建筑物下煤矸石充填開采技術及實踐

鐘 凱，雷薪雍，宋英明

(1.榆林職業技術學院，陜西 榆林 719000； 2.榆林泰發祥礦業有限公司，陜西 榆林 719000)

在支持社會經濟發展的同時，煤炭資源的持續大規模開采造成了許多問題，例如礦區的生態破壞和資源的加速枯竭。①煤礦產生大量的固體廢棄物(煤矸石)，其排放量占煤炭產量的10%～15%[1]。一般的處理方法是將煤矸石排放并堆積在煤矸石堆場的表面。煤矸石堆不僅占用土地資源，而且污染空氣和地下水。②高強度的煤炭開采往往會引發一系列的地質環境災害。采用崩落法處理采空區，頂板失去了下部煤層的支撐，上覆壓力的作用不斷向地層過渡發展，引起地面沉降，造成水土流失、地面沉降、建筑物倒塌等問題。在陡峭煤層中進行回填開采仍然存在許多問題，回填并不經濟。與緩傾斜煤層和扁平煤層的膠結膏體充填或固體廢棄物充填不同，常用的充填采礦方法包括準傾斜工作面走向長壁充填采礦法、開采區長壁傾角充填采礦法和倒臺階工作面充填采礦法。煤矸石充填材料被放置在自動運動的急傾斜煤層的地下礦井中。本文對煤礦的矸石充填技術進行了研究[2]。針對煤矸石充填實踐中出現的問題進行了數值模擬，研究了煤矸石的運動規律和充填特性，并根據模擬結果對充填采礦方案進行了優化。

1 回填技術

充填采煤技術被用來控制地層和地表沉陷。回填采礦技術可以有效提高回收率和礦山安全?；靥畈傻V在保護環境方面很重要。我國已提出3種采用固體、膠結和高含水充填材料的充填采礦方法，并得到了中央和地方政府的大力支持。例如，《煤炭工業發展第十三個五年規劃》明確指出，國家應推進煤炭綠色開采，加強礦區環境管理[3]。

固體充填采礦法作為一種充填采礦方法，主要是利用機械方法進行煤炭開采，并將煤矸石、粉煤灰、黃土、風積沙等固體充填材料或其混合物通過運輸系統運輸到地下[4]。這些材料可以通過膠帶輸送機運送到回填采礦面。對于采空區回填，全機械化回填采礦的關鍵設備，如液壓支架和多孔底部卸載輸送機被有效地使用。結合壓實系統，材料被壓實到工作面頂部，如圖1所示。

圖1 矸石充填開采上覆巖層模型Fig.1 Overlying strata model of gangue filling mining

回填開采的額外費用主要包括建筑工程費用(包括土木工程費和回填系統工程費)、設備采購費用(包括回填設備采購費和回填設備采購費)、安裝工程費用(包括回填系統安裝費和回填設備安裝費)和生產費用(主要包括回填材料費、回填人工費)。與洞穴開采法相比，每噸煤的成本通常增加30～100元[5]。

2 回填材料的類型和回填處理

2.1 回填物料的種類

充填材料是充填采礦法的重要組成部分，其類型和性質決定了充填采礦法的工藝過程。充填材料主要有3種類型：顆粒充填材料、膠結充填材料和高含水量充填材料[6]。這3種充填材料的輸送性能和承載性能取決于骨料的比例、膠凝劑的種類和所用的添加劑。

2.2 煤矸石回填材料

按照混合料設計，用一種或多種具有不同粒徑的固體材料混合和制備粒狀回填材料。充填體顆粒不膠結，具有孔隙和透水透氣性。常見的顆粒狀回填材料有矸石、粉煤灰、露天礦渣、黃土和風積沙。以煤矸石為例，通過對固體回填材料礦物組成和化學成分的分析，認為煤矸石主要由石英、高嶺石、伊利石等礦物組成，對提高固體回填材料的承載能力具有重要作用。通過對煤矸石細觀結構特征的分析，發現煤矸石顆粒致密，表面凹凸不平，但不含大孔隙、裂隙或片狀分布的細顆粒[7]。煤矸石的礦物組成和細觀結構特征如圖2所示。

