桑峨矿12303工作面充填开采技术应用探讨

许 峰

（霍州煤电集团大地煤业有限公司，山西 吉县 042202）

煤炭开采扰动破坏了地下岩层稳定，会引发采空区塌陷、滑坡、泥石流等灾害。充填开采是绿色开采技术之一，该技术利用充填材料置换矿产资源，提高了矿产资源的回采率，同时可以控制覆岩变形、减小地表变形沉陷、充分利用煤矸废料。我国许多煤矿大量的资源属于三下压煤，在东部一些矿井还面临着第四系松散含水层的威胁。因此，充填开采技术应用前景十分广阔[1-5]。

1 工程概况

桑峨矿位于山西省临汾市，设计生产能力5.0 Mt/a，服务年限103 a，目前矿井属于基建矿井，矿井洗选矸石量为1.458 8 Mt/a，岩巷掘进矸石量为0.180 Mt/a，合计1.640 Mt/a。由于矿井矸石量较大，拟定在二采区布置充填开采工作面，采用矸石充填工艺，同时采用边充填边留巷工艺，不留工作面煤柱，以提高煤炭回收率。

2 充填开采技术

2.1 矸石充填系统能力

充填工作面年耗矸能力按公式（1）计算：

式中：A矸为年耗矸生产能力，万t/a；C 为日进刀数，根据相关资料，取3 刀；B 为工作面布置长度，取280 m；D 为截深，取0.8 m；M 为平均采厚，取5.4 m；γ 为容重，取1.5 t/m3，k 为充填率，初始充填率取100%。

则充填工作面年矸石消耗能力：

充填工作面年耗矸达1.796 Mt/a，可完全消纳桑峨矿产出的1.64 Mt/a 矸石量，从而实现地面矸石零排放。

2.2 矸石充填方案

矸石充填关键在于井上下矸石的输送，该方案主要分三部分，一是地面矸石入井，二是井下矸石筛分破碎，三是矸石井下运输及充填。

地面矸石主要运输路线： 地面矸石处理车间→地面带式输送机→转载仓→溜矸钻孔→井下矸石仓→大巷返矸带式输送机→工作面顺槽返矸带式输送机→充填地点。

井下矸石主要运输路线1： 井下洗选后的矸石→矸石仓→大巷返矸带式输送机→顺槽返矸带式输送机→充填地点。

井下矸石主要运输路线2：井下岩巷掘进纯矸石（破碎后）→大巷返矸带式输送机→工作面顺槽返矸带式输送机→充填地点。

3 综采充填工艺

3.1 首采充填面

桑峨矿井二采区12303 工作面为首采面，采用充填工艺与沿空留巷方式，将22301 运输顺槽留下来。

3.2 充填采煤工艺

矸石充填与采煤前后同步作业，依次开动充填刮板机、运矸胶带机，进行采空区矸石充填。采面采空区矸石充填采用刮板机和捣实机构压密完成。矸石由矸石仓、井下运矸皮带、顺槽转载皮带、充填刮板机，送入充填采空区内，然后利用捣实机构将矸石材料推实、接顶，充填采煤作业时序如图1所示。充填作业工序如图2所示。

图1 充填采煤作业时序

图2 充填作业工序

（1）按进尺0.8 m 循环割煤，每割5 架，推移1 个步距，检查充填系统完好情况；

（2）依次启动工作面充填刮板机、运矸皮带机；

（3）由机尾向机头方向依次充填，每5 架为一循环，待前一个支架矸石充填达一定高度时，利用捣实机构捣实压密矸石，之后开始下一个支架矸石充填工作，依次类推，将采空区充实填满。

矸石充填工艺过程如图3～图8所示。

图3 矸石第一充填阶段倾向剖面图

图4 矸石第二充填阶段倾向剖面

图5 初次充填矸石

图6 密实推压机构工作

图7 移步距后密实推压机构工作

图8 充填液压支架移架后及矸石充填前

3.3 矸石充填液压支架

初选充填支架型号为：ZC15000/30/60 型，支护阻力和伸缩范围与掩护式支架相近，支架结构如图9所示。充填顺序由机尾向机头方向，当卸料孔下部空间落料到一定高度后，即关闭当前卸料孔，随即启动推实千斤顶推动铲板，对已落下的充填材料进行压紧推实，如此反复几个循环，直至采空区充满压实； 调节千斤顶用于调节推实千斤顶和铲板的角度，可使充填料在支架后部接顶，从而实现完全充填。综采工作面生产系统、充填系统融合为一体，回采、充填同时进行。充填矸石材料经轨道巷输送机运至综采工作面端头，再由充填刮板输送机将矸石材料运至综采面的采空区进行充填[6]。

图9 矸石充填液压支架结构

3.4 矸石充填工作面布置

工作面布置如图10 所示。

图10 首采充填工作面布置

4 充填留巷工艺

留巷采用矸石配套水泥、 黄土或粉煤灰等材料，运用留巷支架预置对拉锚杆控制矸石散体专门技术。

留巷时端头第3 架充填支架后顶梁悬挂的充填刮板输送机始终闭合，其后跟一架专用留巷支架，在该架安全空间内铺设金属网，并架设对拉锚杆，端头两架支架矸石落入对拉锚杆留巷空间，矸石接顶后预紧对拉锚杆至设定预紧力，支架前移10 m 左右时对对拉锚杆固定的矸石散体注入水泥浆进行加固，形成具有一定强度的巷旁充填体，最后对端头第3 架支架后方余留的空间注入黄泥浆至设定注浆压力。留巷工艺布置如图11 所示。

图11 留巷工艺布置

5 结语

采空区充填开采是煤矿绿色开采技术之一，该技术利用充填材料置换矿产资源，提高了矿产资源的回采率。同时，采空区充填开采可以控制煤层顶板覆岩变形、减小地表变形量。本文以桑峨矿井为实例，拟定充填开采技术方案，分析探讨综采充填工艺和综采充填留巷工艺。综采充填采用专用矸石充填液压支架，采用矸石充填留巷，即运用留巷支架预置对拉锚杆控制矸石散体专门技术。实际应用采空区充填开采技术后，达到了较好效果，可为其他矿井充填开采选择提供借鉴参考。