薄煤层宽巷掘进矸石置换区段煤柱技术探析

文/陈西东 石龙飞

薄煤层宽巷掘进矸石置换区段煤柱技术探析

文/陈西东 石龙飞

近年来，煤炭企业根据自身的特点推行了 “矸石充填”“绿色开采”等一系列工作措施，提高了煤炭资源回收率，改善了社会环境。山东八一煤电化有限公司根据国家安全生产意见精神，结合矿井自身工作实际情况，在薄煤层掘进实施了宽巷掘进、矸石回填技术，使用掘进出矸置换区段煤柱，降低了煤层自然发火威胁，提高了煤炭回收率，取得了较好的社会和经济效益。

一、矿井概况

八一公司始建于 1958年 8月，原为全水力化采煤矿井，设计生产能力为30万吨/年，因多年的开采，煤炭资源已近枯竭。近些年来为了最大限度回收煤炭资源，稳定矿区职工队伍，矿井由水采改为旱采。目前主要进行14、16薄煤层的开采和第3层煤复采。第十四层煤为矿井主采煤层，煤层平均厚度1.2m，煤层顶板为泥岩，平均厚3m，底板为泥岩，平均厚度8m左右。第十六层煤属结构简单的不稳定煤层，平均厚度0.8m。顶板为第十层灰岩，厚度5.5m，坚硬不易冒落，其底板为粘土岩，硬度较大，平均厚度2m。

二、矸石置换区段煤柱工艺方法

八一公司十四、十六层煤为薄煤层，回采工作面巷道为半煤岩巷道，高度为2.2～2.4m，宽度2.4～2.6 m，采用炮掘工艺，机械扒装。原煤矸分打分装，矸石运出工作面，提升上井。为了实现矸石置换巷道煤柱，八一公司在薄煤层工作面按照正常生产要求掘进巷道断面的基础上，再在巷道两侧沿煤层各掘出深度2～4m的煤层空间，巷道掘进采取分掘分装的方式，两帮预掘出的煤体空间用巷道底部矸石进行充填，沿充填带每米支设一根立柱，挂上挡矸帘。根据现场实际，必要时对充填的矸石带进行注浆，使其与煤层的顶板和底板接触严实，在对巷道上（下）帮掘出面积进行支撑的同时，隔离了采空区。该方法充分利用巷道两侧采出的煤体作为充填空间，实行煤矸置换。较适用于石灰岩、砂岩等顶板，可在有效控制巷道围岩变形的条件下，实现矸石置换煤炭，降低巷道掘进成本。

按照工作面煤柱置换充填情况，可分为区段煤柱完全置换充填和部分煤柱置换充填两种方式。

1．完全煤柱置换充填

根据煤层厚度和掘进巷道断面之间的关系，合理计算出工作面煤柱尺寸，通过对工作面顺槽上下帮煤柱置换充填，实现煤柱完全置换。如图1所示。

图1

十六层煤厚度0.8m，掘进巷道高度为2.0m，宽度为2.4m，若实现煤柱完全充填置换，计算上岩石破碎后的碎涨系数，则需向巷道一帮煤层掘进约4.0m的充填空间。

该方案适合坚硬不易冒落顶板及巷道压力较小的情况下。其优点是能够实现区段间煤柱的完全置换，煤炭资源回收率高；采空区不留设煤柱，不易引起采空区自燃发火。缺点为矸石起到支撑作用前，顶板已有一定程度的下沉，顶板较难管理；巷道容易产生漏风；充填空间较深，矸石充填难度较大。

2．部分煤柱置换充填

根据煤层厚度和掘进巷道断面关系，计算上下工作面煤柱尺寸，使掘进巷道矸石置换后，两工作面之间仍留设一定的区段煤柱（一般为2～3m），实现部分煤柱置换。如图2所示。

图2

十四煤层厚度1.2米，掘进巷道高度为2.0m，宽2.4m，采用锚网喷支护。若实现部分煤柱充填置换，计算上岩石破碎后的碎涨系数，则需向巷道一帮煤层掘进约2.0m的充填空间。

该方案适宜煤层顶板较完整及巷道压力一般的情况下。优点在于能够实现区段煤柱的完全置换或部分置换，煤炭资源回收率较高；巷道充填一侧留设一定宽度的煤柱（一般为2～3m），相比较而言顶板较易管理；矸石充填深度较浅，充填操作较为简单。但是，需要在采空区留设一定尺寸的煤柱，且煤层容易引起自然发火。

3.矸石充填的方法步骤

（1）根据煤层赋存情况及采用的矸石置换法，合理计算出采区区段之间的煤柱尺寸。

（2）按照设计断面正常掘进巷道，半煤岩巷道实施分打分装，先掘进顶部煤层部分。再掘进巷道一侧（不采煤一侧）矸石充填空间，采用戴帽点柱对充填空间进行临时支护，点柱间排距均为1m。

（3）对半煤岩巷道底部矸石爆破后铲车装运或人力装运到矸石充填空间，确保填充矸石和顶板接触严实，并挂好挡矸帘，按照正常支护要求对掘进巷道进行支护管理。如图3所示。

图3

（4）在矸石充填空间上部每隔5m预留设注浆管路，对矸石充填带进行注浆固化处理，提高矸石带支撑能力。

三、安全技术措施

1．在掘进巷道开门点10m范围内加强三岔门管理，防止因顶板悬露面积过大造成冒顶，一般不进行矸石充填处理。

2．掘进迎头及矸石充填空间由于空顶面积较大，掘进后要及时进行支护，矸石充填空间采用戴帽点柱（必要时加托板梁）临时支护。

3．实施煤柱置换充填后，由于巷道围岩顶板已有一定程度的下沉，部分围岩受到破坏，因此掘进巷道要及时支护，增加支护强度。

4．顶板松软掘进巷道实施矸石置换充填后，由于顶板下沉破碎，采用锚喷或锚网喷支护困难时，可考虑增设钢棚支护。

5．采用区段煤柱矸石置换后，巷道周边空隙大，漏风较多，因此回填空间一定要填实充满，并及时注浆处理，注浆拖后迎头不大于15m，减少向采空区漏风。

6．加强安全监测监控系统管理，发现局部漏风、瓦斯积聚、CO超限和巷道高温点等问题要及时进行处理。

7．对采区安全煤柱、隔水煤柱等要严格按照规定留设，严禁破坏。

四、社会及经济效益

实施矸石置换区段煤柱技术是响应国家“节能减排，绿色开采”号召的积极举措，是实施矿井矸石零排放的重要措施，对于提高矿井资源回收，减少矸石排放具有积极的意义。八一公司实施掘进巷道矸石置换区段煤柱在增加原煤产量的同时，减少了采区矸石排放量和运输环节。一年掘进半煤岩巷道2000m，置换煤炭8000多吨，增收320余万元，其综合经济效益较为可观。因此，矸石置换煤柱技术的成功实施对中小型矿井薄煤层的安全开采具有一定借鉴作用。

（作者单位：山东八一煤电化有限公司）

（责任编辑：周琼）