金谷煤業(yè)充填開采工藝技術(shù)應(yīng)用探討

趙志超

（冀中能源邢臺礦業(yè)集團有限責(zé)任公司生產(chǎn)技術(shù)部，河北 邢臺054000）

0 引言

我國經(jīng)濟快速發(fā)展的背后，離不開煤炭資源的利用和發(fā)展，在人們的日常生活與生產(chǎn)中有著非常廣泛的應(yīng)用[1]。但是雖然煤炭資源對于社會的發(fā)展有著極大的意義，但是卻嚴重阻礙社會和環(huán)境之間的關(guān)系，地表沉陷又是煤炭問題中較為嚴重的問題。正常而言，采量越大，地表沉陷的程度越大，據(jù)推算，每一年的新增沉陷面積大致為750km2[2]。從煤礦的具體開采實踐中認識到，最能夠有效解決“三下”條件下煤炭開采產(chǎn)生的壓煤問題的主要方法是矸石充填開采，同時矸石充填開采也是實現(xiàn)綠色采煤的關(guān)鍵組成部分，特別是在一些煤礦儲存量少而經(jīng)濟實力強的部分地區(qū)，尤其應(yīng)該對“三下”采煤的問題進行大量研究。矸石充填是與采煤工作同時進行，把矸石等材料填充進采空區(qū)，用以支撐頂板的方法[3]。

如何在保證地表穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，有能夠?qū)崿F(xiàn)矸石的再利用已成為煤礦開采的重大技術(shù)難題[4]。目前對于矸石的充填大部分是在北方煤礦進行的，北方煤層的特點為厚度適中、埋深較深，對于煤層厚度厚、淺埋的煤層的研究太少[5]。煤炭開采后排放矸石會造成很多危害，嚴重污染空氣質(zhì)量和礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。山西省近年來出臺了嚴格的煤礦固體廢棄物排放限制政策，推行綠色開采試點工作，鼓勵生產(chǎn)礦井建立井下處理矸石等固體廢棄物的處理系統(tǒng)，對新建矸石山批地限制將越來越嚴格，有了有效實行最新政策，金谷煤業(yè)為了實現(xiàn)綠色礦山的理念、控制地表的下沉，把矸石代替煤炭，將其投入采空區(qū)，實現(xiàn)矸石零排放。

1 煤礦地質(zhì)概況

山西古縣金谷煤業(yè)有限公司位于山西省臨汾市古縣古陽鎮(zhèn)古陽村。井田面積8.506 2km2。核定生產(chǎn)能力為90萬t/a。批準(zhǔn)開采2號-11號煤層，現(xiàn)開采9+10號煤層。礦井水文地質(zhì)類型為中等，屬于低瓦斯礦井；煤塵具有爆炸性，煤層自燃傾向性等級為Ⅱ級，屬自燃煤層。

礦井現(xiàn)開采9+10號煤層，工作面采用綜采一次采全高采煤方式，頂板管理采用全部垮落法，本次設(shè)計不對9+10號煤層工作面采煤方法進行調(diào)整，新增11號煤層充填工作面，將地面洗選矸石運輸至工作面，充填入采空區(qū)，同時進行沿充留巷無煤柱開采，實現(xiàn)煤矸石返井充填采空區(qū)的目的。

本次充填開采系統(tǒng)初步設(shè)計的規(guī)劃充填開采范圍為11#煤層一采區(qū)南翼。11#煤層位于太原組下段中部，11#煤層厚度為1.01～2.55m，平均1.55m，結(jié)構(gòu)簡單，含0～2夾矸，頂板為泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖，底板為泥巖、鋁土質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖、粉砂巖。11#煤層厚度變化不大，11#煤層屬賦煤區(qū)穩(wěn)定可采薄-中厚煤層。首采工作面為11101工作面，傾斜長度150m，推進長度約1 190m，實際揭露煤層平均厚度2.0m，可采儲量約51萬t，如圖1所示，根據(jù)金谷煤業(yè)提供的井上下對照圖等資料，現(xiàn)規(guī)劃充填開采的一采區(qū)南翼所對應(yīng)的地表不存在村莊等建（構(gòu)）筑物，不涉及“三下一上”壓煤開采。

