某礦4號煤矸石充填開采技術研究

梁洪彪

（山西西山晉興能源有限責任公司　斜溝煤礦，山西　興縣　033602）

1　矸石充填開采巖層控制理論分析

1.1　矸石充填開采巖層控制機理

煤炭開采后會形成采空區，原巖應力平衡狀態被打破，應力會進行新的分布，最終達到新的平衡狀態。在此過程中，會伴隨著工作面頂板垮落、上覆巖層下沉變形及地表發生沉陷等現象。導致覆巖變形及地表沉陷的根本原因即煤炭開采形成采空區，若將采空區全部回填，則不會對地表產生任何破壞，但根本無法實現。現有技術都不能保證在煤層開采后上覆巖層不發生移動變形，因此只可通過盡量減小開采對巖層運動影響對矸石充填開采進行相關研究。充填開采方法與全部垮落法巖層控制方法不同，其是通過充填體的作用來對上覆巖層運動及地表沉陷破壞進行相關控制。通常來講，隨著采空區面積的不斷擴大會造成地表不同程度的下沉，整個過程會經歷極不充分采動、非充分采動、充分采動和超充分采動這四個階段。煤炭采出后，隨著時間和空間變化會引起地表的下沉，在不同階段工作面與地面點的所對應的位置也不同，因而產生的影響也不同。矸石充填開采對上覆巖層運動控制機理即通過充填使采空區地表下沉值均小于其最大下沉值，以實現地表的非充分采空或極不充分采動[1-2]。

1.2　矸石充填開采地表控制原理分析

工作面向前推進，采空區頂板會在自重及覆巖載荷的作用下發生彎曲變形，當受力達到其極限抗拉強度，則直接頂巖層會發生斷裂垮落，進而基本頂巖層沿分界面彎曲、滑移，最終發生斷裂和離層現象，該過程周而復始進行，直至覆巖運動達到新的平衡狀態。煤炭開采破壞了巖體原有應力平衡狀態，導致巖層移動，巖層垮落后會發生碎脹效應，巖體體積膨脹可以使上覆巖層的下沉量有效減小，是上覆巖層變形運動停止的重要原因。通過將矸石填滿采空區，從而控制頂板頂板下沉及上覆巖層運動變形，以達到減小地表下沉的目的。充填的矸石占據了覆巖下沉空間，等同于減小采厚，后期主要表現為矸石充填體的壓實降沉。矸石的充填率和壓實率對覆巖運動控制起到關鍵作用，其有效厚度決定了覆巖運動及巖層移動的程度。矸石充填的有效厚度受充填前頂底板移近量、矸石接頂距離、矸石初始壓實度、矸石剩余壓縮率等因素影響。

1.2.1充填前頂底板移近量

工作面回采過后進行矸石充填工作，采場礦山壓力會對液壓支架產生一定壓縮變形，頂底板移近量增大，造成采空區可充填高度減小。

1.2.2矸石接頂距離

矸石屬于散體材料，而井下煤層大多屬于近水平或者緩傾斜狀態，受到充填條件限制及矸石流動性性質影響，充填矸石達不到與頂板完全接合的狀態，從而導致頂板發生一定程度的彎曲變形。當前技術條件的矸石充填開采實驗表明，通過對液壓支架增加推壓夯實裝置，可以增加矸石的壓實率，矸石可以充填至頂板，接頂效果大大增強，充填率接近百分之百。

1.2.3矸石的初始壓實度

矸石充填進入采空區初始壓實度越大則在上覆巖層載荷作用下二次壓實量越小，傳統的矸石充填，由于缺乏壓實過程，初始壓實度小，二次沉陷量大；新型充填支架的推壓夯實作用使初始壓實度大大提高，減小了因上覆載荷作用引起的二次沉降作用，矸石壓實曲線如下頁圖1所示。

由圖1可知，松散狀態的矸石在應力由0～20 MPa變化過程中，其總壓縮率達30%左右，85%以上的壓縮率發生在0～2MPa之內，所以在充填開采中新型充填開采液壓支架后部夯實機構的壓實力達到2 MPa時，即達到密實充填的狀態，且能保證在應力由2MPa達到原巖應力狀態時矸石壓縮率小于15%[3]。

圖1　矸石壓實曲線

1.2.4矸石剩余壓縮率

矸石充滿采空區后，對上覆巖層起到支承作用，而覆巖的彎曲下沉會壓縮矸石充填體，從而減小了矸石的有效充填厚度。矸石充填體的剩余壓縮率受其性質、覆巖載荷及初始壓實度影響。

