松峪煤业综采工作面矸石巷式充填回采方法

2023-12-09张富成

山东煤炭科技 2023年11期

张富成

（晋能控股集团晋圣松峪煤业有限公司，山西晋城 048000）

我国井工煤矿开采过程中，不可避免产生大量矸石，占用大量地表场地的同时，长期堆放过程中还会污染空气及地下水资源、引发矸石堆自燃等一系列问题[1-3]。有效解决矸石堆放问题，提出适宜的井下矸石充填回采技术，对于消除矸石隐患及保障工作面安全回采至关重要[4-6]。在这方面研究中，赵春阳针对东兴矿充填开采需要，在对比分析不同充填工艺的基础上，优选巷式充填作为主要充填开采工艺，并给出了该工艺应用条件下的充填巷道布置、支护方法及其充填工艺，实践验证了巷式充填的可靠性[7]；王延润等针对大恒煤矿开采过程中矸石升井后带来的一系列成本问题，提出采用井下废弃巷道作为充填巷道的巷式充填工艺，有效解决了井下矸石处理问题，给矿山带了显著的经济效益[8]；郭洋琳针对雄山五矿“三下”压煤量巨大、综合效益低等问题，提出了综采工作面矸石充填及密闭挡墙支护技术，并在现场进行了试验[9]。综合文献分析，工作面回采采用井下矸石充填回采技术可以有效解决矸石堆存带来的风险隐患。以松峪煤业综采工作面为工程背景，通过井下矸石充填方法优选，给出了井下矸石巷式充填方法及其巷道支护方法，并进行了工程实践，可实现矿山安全绿色开采。

1 矿山概况

松峪煤业主采15 号煤层，煤层厚1.67～3.11 m，平均2.63 m，倾角3°～8°，属赋煤区稳定大部可采煤层。该煤层中东部厚度较大，由中部向南北逐渐变薄，顶板为石灰岩，底板为泥岩。目前，该矿使用的矸石场已达到其服务年限，重新选择矸石排放场地征地困难，手续繁琐。同时，如果井下采出的矸石长期存放于地表将产生大量粉尘，造成空气污染；长期堆积而发生的风化作用会形成部分可溶盐及部分重金属，污染土地及水资源；井下矸石排放至矸石处理场后，还会因氧化升温出现矸石堆自燃问题，不利于矸石存放场地的安全。

松峪煤业采用煤矸石进行充填回采，可有效提高煤炭资源回采率，减少矸石堆放场所的占用面积，具有良好的经济和社会效益。为此，开展松峪煤业综采工作面矸石充填回采方法研究，以消除矸石堆放造成的环境及自燃危害问题。

2 松峪煤业矸石井下充填方法优选

2.1 煤矸石固体综采充填

该充填工艺主要是将地面存放的煤矸石进行适当破碎后，再输送至井下作业面，对井下的采空区实施大规模充填作业。其特点是井下需要的破碎矸石量较大，实施充填作业过程中还需要专门的支架及矸石运送设备，导致充填作业前期需要投入大量资金，同时系统建设周期也比较长。煤矿的当务之急是减少矸石排放量，该矿的矸石主要为三采区开拓大巷过断层过程中所产生，正常生产时年产2 万t 煤矸石，远不能满足综采工作面充填需要，矸石量供应不足。因此，松峪煤业目前不适合采用煤矸石膏体综采充填处理煤矸石。

2.2 膏体充填

该充填工艺需要在地表建立专门的充填站，在井下布设专用的充填管路，将充填料浆通过管路泵送至充填区域。该工艺优点是膏体充填料浆强度高，需要的矸石量小，可以有效控制地表沉陷的发展；缺点是充填前期准备时间长，充填成本高，当充填料浆没有达到强度要求时，不允许进行回采作业，大大降低了充填效率以及工作面生产能力，不是最优的充填方案。

2.3 巷式充填

该工艺特点是矸石不出井，在井下利用专业的矸石填充设备将矸石抛入已采巷道内，操作流程简单，井下产生的矸石不需要运至地表，减少了矸石占用场地。巷式充填需要的矸石量适中，充填成本较低，建设时间短，能够快速地实施井下充填作业，充填与工作面回采两者互不干扰，充填效率高。巷式充填年处理矸石能力相对其他工艺较小，但完全能达到年处理矸石2 万t 要求，实现矸石不上井，并且处理矸石灵活，无需担心矸石不足的问题。

从以上分析可以看出，针对松裕煤业井下三角矿柱的回收，在以上三种充填方式中，以巷式充填优势最为明显，在提高矸石利用率的同时，也满足井下工作面回采与矿柱回采要求。最终，确定松裕煤业井下三角矿柱采用巷式充填方法回采。

3 井下矸石巷式充填方法

3.1 矸石充填区域巷道布置方法

1）充填巷煤柱宽度确定

15 号煤充填区域分为两部分，充填Ⅰ区域位于远离151301 回采工作面的三角煤柱，将此区域作为充填开采区域，可以有效回收三角煤柱资源；充填Ⅱ区域位于西翼轨道大巷南侧，矿井工业场地北侧区域三角煤区作为充填开采区域。结合该矿目前布置的掘进机性能和井下15 号煤层巷道支护难易程度，选取充填宽度为4 m，不超过充填区域盖山厚度（90～150 m）的1/4，能确保地面附着物安全。

在矸石将巷道充填后，为保证隔离煤柱的稳定，应使两侧巷道产生的塑性区不产生交叠，即存在一定的弹性区。根据弹塑性力学理论，巷道塑性区半径的计算公式为：

式中：γ顶为覆岩容重，27 kN/m3；R为塑性区半径，m；Z为巷道埋深，150 m；φ为内摩擦角，42°；C为黏结强度，3.9 kN/m2；H为巷道高度，2.8 m；a为巷道宽度，4.0 m。