圖1 11101工作室布置

2 工作面充填工藝

矸石充填開采是使用運輸機器將矸石充填進采空區(qū)，然后通過夯實機進行壓實[6]。工作面充填方法選用“邊采邊充”的方法，具體為隨著采煤工作的不斷進行，矸石充填的任務(wù)也隨之進行，割煤完成后把矸石充填到刮板運輸機上，隨后按照順序打開刮板運輸機、轉(zhuǎn)載機、運輸矸石膠帶運輸機等一系列輸送機器，從而對采空區(qū)進行充填，流程如圖2所示，矸石填充主要是靠刮板運輸機和推壓作用相互影響依此來達到充填的效果。操作順序是從尾部到頭部填充。在下個卸料孔到達相應(yīng)的高度之后，將其關(guān)閉并重新打開之前的卸料孔，然后開啟千斤頂用來是鏟板移動，從而把充填物壓實，多次重復(fù)此部分，直到采空區(qū)完全填滿；可以通過移動千斤頂使得千斤頂和鏟板的角度發(fā)生變化，可使充填料在支架后部接頂，以達到充填完成。壓實后的初始填充率為百分之百。最終必須使得充填率到達百分之八十以上。綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)與充填系統(tǒng)一體化，采填并舉。

圖2 固體充填作業(yè)流程

矸石充填工藝過程見圖3和圖4，圖3為工作面端頭矸石充填階段正面圖；圖4為工作面中部矸石充填正面圖。

圖3 工作面端頭矸石充填正面圖

圖4 工作面中部矸石充填正面圖

由膠帶輸送機、矸石轉(zhuǎn)載機將矸石運輸、轉(zhuǎn)載至工作面充填支架后部底卸式刮板輸送機上[7]，使用刮板運輸機把矸石運送到采空區(qū)里面，之后通過不斷推壓使得矸石被壓實，具體工藝如圖5所示。

圖5 固體充填面落料、推實工藝

為提高充填效率和充填效果，采取成組移架、交替落料、同步推實的工序，具體如下：

1）成組移架：按照通常割煤法進行割煤，以三架作為1組，當(dāng)割煤完成后把第一組支架前1步的距離，并開始進行充填，不同組支架同時開始運行，依此來增加充填的效率和成果，當(dāng)正常工作開始后，端部進刀對于后續(xù)的尾部充填不產(chǎn)生影響，采煤與充填礦業(yè)同時進行。

2）交替落料：按順序進行充填（運輸機尾至機頭），沿工作面向機頭方向交替落料，保持落料的連續(xù)性[8]。

3）同步推實：當(dāng)首組支架卸料完成后，打開推實機對矸石進行壓實，并且首組進行作業(yè)時并不會對下一組的落料造成影響，可以使得推動與落料平行作業(yè)，每一個支架都應(yīng)對落料、推實進行三次，完成后便是一個循環(huán)。

矸石充填作業(yè)工序見圖6。

圖6 矸石充填作業(yè)工序

3 采區(qū)巷道布置

3.1 采區(qū)巷道

在井筒的西北-東南處設(shè)置1組皮帶、軌道、回風(fēng)下山還有集中運輸巷，都可以做為1采區(qū)的開拓巷。沿著11#煤層下覆巖層下山的是皮帶，沿著11#煤層下覆巖層設(shè)置的是軌道下山，沿著9#煤層上覆巖層設(shè)置的是回風(fēng)下山，沿著9#煤層上覆巖層設(shè)置的是集中運輸巷。

一采區(qū)南翼11#煤層開拓巷道均為已有，已經(jīng)形成。皮帶、軌道、回風(fēng)下山均采用半圓拱形斷面，錨網(wǎng)噴支護、錨索補強，其中軌道下山、回風(fēng)下山凈寬4.0m，凈高3.5m，凈斷面12.28m2；皮帶下山凈寬4.6m，凈高3.8m，凈斷面15.2m2；集中運輸巷采用矩形斷面，錨網(wǎng)噴支護、錨索補強，凈寬4.2m，凈高3m，凈斷面12.6m2；一采區(qū)11號煤軌道巷采用三心拱斷面，錨噴支護、錨索補強，凈寬5.0m，凈高3.5m，凈斷面15.36m2，沿11#煤層底板與集中膠帶下山平行布置。

一采區(qū)南翼11#煤層充填工作面輔助運輸巷（兼做運矸巷）與新增的11#煤軌道巷連接，無極繩普軌卡軌車摘掛鉤位置坡度≯7‰。

3.2 采煤工作面布置

投產(chǎn)時在一采區(qū)南翼11#煤布置一個充填工作面，充填工作面順槽采用沿充留巷，兩進一回布置形式；在11#煤布置一個掘進工作面。

11#煤首采充填工作面布置在11101工作面，根據(jù)項目建設(shè)期工作面回采規(guī)劃，首采工作面回采時，上面9+10#煤工作面回采完近兩年，上覆巖層已基本穩(wěn)定，對11#煤的回采應(yīng)該不會造成大的影響，但是井下礦壓不確定因素較多，礦方在實際回采時應(yīng)加強礦壓監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)隱患及時采取措施，以免對礦井造成不必要的損失。

