工作面矸石膏體充填開采工藝研究

王建東

(山西鄉寧焦煤集團燕家河煤業有限公司，山西 臨汾 042100)

引 言

煤矸石為煤礦生產中伴隨煤炭的產物，在傳統開采工藝中煤矸石一般從工作面運送至地面，并堆積于地面上。上述針對煤矸石的處理方式不僅需要占據一定的耕地面積，而且煤矸石的長時間堆積還會對空氣和地下水造成污染[1]。為解決上述問題，將煤炭生產伴隨產生的煤矸石回填至采空區，即煤矸石膏體充填采煤技術。本文著重對煤矸石充填采煤技術的充填施工工藝和開采工藝進行研究，具體闡述如下。

1 工程概述

本文以XX煤礦的7#煤層為研究載體，該煤層的位于地面以下325 m到374 m的范圍之內，7#煤層的最大開采寬度為70 m，該煤層工作面的走向長度約為790 m。本文涉及到對7#煤層煤矸石充填工藝和開采工藝的研究，為保證開采的安全性，需充分掌握7#煤層的頂底板情況，具體如表1所示。

表1 7#煤層工作面頂底板情況

經分析探測結果及實測數據可知：XX工作面的正常涌水量為12.5 m3/h，最大涌水31 m3/h。目前，為工作面所配置排水系統的最大排水能力為45 m3/h。

2 矸石膏體充填工藝研究

2.1 矸石膏體充填設備設計

根據矸石膏體在綜采工作面的充填要求，該工藝涉及到的充填設備主要由翻矸機、運輸機、充填皮帶機和拋矸機等組成[2]。該設備能夠滿足在長距離工作面和各種巷道的矸石膏體的充填。

2.1.1 翻矸機的設計

翻矸機為實現矸石膏體充填采空區的關鍵設備，其功能的實現主要由裝置中的液壓馬達和鏈條的減速所實現。該裝置具體積小、安裝方便、結構簡單且能夠有效減少煤矸石對物件的沖擊力，可有降低作業人員的勞動強度。翻矸機液壓系統泵站的額定壓力為16 MPa，卸荷閥的壓力設定值為18 MPa。

2.1.2 拋矸機的設計

本項目所采用的拋矸機是指在7#煤層工作面已經報廢的綜掘機AM-50的基礎上改造所得。液壓控制系統對拋矸機皮帶機的伸縮高度進行調整，使其能夠滿足高度不同的巷道場合下工作的要求，并通過其行走部實現對拋矸機橫向和縱向方向的運動。拋矸機關鍵參數如下：行走部履帶寬度為370 mm，牽引速度大不于25 m/min；對應液壓系統中額定壓力為16 MPa。為保證作業人員工作環境，為拋矸機設計了噴霧系統[3]。

2.2 矸石膏體充填流程及工藝的設計

在實際充填過程中按照順序完成第一條巷道的掘進任務后，即可開展已完成掘進任務巷道的充填操作；待第一條巷道充填完成后才可對第二條巷道進行掘進，以此類推。

本文以7#煤層工作面其中的一條巷道為研究對象，其矸石充填工藝流程設計具體如下：將參與充填裝置運輸至工作面，并將充填裝置進行組裝并置于規定位置內；充填設備安裝完成后，由電機車將其他巷道的煤矸石運輸至需充填的巷道，并采用推車機將煤矸石倒入翻矸機的罐籠中，對應的充填工藝流程如圖1所示。

圖1 矸石膏體充填工藝流程圖

表2 矸石膏體充填設備及工具選型

3 矸石膏體充填開采方案最優化研究

巷道開采寬度、高度以及煤柱寬度等參數時保證煤層開采時對地表變形以及煤柱穩定控制的關鍵[4]。經探測可知：7#煤層工作面巖梁上面的均布載荷按照10 MPa、直接頂的抗拉強度和抗剪強度分別為0.876 MPa和8 Mpa。經計算可得:對應上述條件下要求巷道的最大跨度值為5.3 m。綜合分析7#煤層的開采方式和支護基礎，選擇巷道的寬度值為5 m。

煤柱寬度值同樣作為影響工作面頂底板圍巖控制效果的關鍵參數，結合以往涉及經驗，在當前巷道開采寬度為5 m，充填率按照95%設定，可將煤柱寬度值設定如下范圍：3 m～15 m。為了準確掌握煤柱寬度對工作面頂底板的影響特性，基于FLAC3D軟件對不同煤柱寬度下對應其自身垂直方向和水平方向應力的變化情況進行分析，仿真結果如圖2所示。

圖2 不同煤柱寬度對應應力變化情況

如表3所示，隨著煤柱寬度的增加對應其垂直和水平應力均在減小，且減小趨勢隨著煤柱寬度增加逐漸平緩，具體表現如下：當煤柱寬度大于7 m后其應力變化相對平緩；而煤柱寬度小于7 m時其應力變化相對較急。因此，建議7#煤層工作面開采時煤柱寬度設定為7 m。

為確保最終所設計開采工藝參數的效果，本文分別對如表3五種不同開采方案的開采效果進行對比。

表3 開采方案

經對比可知：上述五種開采方案中，3#、4#方案的安全系數最高為2.4，1#和2#方案的安全系數最低為1.6，5#方案的安全系數居中為2.1。此外，1#、4#方案的采出率可達50%，2#方案的采出率次之，為42%，3#方案的采出率僅為33%。因此，綜合上述五種開采方案對應的安全系數和采出率，最佳開采方案為4#方案。

4 結語

矸石充填開采工藝不僅解決了矸石在地面堆積所導致的一列問題，而且還從一定程度上節約了煤礦生產成本[5]。本文以XX煤礦7#煤層工作面為例，將矸石膏體充填開采方式應用其中，具體總結如下：

1) 根據生產需求完成矸石膏體充填工藝流程，并列出關于該充填開采工藝相關的設備及工具；

2) 結合7#煤層工作面頂底板情況，其最佳矸石充填開采工藝參數如下：巷道開采寬度為5 m，開采高度為3.2 m，前期煤柱寬度為5 m，后期靠近主副井煤柱寬度為5 m，后期遠離主副井煤柱寬度值為10 m。