圖2 煤矸石的礦物組成和細觀結構示意Fig.2 Mineral composition and microstructure of coal gangue

2.3 材料的配置

巖膠結煤矸石粉煤灰回填(CGFB)雙材料的特性決定了開采對控制煤礦地表沉降的影響，利用巖膠結煤矸石粉煤灰回填的創新技術提升對于地表的保護和工作面的支撐作用[8]。為了研究不同煤矸石粒徑的CGFB雙材料的性能，采用的煤矸石粒徑分別為0～5、5～10、10～15 mm。根據以往的調查，水泥、粉煤灰、煤矸石的質量比為1∶4∶6，固體材料占CGFB總質量的78%。為方便起見，粗砂巖和CGFB在標準復合樣品中的相同高度為50 mm(φ50 mm×100 mm)。煤矸石填充材料成分的組成如圖3所示。

粗砂巖CGFB復合樣品的制備過程描述如下。使用直徑50 mm的圓柱形樣品全自動鉆孔取心機QS-2型鋸石機[9]，對圓柱形樣品進行了分析。為了得到φ50 mm×50 mm試塊，粗砂巖兩端樣品被修剪平整和光滑。使用LM-200立式石材研磨機提供光滑的表面(如兩端不平行性小于0.01 mm，兩端直徑偏差為±0.02 mm)。

圖3 煤矸石填充材料成分的組成示意Fig.3 Composition of coal gangue filling materials

粗砂巖樣本采用φ50 mm×50 mm的復合材料制備了復合材料試樣。將每個粗砂巖樣品放入模具中51 mm×50 mm的混合攪拌流化床反應器，研究了攪拌速度對反應器性能的影響，結果表明：攪拌速度對反應器性能影響很大，直接澆注不同粒徑的煤矸石復合樣本，從模具中取出后，在溫度為(20±2) ℃、濕度為80%的硫化箱中硫化28 d[10]。CGFB樣品采用LM-200修剪混合樣品立式石材研磨機，以滿足實驗要求，其兩側用機械砂紙打磨細金剛砂紙，使其直徑達到50 mm，制備的巖膠結煤矸石復合樣品如圖4所示。

圖4 3組巖膠結煤矸石復合樣品Fig.4 Three groups of rock cemented coal gangue composite samples

根據與煤矸石復合樣品的對應關系，制備3組樣品，粒徑分別為0～5、5～10、10～15 mm。

3 實驗環境介紹

3.1 實驗儀器組成

測試系統中，有加載裝置組成的聲發射監控系統和數碼攝像機，在每個測試中使用相同的時間節點進行測試，如圖5所示。

1個 AG-X250伺服控制的測試系統，作為裝載系統，用來執行粗砂巖單軸壓縮試驗和研究不同粒徑煤矸石的復合試樣。

工作時采用雙螺桿加載結構，因此，這個測試系統可以執行傳統的壓縮、拉伸實驗或任何其他機械的最高測試負荷(測試系統達到250 kN)實驗[11]。

本文研究了巖石的破裂和失效擴展過程，在單軸加載條件下對復合材料試樣進行監測，使用1個PCI-2聲發射監測系統便攜式數碼相機、主放大器，聲發射監測的閾值和浮動閾值系統分別為40、45 dB，探針為r3，其諧振頻率和采樣頻率分別為20～100、106 kHz。

傳感器使用膠帶固定在粗糙砂巖的表面，采用凡士林改善傳感器和樣品表面耦合條件。通過壓縮煤矸石得到實驗數據，對應的實驗儀器如圖6所示。

3.2 煤矸石實驗應用結果分析

粗砂巖—含不同煤矸石顆粒復合試樣宏觀破壞的典型圖像如圖7所示。

在圖7中，復合試樣的破壞主要發生在 CGFB 內，沒有觀察到粗砂巖發生破裂或破壞的證據。說明了復合材料試樣的失效和不穩定性決定了復合材料試樣的整體不穩定性。破壞特征反映了表面剝落破壞的強度特性。因此，復合材料的整體強度隨著顆粒粒徑的增大，顆粒的破碎程度普遍增大。