3.3 充填工作面關(guān)鍵設(shè)備選型

矸石充填工作面的原理就是在原有的采煤系統(tǒng)中，新添了充填系統(tǒng)，充填系統(tǒng)中有許多用來運輸、推壓、充填矸石的裝備設(shè)施，比如：運輸矸石皮帶、矸石轉(zhuǎn)載機，充填支架等等。這些裝備設(shè)施的布置如下圖7所示。

圖7 矸石充填工作面設(shè)備布置

目前充填工作面四機配套（采煤機、刮板輸送機、充填液壓支架、支架后底卸式輸送機）比較成熟，主要回采設(shè)備選型原則如下：

1）生產(chǎn)能力：所選中的設(shè)備裝備的生產(chǎn)能力必須能夠滿足該設(shè)備工作的各項要求。例如刮板機、破碎機等裝備設(shè)施生產(chǎn)能力必須超過還煤業(yè)采煤機的能力，不僅如此，還必須要保有一定的閑余能力才可滿足。

2）性能匹配：每個裝備設(shè)施理應(yīng)能夠?qū)Ρ舜擞幸欢ㄟm應(yīng)能力，才可以更好的實現(xiàn)其性能，達到生產(chǎn)要求。

3）液壓支架、采煤機、輸送機幾何關(guān)系與空間位置配套。

4）壽命配套。須保證裝備設(shè)施的修理周期在大致相同的時間范圍內(nèi)，不僅能夠節(jié)省修理時間和精力，還可以避免在工作過程中有裝備設(shè)施發(fā)生故障或者帶“病”運行。

根據(jù)山西古縣金谷煤業(yè)有限公司、冀中能源機械裝備集團有限公司邢臺機械廠、冀中能源邯鄲礦業(yè)集團通方煤礦機械有限公司和科工集團上海有限公司簽訂的《山西古縣金谷煤業(yè)有限公司充填開采綜機設(shè)備配套技術(shù)協(xié)議》，工作面主要配套設(shè)備見表1。

表1 充填工作面主要配套設(shè)備

4 沿充留巷

沿充留巷主要是煤炭回采時，把矸石填入采空區(qū)，且需要把順槽邊緣保留下來[9]。與傳統(tǒng)沿空留巷相比，沿充留巷具有造成的壓力更低，變形更小，預(yù)算更低并且效果更佳的優(yōu)點。

綜合機械化固體充填采煤是在采空區(qū)實行全斷面固體密實充填，然后頂板壓力開始轉(zhuǎn)移至煤壁、充填液壓支架及采空區(qū)充填體[10]，與普通方法相比，減少了沉陷中的旋轉(zhuǎn)變形，為沿填留巷工作面奠定了極佳的施工基礎(chǔ)。

結(jié)合綜合機械化固體充填采煤工作面的工藝特征以及參考金谷煤業(yè)9+10#煤層現(xiàn)行綜采工作面全部垮落法管理頂板時的沿空留巷工藝，本設(shè)計提出組合支架留巷的方案。

4.1 組合支架設(shè)計

把工字鋼和單體支柱相互結(jié)合相互組合起來使用，會使結(jié)合體擁有高阻讓壓、自動支撐等優(yōu)點，能夠很好的發(fā)揮各個支架的優(yōu)秀性能，以此組合成的支架，可以使得其在不同程度的礦壓下都有很好的適應(yīng)性。實際具體布置是在工作面采空區(qū)端邊緣、沿巷走向布置此多功能支架，具體布置見圖8。工字鋼頂端通過十字鉸接頂梁連接，底端通過特制鐵鞋連接（復(fù)合鐵鞋），以增加底板受力面積，防止支架鉆底，并由此增加摩擦阻力[11]。

圖8 組合支架示意圖

4.2 輔助支護方式

把輔助支護設(shè)置在工作面后方80m處，輔助支護圖如圖9所示。分別搭配鉸接和十字鉸接頂梁（沿著巷道走向布置）用來加強鞏固各個單體輔助支護的頂板支護，沿巷道走向設(shè)置四排支護，間距為600mm。沿采空區(qū)編號①②③④。其中前兩個單體輔助支護使用鉸接項梁（長1 200mm），一個項梁有兩根柱子，間距為600mm。后兩個單體支護搭配十字鉸接項梁（長600mm），一個項梁有一根柱子，以此來支架支護的穩(wěn)定。④號單體輔助支護還搭配工字鋼梁。前三號支護穿普通鐵鞋進行工作，最后一號支護配專用鐵鞋。

