東曲煤礦充填開采工藝技術應用探討

劉 斌

(山西焦煤西山煤電集團公司東曲煤礦，山西 太原 030200)

東曲礦每年產出的矸石量最大約1.5 Mt，其中初選出的大顆粒矸石約0.30 Mt，小顆粒洗矸約1.2 Mt，八采區煤層的含矸率40%，每年產出的矸石量約1.2 Mt[1]。

由于東曲礦矸石場地的選址困難，大量的矸石會對礦井生產帶來制約，為了推進礦井綠色開采，有效處理煤炭開采過程中產生的大量矸石，實現矸石的井下處理，規劃八采區8 號煤層作為矸石充填首采區。

1 礦井概況

目前東曲礦主開采煤層是2號和8號煤層，八采區走向長約2 430 m，傾向1 435 m，采區的總面積約3.49 km2。4 號-8 號煤層間距約80 m，8 號～9 號煤層間距約4.5 m，目前2 號煤層已回采完畢，4 號煤層剩余24808 工作面和24806 工作面；8 號煤層共布置12 個工作面，目前已回采2 個工作面，現回采28808 工作面，剩余10 個工作面；9 號煤層可布置7 個工作面，目前未回采。采區內4 號煤層剩余可開采儲量1.0 Mt，8 號煤層剩余可開采儲量8.05 Mt，9 號煤層剩余可開采儲量6.374 Mt。8 號煤層屬于上石炭統太原組煤層，煤層厚度為1.52～5.04 m，平均厚度為4.45 m，埋深為350 m；煤層結構復雜，煤層中含有一到兩層的矸石，直接頂厚度為2.9 m，屬石灰巖，比較堅硬，基本頂厚度為6.0 m，屬細粒砂巖，直接底厚度為4.0 m，屬砂質泥巖。八采區工作面回采期間最大絕對瓦斯涌出量為40 m3/min，礦井瓦斯等級是高瓦斯礦井，煤塵有爆炸性，爆炸指數為18.68%，是Ⅲ類不易自燃傾向性煤層。

2 充填開采技術

2.1 巷道布置

根據東曲礦井的實際生產情況及矸石充填技術的要求，將28802 工作面作為首采充填面，采用Y型通風方式進行通風。28802 工作面利用+860 水平東翼下組煤系統，工作面順槽與+860 東翼下組煤皮帶巷、+860 東翼下組煤軌道巷、八采邊界回風巷、860 高抽運輸巷等溝通形成系統，28802 工作面軌道順槽1 085 m、皮帶順槽長1 054 m，切眼長125.5 m，28802 回風措施巷1 105 m，28802 軌順聯絡巷長約138 m，28802 皮順聯絡巷利用28804皮帶順槽的聯絡巷，28802 回風聯絡巷長約175 m，巷道的平均坡度約4°。對28802 工作面的軌道順槽和切眼進行設計，拉低300 mm 后進行混凝土鋪底硬化，厚度300 mm，混凝土設計標號C30，滿足膠輪車的運輸要求[2]。

2.2 充填工藝

在采煤作業完成后，緊跟著進行矸石充填作業，其原理見圖1[3]。在回采過程中，矸石通過各轉運皮帶送至回采工作面，按軌道順序將矸石運至順槽內的充填刮板輸送機上，通過刮板輸送機進行運輸，矸石通過輸送機的卸料孔進入采空區，逐漸堆積起來，直至到達一定高度后停止運輸；然后啟動支架上的推壓裝置，在推力作用下將采空區內的矸石推實，不與未垮落的頂板連接。

圖1 矸石充填法開采

具體的矸石充填工藝流程如下：

（1）按照正規的循環割煤工作方式，進尺0.8 m，在割過5～8 架后將支架向后推移一個步距，檢查矸石充填系統的狀態，確認無誤后開始充填工作。

（2）依次啟動充填刮板輸送機、運矸皮帶機。

（3）充填時從充填輸送機的機尾處向機頭方向依次進行，先打開機尾處充填刮板輸送機的卸料孔，將矸石充填在對應的采空區內，待第一個投料孔所對應的采空區矸石充填到一定高度后，將投料孔關閉，同時啟動推壓裝置將充填料壓實；依次將卸料孔的采空區都填滿，再啟動下一個次序的卸料孔，重復直至采空區填滿為止。

（4）關閉所有的卸料孔，并對機頭處進行矸石充填，待首輪充填工作完成后，再開始第二輪的充填。矸石充填作業工序的流程見圖2。

圖2 充填作業工序

2.3 沿空留巷

當矸石的密實充填率為60%時，上覆巖層會產生斷裂和離層，頂板下沉量較大；當矸石密實充填率為70%時，上覆巖層的斷裂范圍明顯減小，沒有明顯的離層現象； 當矸石的密實充填率為80%時，上覆巖層不會出現貫通性裂隙，出現整體彎曲下沉形態，且頂板下沉量較小。采用矸石充填后，頂板下沉量微小，對工作面軌道順槽設計沿空留巷支護技術[4]（見圖3）。使用錨網梁索進行聯合支護的方式，對巷道頂板進行超前加固。頂板錨索桁架上布置小五花，采用直徑為17.8 mm 的錨索，間隔0.9 m 布置，使用壘砌矸石對留巷一側進行砌墻+ 錨帶網護幫技術，墻體兩側的寬度大于2.4 m，內外兩側均使用大型壓入式錨桿、鋼帶和螺帽進行聯合護幫，留巷寬度大于3.5 m。通過沿空留巷技術提高了煤炭的采出率，降低了礦井的掘進率。

圖3 沿空留巷技術

3 效益分析

煤炭作業生產中常會排放出大量的固體廢棄物，其中含硫矸石等會對地面生態環境造成很大的破壞，危害當地的生態環境。使用矸石充填技術處理后，很好地解決了矸石排放帶來的生態環境破壞問題，實現矸石等固體廢棄物井下綜合處理，保障礦井正常生產，改善礦區周邊生活環境。按照矸石每年產生量1.5 Mt來計算，原有的排矸系統產生的總成本約7 918 萬元，在采用矸石充填后產生的總成本約6 013 萬元，每年可節約支出約1 905 萬元。

4 結語

針對煤炭開采過程中出現的大量矸石排放問題，本文探討了基于矸石充填開采技術。應用情況總結如下：

1）以28802 工作面作為首采充填面擬定巷道布置方案，細化充填工藝，使用砌墻+ 錨索聯合支護方式，軌道順槽進行沿空留巷支護，確保巷道不變形，實現矸石的井下處理。

2）使用矸石充填技術后，矸石充實率從75%大幅度提高到85%，生產作業效率提高約50%，每年節約支出累計約1 905 萬元，很好地解決了矸石排放帶來的生態環境破壞問題，實現矸石等固體廢棄物井下綜合處理，保障礦井正常生產，改善礦區周邊生活環境。