樣品的強度主要取決于其中 CGFB 的強度。失效后，復合材料試樣中的CGFB清楚地顯示出煤矸石接觸之間的裂紋，說明煤矸石這些碎片有不同的尺寸，經歷了分裂失敗。同時，分析了復合材料試件的破壞特征，表面剝落破壞區在失效后的碎片中進行了重新的質量分布。因此，復合樣品中的CGFB含量達到了25%。對碎片質量進行了統計和研究發現，分裂破壞伴隨著局部不同程度的分布，分為4組：0～5、5～10、10～15、>15 mm。<5 mm 的煤矸石碎片用相應孔徑的篩子篩選；對于厚度>5 mm 的煤矸石碎片，首先用卡尺測量其大小，然后稱重。最后對每個分布中的碎片分別進行權重計算，然后采用平均值法進行處理。最終得出了在CGFB中，煤矸石的含量達到34.1%時，能夠較好地滿足填充要求，有效提升了開采效率。

圖5 煤矸石復合樣品測試系統示意Fig.5 Coal gangue composite sample testing system

圖6 壓縮煤矸石實驗儀器示意Fig.6 Experimental equipment for compressing coal gangue

4 煤矸石填充過程分析

模擬結果表明，采空區煤矸石充填形態隨工作面開采而不斷變化。根據充填形態的變化，煤矸石充填過程可分為滑坡期、小規模沉降期、漏斗形沉降期和大規模沉降期。

4.1 煤矸石填充階段

4.1.1 滑坡期

在工作面開采初期，由于傾角小于煤矸石的休

圖7 3組巖膠結煤矸石復合樣品實驗結果Fig.7 Experimental results of three groups of rock cemented coal gangue composite sample

止角，煤矸石不能在下方回填。采空區矸石回填量較低，主要集中在工作面上方，如圖8所示。煤層開采后，工作面上方的煤矸石位移較大，工作面上方的煤矸石向采煤邊坡滑移。這一階段被稱為滑坡階段。

4.1.2 煤矸石小規模沉降階段

工作面向前推進60 m后，煤矸石幾乎可以充分

圖8 滑坡期采空區矸石運動規律示意Fig.8 Movement law of gangue in the goaf during the landslide period

充填采空區。不同開采階段回填煤矸石具有明顯的分層性，呈弧形，左高右低。通過對煤矸石位移分布的分析，發現工作面附近的煤矸石位移最大，遠離工作面的煤矸石位移最小。在運煤的斜坡上有一個煤矸石斷面幾乎一動不動。

在這一階段，充填巷道中出現了一個小型煤矸石沉陷坑。地表塌陷深度從左到右逐漸增加，在工作面上部附近塌陷最為明顯。采空區內煤矸石的下沉運動與地表下沉運動相似，屬于小規模沉降階段。

4.1.3 漏斗狀沉降階段

1號開采區與2號開采區聯合開采時，工作面傾斜長度由80 m增加到140 m。煤矸石直接來自1號開采區，用于充填2號開采區的采空區。然而，由于工作面布置的影響，只有一小部分煤矸石進入2號開采區的采空區。通過分析結果表明，在自重作用下，煤矸石的接觸力從淺部向深部逐漸增大，在1號和2號開采區連接處達到最大值，如圖9所示。

圖9 漏斗狀沉降階段煤矸石運動狀態Fig.9 Coal gangue movement state in the funnel-shaped settlement stage

