東興煤礦井下矸石處理技術研究與應用

趙春陽

（山西省煤炭建設監理有限公司，山西 太原 030000）

常規的垮落法開采造成了地表的沉陷，并且沉降量的大小與煤炭資源的累計開采量成正比。同時作為煤炭開采中產生的固體廢棄物，煤矸石在地表堆積，侵占了耕地，污染了環境。據統計，矸石產量約為原煤產量的15%左右，每年的矸石產量約為4～5 億t，累計堆放量超過40 億t。近年來，為減少地表沉降同時處理矸石，充填開采技術得到了廣泛的應用。為解決矸石占用土地資源、污染環境以及建下壓煤問題，太原東山東興煤礦開展了井下巷式充填技術的研究，將矸石回填到巷道中，取得了較好的應用效果。

1 概 況

1.1 地質條件

東興煤礦井田范圍內唯一可采的煤層是15 號煤，位于太原組中下部，全區穩定可采，厚度5.10～6.75 m，平均5.83 m，該煤層結構簡單—較簡單，含0～3 層夾矸，單層最大厚度0.35 m。煤層頂底板巖性如圖1 所示。

圖1 15 號煤頂底板巖性Fig.1 Lithology of No.15 coal roof and floor

1.2 存在的問題

當前礦井產生的矸石由井下運輸提升至地面，在指定的區域堆積形成矸石山。矸石山的存在占用了大量的土地資源，對礦區環境造成了污染。同時，矸石長期地面堆積在風化作用下可釋放部分重金屬，污染水資源。東興煤礦的15 號煤為Ⅱ級自燃煤層，遺留在矸石山中的煤炭資源會發生自燃，存在一定的事故風險。

1.3 處理方式的確定

當前的矸石固廢處理主要包括矸石綜合利用和矸石井下充填兩種方式。煤矸石可用于發電、生產建筑材料、生產肥料、制備化工原料等，但其初期投資大、建設周期長、經濟效益低。東興礦每年的矸石產生量約為1.1 萬t，相對較少，且矸石中大部分夾有地質構造的石塊，品質不符合相關要求，因此綜合利用的方式不適用。

我國煤礦井下矸石充填可以分為矸石固體直接充填和膏體材料充填。與膏體材料相比，矸石固體充填的工藝相對簡單，并且初期投入以及后期的運營成本較低，因此首選矸石固體充填。結合東興煤礦的實際生產條件，確定選用巷道矸石充填的方式處理矸石固廢。

2 巷道布置及支護

2.1 處理區域及巷道布置

根據礦井開拓布置，確定主充填區域井下位于F3 斷層東北部，南部為原寨溝采空區，東南部為3條集中大巷，北部為未掘區域。地面位置為前李家山村居民區村莊保護煤柱外東南部。整個充填區域位于村莊保護煤柱和大巷之間，無法布置正規工作面。

整個充填區域內總有效容積79 713 m3，其中充填回風巷、回風聯巷、排矸運輸巷充填設計總長度432 m，總容積10 368 m3，有效容積9 331 m3；全區域共設計有7 條矸石巷，總充填長度1 077 m，總容積32 310 m3，有效容積29 079 m3。充填區域可處理矸石量6.1 萬t，充填區域可充填矸石服務年限11 a，大于礦井實際服務年限，可滿足礦井的矸石排放需要。

在F3 斷層東北部充填區域內東北- 西南向平行布置充填回風巷和排矸運輸巷，充填回風巷和排矸運輸巷通過回風聯巷相連；排矸運輸巷東側與3號聯絡巷貫通；充填回風巷東側與一采區大巷聯絡巷貫通，形成充填區域的通風、運輸等系統。在距離充填回風聯巷25 m 煤柱布置1 個掘進巷，距離掘進巷35m 布置1 個排矸巷，保證矸石的充填作業接替。排矸運輸巷、充填回風巷和充填回風聯巷均沿15 號煤層頂板布置，充填區域采用“一進一回”的通風方式，排矸運輸巷內鋪設膠帶輸送機和軌道兼作進風。

為保證井下掘進、充填的正常銜接，設計充填區域內配有1 個掘進面和1 個充填面。

2.2 巷道支護方式

以排矸巷為例，巷道設計斷面為矩形，尺寸為5 m×6 m，分兩次掘進，初次掘進斷面5 m×3 m，支護采用錨網索支護，如圖2 所示。

圖2 巷道斷面支護Fig.2 Roadway section support

巷道頂板選用φ20 mm×2 000 mm 的螺紋鋼錨桿，共6 根，間距900 mm，排距1 000 mm；頂板采用φ17.8 mm×7 000 mm 鋼鉸線進行補強支護，排距2 000 mm，間距1 800 mm。巷道兩幫選用φ20 mm×2 000 mm 的螺紋鋼錨桿，間距1 000 mm，排距1 000 mm，距離頂板3 m 位置處每2 m補打1 根4 500 mm 錨索對幫進行補強支護。

