上海庙矿区长城一矿“采、充、留”绿色开采技术研究

赵大勇，张磊鑫，张　苍

（山东能源新矿集团内蒙能源有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯016200）



上海庙矿区长城一矿“采、充、留”绿色开采技术研究

赵大勇，张磊鑫，张苍

（山东能源新矿集团内蒙能源有限责任公司，内蒙古鄂尔多斯016200）

摘要：煤矿开采技术的进步和完善始终是采矿学科发展的主题，而绿色开采又是煤炭开采的发展方向，对提高煤炭采出率、保护生态环境和实现煤矿可持续发展具有十分重要的意义。上海庙矿区长城一矿将综合机械化采煤、地面洗矸与原生矸石架后充填、墩柱沿空留巷三种开采技术综合一体化应用，实现了由垮落法、有煤柱开采方式向充填法、无煤柱连续开采方式的转变，取得采煤工艺上的新突破，实现了集约高效、绿色开采。

关键词：“采、充、留”并行；钻孔溜矸；架后充填；墩柱留巷

随着采煤工艺的进步、综合机械化开采设备的应用、煤矿管理水平的提高，越来越多的新工艺得以实现。长城一矿就矿山开采过程中如何实现资源开发效率最高、对生态环境影响最小，使企业经济效益与社会效益更加协调优化进行积极探索，通过联合科研院所专门研制适合矿井生产条件的大采高、大阻力、六柱式高效ZC9900/20/38型充填液压支架，自主研发了底卸式液压自动卸料充填刮板运输机和提高矸石堆积密实度的推移捣实机构，与中国矿大合作研发了国内首创的钢管混凝土墩柱作为留巷主体的沿空留巷支护体系，目前形成了“采、充、留”并行的一体化高效绿色开采技术。

1　“采、充、留”采煤工作面概况

长城一矿第一生产水平1902S综采充填工作面位于+920水平第二区段南翼，所采煤层为九层煤下分层。工作面南北走向长510 m，东西倾斜宽度130 m,平均埋深266 m，煤厚平均3.5 m，煤层倾角26.4°，可采储量33万t。九层煤下分层直接顶板为白色砂岩,厚0.3 m～2.0 m，基本顶为石灰岩，厚2.0m～2.5 m；直接底板由北向南由灰黑色粉砂质泥岩变为灰白色粉砂岩,平均厚度3 m。

2　“采、充、留”一体化开采技术

依靠科技进步，积极推进充填开采理论研究。同中国矿业大学深化了充填理论研究，在量化充填介质特性、充填参数对于地表沉降的关系，部分充填与可控性下沉等方面进行深入研究，努力为充填设计提供理论指导。重点围绕改善采场和巷道维护、提高采出率、加快生产循环、充填装备等方面开展了技术研究。

2.1充填开采技术配套系统

矸石充填系统包括地面固体充填物料投放系统、井下矸石储存运输系统、综采架后充填系统三个子系统。

1）大垂深小孔径固体充填物料直投系统—钻孔溜矸。矸石直投系统中输料孔深度为310 m，孔径500 mm，全孔下入陶瓷衬壁铸铁耐磨套管，实现矸石的自重运输。地面处理系统不仅能够处理矿井洗选矸石，还能处理地面建筑垃圾和其他固体废物。地面矸石投放系统包括地面储矸场、矸石输料孔、建筑垃圾破碎机、矸石给料系统。地面储矸场配备矸石处理破碎机、输矸皮带、铲车以及井上下通讯系统，将地面矸石（或洗矸）进行简单的破碎处理后，输送到矸石输料孔的进料口。

2）井下矸石储运系统。该系统包括缓冲硐室、矸石破碎系统、+920水平矸石仓、矸石运输皮带。地面处理系统处理后的矸石以及其他材料经过输料孔，输送到井下储存运输系统，输料孔落下的矸石经缓冲硐室，储存在+920水平矸石仓中，矸石仓直径5.5 m，垂高11 m，有效容量208 t。后经过给煤机转运到采区输矸皮带上输送至充填工作面后部充填运输机。

掘进工作面的原生矸石经破碎机破碎后，进入+920水平矸石仓，然后一并经矸石运输皮带运送至综采充填工作面后部运输机进行工作面充填。

3）自主研发特制综采充填支架—架后充填。综采架后充填系统装备ZC9900/20/38型大采高、大阻力、六柱式充填液压支架，装备MG300/700-WD型双滚筒采煤机、SGZ730/400型刮板运输机完成采煤、支护、充填工艺。