在高擠壓力和連接部位移動空間狹窄的約束下，煤矸石形成自穩定承重拱，阻礙上部煤矸石充填下部采空區。工作面推進100 m后，1號、2號連通間距寬度增大，連通間距縮小，形成2條長10～20 m的開采區。前期形成的自穩定承重拱受到破壞，使2號開采區采空區充填矸石較多。與小尺度下沉階段不同，1號開采區中部煤矸石的位移大于兩側煤矸石的位移，運煤坡面上的煤矸石仍保持靜止。煤矸石充填體的充填過程和位移分布類似于傾斜的漏斗，因此這一階段被稱為漏斗狀沉降階段。

4.1.4 大規模沉降階段

當2號采空區充滿矸石時，回填矸石的移動呈現為V形，回填巷道下沉坑比以前3個階段都大。有2個扇形區域的矸石靜止不動，如圖10所示。 該階段被命名為大規模沉降階段。

圖10 煤矸石回填過程的位移Fig.10 Displacement of coal gangue backfilling process

4.2 煤矸石移動時間

工作面向前推進后，采空區內的煤矸石緩慢移動。煤矸石的運移自始至終會持續一段時間，充填巷道沉陷坑的形成滯后于采礦作業。因此，研究煤矸石運動時間隨工作面開采的變化規律，對優化開采與充填作業的協調具有指導意義。

研究了2種條件下煤矸石的運動時間。①煤矸石運動時間隨工作面傾斜長度的變化，即分析比較煤矸石在不同開采階段的運動時間；②煤矸石運動時間隨采深的變化，即分析了在一個開采階段下首采煤矸石向工作面上首采過程中運動時間的變化。

5 工程應用

通過對煤矸石移動規律的數值模擬分析得知，不同的開采方式對礦井地質條件下的覆巖內部移動規律有著較大的影響，具體表現在以下幾方面。

(1)按照全部冒落法開采后，靠近開采煤層上部巖層出現了明顯破壞，垂向位移大、變形集中，呈現出明顯的冒落帶特征，遠離開采區域覆巖的位移變化逐漸平緩，距離越大位移變化越平緩。

(2)分析煤矸石充填開采數值模擬結果認為，煤采用煤矸石充填開采后，靠近開采煤層的上覆巖層變形平緩度明顯好于全采，表明矸石充填開采對于控制覆巖冒落帶的發展高度是十分有利的。

(3)按照設計的條帶采留寬度，采用條帶矸石充填開采后，通過與冒落全采、矸石充填開采的位移云圖對比、分析，條帶矸石充填開采煤層上方的垂向和水平位移變化均十分平緩，表明保留煤柱的支撐效果明顯，開采煤層上方的巖層在保留煤柱和充填矸石的共同支撐下，保持了完整的狀態，未出現明顯的冒落帶特征。

不同顆粒組合CGFB實際應用效果分析如圖11所示。由圖11可以看出，0～5 mm煤矸石填充物能夠有效支撐地表，最大下沉量為380 mm，滿足工程的應用需要。

圖11 不同顆粒組合CGFB實際應用效果分析Fig.11 Analysis of the practical application effect of different particle combinations of CGFB

6 結語

本文提出了一種采用刮板絞車進行急傾斜煤層遠距離充填的充填技術，并在實際的煤礦中設計了煤矸石運輸充填整個系統。在實踐中發現，工作面的斷層和長度對充填率有較大影響。采用充填采礦工藝數值模擬，研究了煤矸石在采空區的熱解規律。采空區內煤矸石主要經歷了煤矸石滑坡階段、小規模沉降階段、漏斗狀沉降階段和大規模沉降階段。隨著工作面傾斜長度和開采深度的增加，矸石的運移時間逐漸增加。采空區煤矸石運移區可劃分為運動區、滑坡區、沉陷區、漏斗形沉陷區和回填區。充填區是充填巷道的沉陷坑，通過將矸石運輸到采空區的遠距離部位進行充填，證明了采用鏟運機進行遠距離充填的有效性。根據模擬結果，優化了煤矸石填充的回采方案，采用了0～5 mm煤矸石填充物縮短了工作面傾斜長度，提高了回采率。