急倾斜煤层柔性掩护支架开采矸石充填工艺研究

祝 琨，刘鹏亮，郭爱国

(天地科技股份有限公司开采设计事业部，北京100013)

1 柔性掩护支架开采特点与充填难点

长沟峪煤矿采用的伪倾斜柔性掩护支架采煤法是我国倾角55°以上、2～6m厚的煤层的主要开采方法，其特点是长壁工作面按伪倾斜布置，沿走向方向推进，用柔性掩护支架隔离采空区，工人在掩护支架下作业。这种采煤方法的优点主要有:一是工作面沿走向推进，工作面较长，系统简单，连续推进;二是支架依靠重力自行下放，简化了顶板管理，减轻了单体支柱架设和撤除的繁重体力劳动;三是工作空间矿压显现缓和，煤炭能自溜输送［1］。

目前国内多个煤矿对于矸石不上井和矸石充填技术进行了研究和实践，并取得了较好的效果，如邢东矿矸石巷式充填、翟镇矿综采面矸石充填等。但目前实施充填开采的煤层倾角以近水平 (＜8°)和缓倾斜 (8～25°)为主，工作面支护方式主要是综采液压支架和单体支柱，大倾角 (35～55°)和急倾斜 (＞45°)煤层以及悬移支架工作面和柔性掩护支架工作面的矸石充填技术研究和应用实例还未见报道［2］。

柔掩支架采煤法进行矸石充填与普采、综采采煤工艺相比差异很大，主要有以下2个特点:

(1)柔掩支架工作面支护方式具有特殊性普采可通过在排柱之间设置隔离措施为充填提供空间，综采通过加长尾梁支撑采空区顶板为充填提供空间，即充填都是在支架掩护下进行。而柔性掩护支架无法做到对充填作业的掩护［3］。

(2)柔掩支架工作面布置具有特殊性 工作面与煤层走向不垂直，伪斜23°布置，因此，工作面的推进使得采空区矸石随支架下放而下落，无法实现与普采、综采相似的紧随工作面后方充填。

由于柔掩支架工作面的矸石充填较其他开采方法有这些不同，因而无法采用现有的矸石充填技术进行充填，所以需要设计特殊的矸石充填方法。

2 伪斜柔掩支架工作面架后矸石充填系统设计

急倾斜煤层开采后，不仅顶板岩层垮落下滑，底板岩层及上边界煤柱也受到破坏，采空区内大小石块纵横交错，剩余空间只相当于采前煤层体积的10%～30%，因此，寻找或制造足够的充填空间是急倾斜煤层实施矸石充填的最大难点和关键问题。

采用伪倾斜柔性掩护支架采煤法开采急倾斜煤层时，由于柔掩支架上方矿压较小，附近顶底板不会立刻出现断裂、垮落，这就为矸石充填提供了时间和空间，所以应抓住顶底板垮落前的时机，及时进行充填。

通过对伪倾斜柔掩支架采煤法的整体采煤系统等的研究，针对这种开采方法的特点以及与普采、综采面矸石充填的不同之处，设计了柔掩支架工作面架后矸石充填系统。矸石充填工艺流程见图1。

图1 矸石充填工艺流程

沿底板将区段回风平巷拓宽，成为半煤岩巷道，矸石从掘进头通过底板巷道、平石门运到拓宽后的区段回风平巷，再用耙斗或抛矸机将矸石充填到采空区。矸石充填系统巷道位置见图2。

图2 矸石充填系统巷道位置

采用柔掩支架工作面架后矸石充填系统，主要有以下几点优势:

(1)提供充填空间 由于支架上方矿压较小，附近顶底板未出现断裂、垮落，为充填提供了空间。本系统的建设应提早完成，这样可以随着工作面的开采做到随采随充，从而抓住顶底板垮落前的时机，及时进行充填，解决了充填空间的问题。

(2)解决充填动力问题 从拓宽的区段回风平巷向采空区充填矸石，依靠支架下放和煤层倾角使矸石自溜下滑，解决了充填动力的问题。

(3)充填方便快捷，成本低 充填材料采用处理至300mm以下的原矸，矿车运输，无需其他处理即可满足充填要求，方便快捷，成本也较低。

3 长沟峪煤矿应用实例

本系统以长沟峪煤矿－230m水平东十五槽的一段进行伪斜柔掩支架工作面架后矸石充填的设计以及试验现场。

长沟峪煤矿主要的采煤方法为柔性掩护支架采煤法，矿井初步设计生产能力0.3Mt/a，经过技术改造，现年生产能力稳定在1Mt/a左右。目前长沟峪煤矿每年提升到地面的矸石量约2.6×105m3，约为煤炭产量的30%。矸石在地面大量排放引起如下问题:一是对周边环境和条件带来很大的威胁与危害，尤其是长沟峪煤矿地处北京地区，环保压力极大;二是矸石提升占用了井下运输设施，增加了副井提升负担，降低了煤炭运输能力;三是提高了矿井生产成本，如将－410m水平的矸石运到地面需4级提升，成本约合10元/m3。矸石的处理问题成为制约企业健康发展的突出问题。

设计将区段回风平巷沿底板拓宽，改造为半煤岩巷道，作为充填巷道，主要用于运输矸石充填材料，此外还要兼顾行人运料等其他辅助作用。经过综合考虑，确定充填巷道在岩层中的断面为直角梯形，尺寸为顶板宽3600mm，底板宽4250mm，高2800mm。另外巷道一侧的煤层全部随巷道一起掘出，巷道最终断面为岩石巷道断面加上煤层断面，支护采用锚杆、锚索、W钢带联合支护，必要时再加单体液压支柱进行支护。

拓宽的区段回风平巷需要通过平石门与底板巷道联通，考虑整体充填系统的设计需要，将平石门的断面尺寸设计为3m×3m，巷道坡度按0.5%设计，平石门内铺设轨道，用于侧卸式矿车和防爆特殊型蓄电池电机车行走使用，轨道一侧设计小水沟，另一侧为人行道。

区段回风平巷沿煤层底板拓宽，作为矸石充填工作区使用。拓宽的区段回风平巷由平石门与底板巷道联通，这样就形成了矸石充填系统。

图3为充填工艺流程俯视示意图，图4为充填巷道工作示意图 (采用耙矿绞车充填)。

图3 充填工艺流程俯视示意

图4 充填巷道工作示意 (耙矿绞车充填)

按照上面的设计，掘进面的矸石采用侧翻式矿车运输，经过底板巷道、平石门运至拓宽的区段回风平巷，从区段回风平巷向采空区充填矸石，采用耙矿绞车将矸石充填到采空区 (或者用侧卸式矿车将矸石直接卸入采空区充填)，依靠支架下放和煤层倾角使矸石自溜下滑，这样就解决了充填的动力问题;充填材料为处理至300mm以下的原矸。

4 结论

应用柔掩支架架后矸石充填系统，可以很好地解决目前急倾斜煤层柔掩支架开采中存在的矸石充填的问题，既能寻找并充分利用充填空间，又解决了充填的动力问题，而且成本较低，填补了这方面的研究空白。

［1］王 戈，王 永，陈淼明.综采工作面矸石充填技术探讨［J］.现代矿业，2009，5(5):110－111.

［2］缪协兴，张吉雄，郭广礼.综合机械化固体充填采煤方法与技术研究［J］.煤炭学报，2010，1(35):1－6.

［3］李永明，刘长友，李西蒙，等.水体下急倾斜煤层采空区矸石充填顶板控制［J］.煤炭学报，2010，9(35).

［4］王富生.伪倾斜柔性掩护支架采煤法 ［J］.科技与企业，2011(12).