ZC9900/20/38型充填液压支架为自主研发的大采高、大阻力、六柱式高效充填液压支架，该支架四连杆机构在前后立柱之间，从而简化了支架的结构，既改善了支架后部工作条件，又具有足够的通风断面和行人空间。四个立柱支撑在前顶梁上，另两个立柱支撑在后顶梁上，使后顶梁具有较大的支顶力。

自行研制SGZ630/264型充填运输机为底卸式充填刮板运输机，通过吊挂的方式悬挂在充填支架的后尾梁上，该运输机配备底部开有卸料槽的中部槽，卸料槽通过液压支架提供的高压液体，带动油缸实现卸料槽的开启和关闭，从而实现矸石的下落、充填。为解决充填溜头处矸石堆积、充实率低的问题，在充填运输机溜头处增设了推移捣实机构，利用油缸推动铲板，将溜头处堆积的矸石推向采空区侧，提高了溜头处的矸石堆积密实程度，提高了留巷段的护巷效果。

自主研发的大采高、大阻力六柱支撑式充填配套设备联合试运转的成功，适应了厚煤层采煤工作面高效充填的需求，实现了同一支架系统充填与采煤并行作业，工作面年生产能力达到90万t以上。

2.2钢管混凝土墩柱沿空留巷无煤柱开采技术——墩柱留巷

沿空留巷支护系统采用国内首创的钢管混凝土墩柱做为留巷的主体，辅助配合混凝土灌注、巷旁加强支护和采空区侧挡风护帮措施，形成完善的留巷体系。

钢管混凝土墩柱沿空留巷技术是与中国矿业大学联合研发的一种新型的留巷技术。采用钢管混凝土墩柱进行支护，墩柱外侧堆砌3排装填矸石的袋子至顶板，共同承担顶板压力，还可以阻挡采空区的有害气体和涌水进入留巷空间。钢管混凝土墩柱是在空钢管中充填混凝土制作而成的，采用φ299 mm×6 mm的普通无缝钢管，钢管长度依巷道高度确定，钢管底部焊接注浆口，上沿切直径30 mm的半圆排气孔；钢管壳起约束作用，使混凝土处于三向受压状态，从而使夹心混凝土具有更高的抗压强度，内填混凝土与钢管管壳共同承受轴向压力。为防止墩柱因承受压力过大插入底板，墩柱放置于规格为500 mm×500 mm×10 mm的柱鞋上，柱鞋上焊接四块角钢，限制墩柱在托盘上的移动。因为钢管混凝土墩柱为刚性支护，在墩柱顶部与顶板之间垫两块楔形木块，起让压作用。

钢管混凝土墩柱可多次使用，采用钢管混凝土墩柱支护沿空留巷有支撑力大、稳定性好、施工速度快、经济合理等优点。

3　高效充填留巷工艺实施技术成果

3.1充填效果分析

1902S综采充填工作面采高3.5 m，充填高度2.8 m，充实率可达80%，经过地表沉降观测显示，1902S工作面地表沉降最大值发生在工作面后方200 m处，最大下沉量为0.65 m，而同煤层工作面开采后，地表沉降值达到2.00 m，采用矸石充填与垮落法开采相比可以有效减少地表的沉降。

3.2沿空留巷效果分析

钢管混凝土墩柱作为一种新型的支护材料，为煤矿沿空留巷支护提供了一种新工艺，1902S综采工作面运输巷沿空留巷，采用钢管混凝土墩柱代替单体支护，实现了留巷的安全、可靠、经济。

1）支护形式对比。永久支护上，单体支柱沿空留巷采用两排单体支柱配铰接顶梁和锚索形式进行支护，柱距为0.8 m，排距为0.4 m，锚索走向间距为3 m；钢管混凝土墩柱支护沿空留巷，采用钢混墩柱和锚索共同进行永久支护，墩柱单排布置，柱距为1.0 m～1.5 m，锚索走向间距为3 m。临时支护上，两种留巷方式均采用在巷内支设两排单体临时支护，采用单体支柱沿空留巷临时支护滞后工作面30 m～50 m，待周期来压结束后回撤；而采用新工艺需要滞后工作面80 m，待注浆后14天达到水泥凝固期后开始回撤临时支护。