经计算分析，巷道塑性区半径为2.98 m。隔离煤柱弹性区宽度d取1 m，巷道区半径r=2 m，隔离煤柱宽度b=（R-r/2）×2+d≈5.0 m。为保证巷道充填开采时巷道支护安全，结合矿井矸石充填区域及充填量实际情况（本矿矸石充填量不大且充填区域完全可以满足充填开采需要），确定充填巷道之间隔离煤柱取7 m。在实际施工过程中，考虑地表建筑物重要程度及围岩完整程度等情况，隔离煤柱可适当加宽。

2）矸石充填顺序

考虑到二次和三次掘巷需要，确定两条相邻巷道掘进时隔离煤柱宽度为46 m。首先开掘第一条4 m 宽巷道（图1a），间隔40 m 煤柱开掘第二条巷道，同时充填第一条巷道（图1b）；随后与第一条巷道相隔40 m 煤柱开掘第三条巷道，同时充填第二条巷道（图1c）；当第一、第二条巷充填完毕后，在40 m 煤柱中间再掘巷，即两巷之间留18 m 煤柱，并充填第三条巷道（图1d）；依此类推，在实体煤或两边充填巷充填完后，再在中间掘进巷道（图1e）；最后在18 m 煤柱中间再掘巷道，此时充填巷道与隔离煤柱宽度分别为4 m 和7 m（图1f）。其他巷道充填工序依上述操作依次循环进行。掘巷充填顺序如图1。

图1 掘巷充填顺序图（m）

3.2 矸石充填工艺

根据矿方实际情况，15 号煤层开采所产生的矸石主要为采掘工作面过断层和陷落柱等构造时所产生的矸石，每年约2 万t。充填矸石卸载至轨道大巷与胶带大巷之间的充填加工巷进行处理，将大块矸石破碎成≤100 mm 小块，进入轨道大巷，按照矸石→矿车→轨道大巷→充填加工巷→加工后的矸石由矿车运送至充填巷→充填面充填流程进行作业。巷道充填时采用抛矸机进行矸石充填作业。充填工作面布置情况如图2。

图2 充填工作面布置图（mm）

为进一步提高充填矸石的密实度和支撑效果，可根据实际情况向矸石充填体内注入浆液和每隔20 m 增设巷道挡墙等措施，保证矸石充实程度和充填质量。巷道挡墙采用建筑用砖来砌筑，闭墙总厚度为2.5 m，闭墙应预埋放水管、构筑反水池。15 号煤层工作面充填情况见图3。

图3 工作面充填平面布置图

充填开采采用巷道式充填开采方式，在作业时要保证局部通风机供风稳定可靠，供风量和风速均可满足工作面排瓦斯及作业需要。加强工作面粉尘作业管理，充填作业人员要配备防尘装备，工作面采用湿式作业方式。

4 充填工作面巷道支护方法

15 号煤层新掘充填巷道毛宽4.0 m，毛高2.8 m，断面积11.2 m2，巷道沿2 号煤层顶板布置。充填巷掘进施工采用综掘的方式，掘进机后部搭接皮带、刮板输送机将煤炭运出。针对充填巷道研究提出采用“锚杆+锚索+金属网”联合支护，顶锚杆为Φ20 mm×2000 mm 的螺纹钢锚杆，每排打设3根锚杆，间排距为1500 mm×1500 mm，边部锚杆与顶板夹角为10°；帮锚杆为Φ20 mm×2000 mm的螺纹钢锚杆，每排布置4 根锚杆，间排距为800 mm×1500 mm，顶端锚杆与巷帮夹角为10°；顶锚索采用Φ17.8 mm×7300 mm预应力钢铰线锚索，每排布置2 根，间排距为1.8 m×3.0 m，垂直巷道顶板打设。充填巷道支护断面如图4。

图4 充填巷道支护参数及断面图（mm）

5 矸石充填效果分析

5.1 工作面支架阻力分析

151301 工作面回采时间为2020 年11 月，充填巷掘进与充填时间为2021 年10 月。由于巷式充填位置主要为远离51301 回采工作面的三角煤柱，二者之间没有影响。充填前后液压支架支柱的工作阻力变化情况如图5。矸石巷式充填前，支架工作阻力为增加-降低周期发展，最大工作阻力出现在工作150 min 时为46 MPa，说明随着工作面推进顶板移动剧烈，对工作面产生扰动而不利于工作面安全回采。矸石巷式充填后，随着工作面支架工作时间的增加，支架工作阻力在70～250 min 内平稳波动，最大工作阻力出现在工作250 min 时为34 MPa。在这一时期巷道顶板移动趋于稳定，受工作面回采扰动较小。与充填前相比，支架工作阻力降低26.1%，说明采取矸石巷式充填后，有效降低了顶板变形对工作面的扰动程度，充填后工作面更加稳定。

图5 充填前后支架支柱工作阻力变化情况

5.2 充填巷道围岩变形分析

充填前后充填巷道围岩变形情况如图6。充填前后，随着与工作面距离的增加，巷道两帮移近量整体表现为降低趋势。值得注意的是，充填后巷道两帮移近量降低趋势相对更加平缓，说明采取矸石巷式充填后，巷道整体变形幅度较小。充填前巷道顶底板最大移近量为325 mm，两帮最大移近量为289 mm；充填后巷道顶底板最大移近量为225 mm，两帮最大移近量为185 mm。可以看出顶底板移近量降低了30.8%，两帮移近量降低了35.9%，充填巷道稳定性得到了进一步保证。