2　矸石充填開采系統布置

矸石充填開采技術以矸石作為充填材料，并將矸石運輸到采空區以支撐采空區頂板，矸石來源于地面矸石山和井下巷道開掘產生的矸石，這樣解決地表沉陷和地面矸石堆積問題。

2.1　矸石充填開采方法

2.1.1技術特征

充填工作在工作面回采過后進行，因而必須在采空區頂板發生下沉垮落前將充填物安全高效運送至采空區完成充填工作。矸石充填開采工藝可以實現液壓支架下采煤與充填工作同時進行，采煤采用傳統綜采工藝，矸石充填開采增加了一套由地面到井下再到采空區的矸石運輸系統及支架后方采空區矸石夯實系統。矸石充填開采有如下幾個方面的技術特征：充填液壓支架拆除了傳統液壓支架所采用的掩護梁，取而代之的是水平后頂梁，可將矸石充填物直接充到水平后頂梁的掩護空間內[4]。由皮帶輸送機將矸石運輸至掩護后頂梁下的矸石輸送機，從而形成充填矸石的連續運輸路線。矸石通過其自重作用由輸送機落入后頂梁的掩護空間內，由夯實機將充填體向采空區夯實，最終實現矸石的密實充填。

2.1.2關鍵設備

矸石充填開采液壓支架作為重要的支承掩護設備，不僅能夠保證正常采煤工作的進行，同時可以實現采空區矸石充填，通過在液壓支架上安裝夯實機構可以增加矸石的密實度，除了需要增加充填物料輸送機及轉載機外，其余設備與綜采工作面設備相同，設備布置如圖2所示。

2.1.3基本工藝流程

該工作面采用端部斜切進刀方式，采煤機截深0.6m，矸石充填開采采煤工藝與普通綜采工藝相同，為了減小開采步距對而產生的頂板下沉以及實現及時充填，采取“一采一充”的作業方式，采煤過后及時進行矸石充填[5]。

圖2　矸石充填開采工作面設備布置圖

2.2　矸石充填開采系統布置

2.2.1采煤與充填系統

采煤系統與普通綜采系統相同，包括運煤、運料、通風系統等，充填系統主要有矸石的運輸及夯實系統。

2.2.2矸石地面運輸系統

矸石在地面堆積的場地與投料井之間有一定的距離，因而須在地面建立矸石運輸系統，合理的矸石地面運輸系統需要搭建堆放矸石用的廠房及運輸通道等，以便保護矸石原始狀態，同時還應建立矸石的破碎及篩分系統，以保證矸石合理的粒度需求。

一般地面的矸石運輸系統包括三個環節：通過裝載機等裝載設備將矸石裝載在皮帶輸送機或刮板輸送機上；矸石破碎系統將輸送機運送的物料進行破碎以達到投料所需粒徑要求；破碎后的矸石經輸送機被運送到投料井口。

2.2.3矸石井下運輸系統

充填矸石除來自地面外，井下掘進工作面也可生產矸石，在井下設置矸石不升井系統，將掘進生產的矸石直接用于工作面充填。掘進矸石具有產量不穩定、產出地點不定的特點，因此，可根據礦井實際生產條件設置矸石倉，同時應配備矸石破碎系統，對粒徑較大的矸石進行破碎處理。

3　矸石充填開采工業性試驗

充填開采試驗區域位于井田北部，區域面積約2.75 km2，煤層平均埋深440m。設計充填開采4號煤，全區可采，厚度為1.5～3.1m，均厚2.5m，老頂為中粒砂巖，直接頂為砂質泥巖，偽頂為泥巖，直接底為砂質泥巖，老底為中粒砂巖。4號煤層相對瓦斯涌出量為11.25m3/t，具有突出危險性，有自燃傾向。

按照充填開采相關原則，根據充填區域地質特征及井下系統布置，在三個區域進行充填試驗。三個區域分別設計10個長度為80m、100m、120m工作面。通過工業性試驗，對三種方案沉陷結果分析知，工作面長度達120m時會造成嚴重地移動變形，當充填工作面由80m增加到100m時，地表變形各參數值變化不大。根據生產條件，將充填區域工作面長度設計為80～100m可較好控制地表移動變形。

4　經濟社會效益

整個充填區域4號煤層開采完畢可以采出煤炭資源680萬t，可創造6.4億元經濟利潤，節省了大量的搬遷補償費用。整個充填區域充填完成后可處理矸石1 000萬t，不僅可以處理地面矸石堆積，同時可以實現井下矸石不升井直接利用。采用該技術可以有效控制地表的沉陷，減少矸石排放對環境造成的危害，實現對工礦區土地資源的保護。

[1]張吉雄，繆協興，郭廣禮.矸石（固體廢物）直接充填采煤技術發展現狀[J].采礦與安全工程學報，2009（4）：395-401.

[2]周振宇，郭廣禮，查劍鋒，等.建筑物下矸石充填巷采沉陷控制研究[J].煤礦安全，2008（8）：19-22.

[3]張元功，董鳳寶.城鎮建筑群下矸石充填開采新技術的研究與實踐[J].煤礦開采，2008（1）：31-33.

[4]劉建功，趙慶彪，張文海，等.煤礦井下巷道矸石充填技術研究與實現[J].中國煤炭，2005（8）：36-38.

[5]劉正和，趙通，楊錄勝，等.大采高工作面矸石充填開采技術效果分析[J].煤炭科學技術，2015（4）：19-22.