2）矿压显现对比。根据现场观察整理，九层煤工作面周期来压步距为10 m～15 m，走向和倾向等长或整数倍时，来压显现非常明显，来压时顶板最大下沉量钢混墩柱为0.16 m，累计下沉量0.3 m；单体支护沿空留巷周期来压下沉量为0.3 m左右，累计下沉量为0.56 m。可见单体支柱沿空留巷来压时顶板下沉量较大。

经过对掘进期间、回采留巷期间两个阶段的矿压观测，巷道断面收缩率为15.45%，符合设计要求，满足了工作面的进风、运输、行人的需要。

3）支护效果对比。采用钢混墩柱沿空留巷来压后，墩柱的让压木帽变形被压缩甚至切断，个别墩柱插入顶板0.1 m，个别的墩柱受压发生弯曲变形失去其承载力，需要更换，但巷道整体的变形较小，维护工作量小；而采取单体支柱沿空留巷时，支柱可以随时进行整改和更换，后期维护机动灵活，但巷道整体变形大，局部甚至需要复棚支护。

3.3经济效益分析

长城一矿在1902S综采充填工作面实施综采架后充填开采及沿空留巷技术，工作面月单产均在7.5万t以上，每月消化矸石量为7万t，基本具备了年产量90万t、年消化矸石80万t的综采充填能力，同时实现了月度沿空留巷110 m的好水平，“采、充、留”一体化高效工作面绿色开采技术成效显著。

截止目前，综采架后充填矸石54万t，以矸换煤50万t，累计留巷2 123 m；多回收煤炭资源近20万t，获取直接经济效益2 500余万元。

4　结束语

“采、充、留”一体化安全高效绿色开采技术，充分利用回采空间架后充填矸石，实现了井下矸石不升井，地面洗选矸石和建筑垃圾通过钻孔溜矸技术回填井下，解决了由于井工开采带来的地表塌陷难题和矿井固体废弃物对地表环境的影响。

采用钢管混凝土墩柱沿空留巷开采技术减少了区段煤柱的资源损失，缓解了接续紧张的局面，最大限度的降低巷道万吨掘进率，提高了资源综合利用效率，消除了煤柱集中压力安全隐患。具有显著的经济效益和安全效益，为今后类似煤层条件的无区段煤柱开采提供理论依据与技术借鉴,具有一定的推广应用价值。

参考文献：

[1]钱鸣高，许家林，缪协兴，等.煤矿绿色开采技术[J].中国矿业大学学报，2003，32（4）:343- 348.

[2]赵新贤.煤炭绿色开采技术及其应用探讨[J].建筑工程技术与设计，2015（5）:136.

[3]蔡可杭.绿色开采技术在煤炭开采中的应用[J].经营者，2015（3）:315.

[4]韩亮.煤矿绿色开采技术的应用及前景[J].城市建设理论研究（电子版），2015（3）:2291- 2292.

（编辑：武晓平）

Green Mining Technology with Backfilling and Retaining in Greatwall No.1 Mine in Shanghaimiao Coal Mine

ZHAO Dayong, ZHANG Leixin, ZHANG Cang
(Inner Mongolia Energy Co., Ltd., Shandong Energy Xinwen Mining Group, Erdos 016200, China )

Abstract:Development and improvement of mining technology are always the theme of mining development as a discipline. Green mining is the future direction of the coal mining, which is important to increase coal recovery rate, protect ecological environment, and realize sustainable development of mines. Greatwall No.1 mine in Shanghianiao coal mine integrates fully- mechanized mining, backfilling after support with washed gangue and primary coal rejects, and pier pillar gob- side entry retaining technology in order to transform from caving mining with pillars to continuous mining with backfilling without pillars. As a breakthrough in miningtechnique, the technologyhas achieved the intensive, efficient, and green mining.

Keywords:mining with backfilling and retaining concurrently; borehole and bing- hole; fill behind support; pier pillar gob- side entry retaining technology

作者简介：赵大勇（1961-），男，山东临沂人，大学本科，高级工程师，从事煤矿生产技术和安全管理工作。

收稿日期：2015- 11- 12

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.020

文章编号：1672- 5050（2016）01- 0069- 03

中图分类号：TD823.8

文献标识码：A