墩柱可多次使用，采用鋼管混凝土墩柱支護沿空留巷有支撐力大、穩定性好、施工速度快、經濟合理等優點。

3　高效充填留巷工藝實施技術成果

3.1充填效果分析

1902S綜采充填工作面采高3.5 m，充填高度2.8 m，充實率可達80%，經過地表沉降觀測顯示，1902S工作面地表沉降最大值發生在工作面后方200 m處，最大下沉量為0.65 m，而同煤層工作面開采后，地表沉降值達到2.00 m，采用矸石充填與垮落法開采相比可以有效減少地表的沉降。

3.2沿空留巷效果分析

鋼管混凝土墩柱作為一種新型的支護材料，為煤礦沿空留巷支護提供了一種新工藝，1902S綜采工作面運輸巷沿空留巷，采用鋼管混凝土墩柱代替單體支護，實現了留巷的安全、可靠、經濟。

1）支護形式對比。永久支護上，單體支柱沿空留巷采用兩排單體支柱配鉸接頂梁和錨索形式進行支護，柱距為0.8 m，排距為0.4 m，錨索走向間距為3 m；鋼管混凝土墩柱支護沿空留巷，采用鋼混墩柱和錨索共同進行永久支護，墩柱單排布置，柱距為1.0 m～1.5 m，錨索走向間距為3 m。臨時支護上，兩種留巷方式均采用在巷內支設兩排單體臨時支護，采用單體支柱沿空留巷臨時支護滯后工作面30 m～50 m，待周期來壓結束后回撤；而采用新工藝需要滯后工作面80 m，待注漿后14天達到水泥凝固期后開始回撤臨時支護。

2）礦壓顯現對比。根據現場觀察整理，九層煤工作面周期來壓步距為10 m～15 m，走向和傾向等長或整數倍時，來壓顯現非常明顯，來壓時頂板最大下沉量鋼混墩柱為0.16 m，累計下沉量0.3 m；單體支護沿空留巷周期來壓下沉量為0.3 m左右，累計下沉量為0.56 m。可見單體支柱沿空留巷來壓時頂板下沉量較大。

經過對掘進期間、回采留巷期間兩個階段的礦壓觀測，巷道斷面收縮率為15.45%，符合設計要求，滿足了工作面的進風、運輸、行人的需要。

3）支護效果對比。采用鋼混墩柱沿空留巷來壓后，墩柱的讓壓木帽變形被壓縮甚至切斷，個別墩柱插入頂板0.1 m，個別的墩柱受壓發生彎曲變形失去其承載力，需要更換，但巷道整體的變形較小，維護工作量小；而采取單體支柱沿空留巷時，支柱可以隨時進行整改和更換，后期維護機動靈活，但巷道整體變形大，局部甚至需要復棚支護。

3.3經濟效益分析

長城一礦在1902S綜采充填工作面實施綜采架后充填開采及沿空留巷技術，工作面月單產均在7.5萬t以上，每月消化矸石量為7萬t，基本具備了年產量90萬t、年消化矸石80萬t的綜采充填能力，同時實現了月度沿空留巷110 m的好水平，“采、充、留”一體化高效工作面綠色開采技術成效顯著。

截止目前，綜采架后充填矸石54萬t，以矸換煤50萬t，累計留巷2 123 m；多回收煤炭資源近20萬t，獲取直接經濟效益2 500余萬元。

4　結束語

“采、充、留”一體化安全高效綠色開采技術，充分利用回采空間架后充填矸石，實現了井下矸石不升井，地面洗選矸石和建筑垃圾通過鉆孔溜矸技術回填井下，解決了由于井工開采帶來的地表塌陷難題和礦井固體廢棄物對地表環境的影響。

采用鋼管混凝土墩柱沿空留巷開采技術減少了區段煤柱的資源損失，緩解了接續緊張的局面，最大限度的降低巷道萬噸掘進率，提高了資源綜合利用效率，消除了煤柱集中壓力安全隱患。具有顯著的經濟效益和安全效益，為今后類似煤層條件的無區段煤柱開采提供理論依據與技術借鑒,具有一定的推廣應用價值。

參考文獻：

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（編輯：武曉平）

Green Mining Technology with Backfilling and Retaining in Greatwall No.1 Mine in Shanghaimiao Coal Mine

ZHAO Dayong, ZHANG Leixin, ZHANG Cang
(Inner Mongolia Energy Co., Ltd., Shandong Energy Xinwen Mining Group, Erdos 016200, China )

Abstract:Development and improvement of mining technology are always the theme of mining development as a discipline. Green mining is the future direction of the coal mining, which is important to increase coal recovery rate, protect ecological environment, and realize sustainable development of mines. Greatwall No.1 mine in Shanghianiao coal mine integrates fully- mechanized mining, backfilling after support with washed gangue and primary coal rejects, and pier pillar gob- side entry retaining technology in order to transform from caving mining with pillars to continuous mining with backfilling without pillars. As a breakthrough in miningtechnique, the technologyhas achieved the intensive, efficient, and green mining.

Keywords:mining with backfilling and retaining concurrently; borehole and bing- hole; fill behind support; pier pillar gob- side entry retaining technology

作者簡介：趙大勇（1961-），男，山東臨沂人，大學本科，高級工程師，從事煤礦生產技術和安全管理工作。

收稿日期：2015- 11- 12

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.020

文章編號：1672- 5050（2016）01- 0069- 03

中圖分類號：TD823.8

文獻標識碼：A