工作面矸石膏体充填开采工艺研究

2021-01-10王建东

山西化工 2020年6期

王建东

(山西乡宁焦煤集团燕家河煤业有限公司，山西临汾 042100)

引言

煤矸石为煤矿生产中伴随煤炭的产物，在传统开采工艺中煤矸石一般从工作面运送至地面，并堆积于地面上。上述针对煤矸石的处理方式不仅需要占据一定的耕地面积，而且煤矸石的长时间堆积还会对空气和地下水造成污染[1]。为解决上述问题，将煤炭生产伴随产生的煤矸石回填至采空区，即煤矸石膏体充填采煤技术。本文着重对煤矸石充填采煤技术的充填施工工艺和开采工艺进行研究，具体阐述如下。

1 工程概述

本文以XX煤矿的7#煤层为研究载体，该煤层的位于地面以下325 m到374 m的范围之内，7#煤层的最大开采宽度为70 m，该煤层工作面的走向长度约为790 m。本文涉及到对7#煤层煤矸石充填工艺和开采工艺的研究，为保证开采的安全性，需充分掌握7#煤层的顶底板情况，具体如表1所示。

表1 7#煤层工作面顶底板情况

经分析探测结果及实测数据可知：XX工作面的正常涌水量为12.5 m3/h，最大涌水31 m3/h。目前，为工作面所配置排水系统的最大排水能力为45 m3/h。

2 矸石膏体充填工艺研究

2.1 矸石膏体充填设备设计

根据矸石膏体在综采工作面的充填要求，该工艺涉及到的充填设备主要由翻矸机、运输机、充填皮带机和抛矸机等组成[2]。该设备能够满足在长距离工作面和各种巷道的矸石膏体的充填。

2.1.1 翻矸机的设计

翻矸机为实现矸石膏体充填采空区的关键设备，其功能的实现主要由装置中的液压马达和链条的减速所实现。该装置具体积小、安装方便、结构简单且能够有效减少煤矸石对物件的冲击力，可有降低作业人员的劳动强度。翻矸机液压系统泵站的额定压力为16 MPa，卸荷阀的压力设定值为18 MPa。

2.1.2 抛矸机的设计

本项目所采用的抛矸机是指在7#煤层工作面已经报废的综掘机AM-50的基础上改造所得。液压控制系统对抛矸机皮带机的伸缩高度进行调整，使其能够满足高度不同的巷道场合下工作的要求，并通过其行走部实现对抛矸机横向和纵向方向的运动。抛矸机关键参数如下：行走部履带宽度为370 mm，牵引速度大不于25 m/min；对应液压系统中额定压力为16 MPa。为保证作业人员工作环境，为抛矸机设计了喷雾系统[3]。

2.2 矸石膏体充填流程及工艺的设计

在实际充填过程中按照顺序完成第一条巷道的掘进任务后，即可开展已完成掘进任务巷道的充填操作；待第一条巷道充填完成后才可对第二条巷道进行掘进，以此类推。

本文以7#煤层工作面其中的一条巷道为研究对象，其矸石充填工艺流程设计具体如下：将参与充填装置运输至工作面，并将充填装置进行组装并置于规定位置内；充填设备安装完成后，由电机车将其他巷道的煤矸石运输至需充填的巷道，并采用推车机将煤矸石倒入翻矸机的罐笼中，对应的充填工艺流程如图1所示。

图1 矸石膏体充填工艺流程图

表2 矸石膏体充填设备及工具选型

3 矸石膏体充填开采方案最优化研究

巷道开采宽度、高度以及煤柱宽度等参数时保证煤层开采时对地表变形以及煤柱稳定控制的关键[4]。经探测可知：7#煤层工作面岩梁上面的均布载荷按照10 MPa、直接顶的抗拉强度和抗剪强度分别为0.876 MPa和8 Mpa。经计算可得:对应上述条件下要求巷道的最大跨度值为5.3 m。综合分析7#煤层的开采方式和支护基础，选择巷道的宽度值为5 m。

煤柱宽度值同样作为影响工作面顶底板围岩控制效果的关键参数，结合以往涉及经验，在当前巷道开采宽度为5 m，充填率按照95%设定，可将煤柱宽度值设定如下范围：3 m～15 m。为了准确掌握煤柱宽度对工作面顶底板的影响特性，基于FLAC3D软件对不同煤柱宽度下对应其自身垂直方向和水平方向应力的变化情况进行分析，仿真结果如图2所示。

图2 不同煤柱宽度对应应力变化情况

如表3所示，随着煤柱宽度的增加对应其垂直和水平应力均在减小，且减小趋势随着煤柱宽度增加逐渐平缓，具体表现如下：当煤柱宽度大于7 m后其应力变化相对平缓；而煤柱宽度小于7 m时其应力变化相对较急。因此，建议7#煤层工作面开采时煤柱宽度设定为7 m。

为确保最终所设计开采工艺参数的效果，本文分别对如表3五种不同开采方案的开采效果进行对比。

表3 开采方案

经对比可知：上述五种开采方案中，3#、4#方案的安全系数最高为2.4，1#和2#方案的安全系数最低为1.6，5#方案的安全系数居中为2.1。此外，1#、4#方案的采出率可达50%，2#方案的采出率次之，为42%，3#方案的采出率仅为33%。因此，综合上述五种开采方案对应的安全系数和采出率，最佳开采方案为4#方案。