頂錨桿錨固劑采用Z2360 和K2335 各一卷；幫錨桿錨固劑采用Z2360 和K2335 各一卷；頂錨索錨固劑采用Z2360 兩卷和K2335 一卷；幫錨索錨固劑采用Z2360 和K2335 各一卷。

網片采用12 號鐵絲菱形網，網格40 mm×40 mm，規格1 000 mm×10 000 mm，網片搭接長度100 mm。

3 現場應用

3.1 開采步驟

為進一步保證巷式充填過程中隔離煤柱的安全穩定，根據巖層移動控制機理，采用“逐步縮小煤柱寬度”的跳掘方法進行掘巷，如圖3 所示。

圖3 巷道掘進和充填順序示意Fig.3 Roadway excavation and filling sequence diagram

首先掘進排矸運輸巷和充填回風巷、充填回風聯巷，充填區域形成獨立的通風系統；在充填回風聯巷東側65 m 處施工1 號排矸巷；在充填回風聯巷東側25 m 處施工5 號掘進巷，同時對1 號矸石巷進行充填；在35 m 煤柱中間再掘3 號巷，即兩巷之間留15 m 煤柱，并充填已掘的5 號排矸巷道。依此類推，礦井以1 個掘進面和1 個充填工作面，保證井下矸石的充填。同時，為保證充填回風巷的通風安全，充填回風巷側的排矸巷應最后完成。

在排矸巷充填完畢后，對排矸運輸巷、充填回風巷、充填回風聯巷進行二次拉底，作為排矸巷進行充填。

3.2 運矸系統

充填矸石卸載至矸石巷皮帶輸送機機尾，由矸石巷皮帶輸送機裝置至充填工作面。

主井生產系統人工撿出的矸石進入地面臨時場地，經轉載入礦車后，由副斜井運至井下回填；掘進矸石不出井，在井下充填巷道排矸。

地面矸石—副斜井—集中軌道大巷—矸石車場—翻矸機—破碎機—排矸運輸巷—排矸巷皮帶輸送機—拋矸機—充填面。

掘進面矸石—礦車—矸石車場—翻矸機—破碎機—排矸運輸巷—排矸巷皮帶輸送機—拋矸機—充填面。

3.3 主要設備

充填區域掘、裝、運、充工序全部采用機械化，對于機械設備的選擇首先滿足技術先進，生產可靠，安全高效；同時各設備間要相互配套，保證運輸暢通。主要設備見表1。

4 應用效果

4.1 巷道變形觀測

為掌握巷道的變形情況，優化支護方案，在巷道掘進后設置測點，對巷道表面位移進行觀測，觀測結果如圖4 所示。

圖4 巷道變形觀測結果Fig.4 Roadway deformation observation results

由圖4 可以看出，在整個觀測周期內，巷道的變形量緩慢增長，但變形速率較小。最終頂板下沉量為44.5 mm，兩幫收斂量為20.1 mm，變形量相對較小，對后續充填工作幾乎無影響。

4.2 地表沉降

由于目前充填區域較小，地表尚未觀測到變形值。因此采用等效采高的方式對充填后的地表沉降進行估算，公式如下：

式中：m 為充填巷道高度；η 為矸石的壓縮率；δ為巷道頂板下沉量；△為充填未接頂量。

根據充填區域的地質生產條件計算可得，該區域巷道充填的等效開采厚度為0.558 m，由此計算可得的地表變形最大值，見表2。變形值較小，對建筑物無影響。

表2 地表最大變形值Table 2 Maximum surface deformation value

4.3 效益分析

4.3.1 經濟效益

充填系統每年需掘進矸石充填巷道720 m，年投資約500 萬元，巷道掘進出煤可實現的原煤銷售收入1 200 萬元。根據測算，如果矸石地面堆積，征地費、公路綠化費、矸石場土建工程等約需投入560 萬元。綜上可得，采用巷道充填的方式處理矸石，年可產生經濟效益1 260 萬元，經濟效益顯著。

4.3.2 社會效益

采用煤矸石井下充填矸石巷，預計每年減少3.0 萬t 煤矸石排放，減少了煤矸石占地，解決了煤矸石地面堆積對空氣、水、土地等的污染問題。同時采用巷道充填的方式將原先不可采的大巷及村莊保護煤柱進行了回收，可提高煤炭資源的回收率，有利于延長礦井的服務年限。

5 結 論

（1） 在對比不同矸石處理方式的基礎上，東興煤礦確定采用巷道矸石充填的方式處理矸石。

（2） 為保證井下掘進、充填的的正常銜接，設計充填區域內配有1 個掘進面和1 個充填面，采用“逐步縮小煤柱寬度”的跳掘方法進行掘巷。

（3） 采用等效采高對地表沉陷進行測算，結果表明，采用巷道巷充的方式對地表的影響較小，經濟社會效益顯著。