圖9 沿空留巷期間巷內(nèi)單體輔助支撐示意圖

單體支柱高度按照巷高選型。靠近實體煤側(cè)的兩個單體初撐力為90kN，靠近采空側(cè)的三個單體初撐力為95kN，并且要保證迎山有勁（迎山角3°～5°）。普通鐵鞋直徑300mm，鐵鞋結(jié)構(gòu)見圖10。

圖10 單體支柱普通鐵鞋結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)單體支柱的適用長度，建議其規(guī)格為DW35-300/110，額定工作阻力為300kN，柱徑為110mm，伸縮量不小于1 500mm。

在距工作面80m以后，若區(qū)域頂板、注漿加固充填體等已趨于穩(wěn)定狀態(tài)，可將輔助支護單體支柱撤掉。對于巷道頂板與巷幫不穩(wěn)定區(qū)段，暫保留單體支柱支護，加打錨桿、錨索并采取其他必要措施加強支護，穩(wěn)定后再撤掉單體支柱。

4.3 巷旁注漿加固

護幫腿靠采空側(cè)累設(shè)方木接頂，用鐵絲將方木與護幫腿綁定，木擋墻后鋪網(wǎng)，形成人工留巷墻體。木擋墻架設(shè)完成后，由溜尾至溜頭順序進行采空區(qū)密實充填，第1～5架支架后方充滿矸石并接頂以后，即可開始巷旁注漿加固。根據(jù)河北工程大學(xué)提供的關(guān)于巷旁注漿寬度與采高之間關(guān)系的試驗結(jié)論，注漿加固寬度應(yīng)為采高的1～1.5倍，因此本次設(shè)計注漿加固范圍為巷旁2～3m，建設(shè)單位可根據(jù)留巷效果進行調(diào)整，但不得小于2m。巷旁注漿加固與后續(xù)充填作業(yè)同時進行。

采用32.5水泥配制留巷注漿漿液，水灰比0.6∶1（實驗室配比），電動液壓注漿泵及水泥漿攪拌機置于留巷順槽進風(fēng)段。留巷步距與充填步距保持一致，每循環(huán)留巷注漿量估算約0.8m3，注漿加固寬度2.5m，折算每米巷道使用水泥量約1.3t。使用錨桿鉆機將自進式注漿錨桿打入矸石充填體內(nèi)，注漿錨桿連接好注漿管路接頭，對巷旁矸石充填體進行注漿加固，注漿壓力2MPa，注漿至設(shè)計注漿量以后停止本循環(huán)注漿作業(yè)。注漿循環(huán)一次后，須立即把管路中的漿水使用清水洗刷，防止?jié){水在管路中凝結(jié)影響注漿速率。另外，必須根據(jù)實際效果去微調(diào)各個不同的參數(shù)，盡量使得注漿效果達至更好。

等到漿液和矸石成型后，安裝錨桿托盤與螺母，可以先不增加力。待矸石注漿體具備1d強度后，使用錨桿鉆機將注漿錨桿預(yù)緊力安裝至10N·m，待矸石注漿體具備3d強度后，將注漿錨桿預(yù)緊力增加至30N·m，待矸石注漿體具備7d強度后，將注漿錨桿預(yù)緊力增加至150N·m，形成支撐頂板的穩(wěn)定性結(jié)構(gòu)。至此，完成一次巷旁注漿加固過程。

5 結(jié)語

針對煤炭開采過程中中出現(xiàn)的大量矸石排放問題[12]，本文探討了矸石充填開采技術(shù)，對其應(yīng)用情況總結(jié)如下：

1）以11101工作面作為首采充填面擬定巷道布置方案，細化充填工藝，采用“邊采邊充”的充填方法，并在原有的充填設(shè)備中增加了順槽運矸皮帶、矸石轉(zhuǎn)載機、矸石充填支架、懸掛式卸矸刮板輸送機、端頭支架等設(shè)備來確保充填的可靠性。

2）對11101工作面進行沿充留巷支護，確定了各支護參數(shù)，并提出了組合支架留巷的方案，具體設(shè)置為在巷道采空區(qū)側(cè)邊緣、沿巷道走向設(shè)置工字鋼與相鄰的單體液壓支柱相組合的復(fù)合巷旁支架，以確保巷道不變形，實現(xiàn)矸石的井下處理。