余吾煤矿井下矸石巷道充填技术研究与应用

吕鲲

（山西潞安化工集团，山西长治 046000）

0 引言

我国2022 年生产原煤45.0 亿t，同比增长9%，2023 年全国原煤产量预计将达到46.5 亿t。随着原煤产量的增加，煤炭矸石产量也逐年增长。目前，我国地面矸石堆积量超过60 亿t，形成矸石山近2000 座。大量的矸石对地表生态环境造成了严重的影响[1-4]。许多专家学者开展了矸石处理技术的研究。高登云[5]等详细阐述了神东矿区矸石处理和利用技术；代君伟[6]等将矸石破碎后制成浆体，利用管路输送到井下采空区中，解决了矸石地面污染和采空区地表沉陷的问题；张健[7]等在邢东矿建设了井下采选充一体化的矸石处理系统，保证了地表建筑物的稳定，实现了矿井的可持续发展；刘炜震[8]等将矸石制成膏体，宽巷掘进，置换煤炭资源，达到了矸石零排放的目的；李晓磊[9]等在实验室内分析了矸石胶结充填体不同配比下的单轴抗压强度，为井下应用提供了参考。潞安集团余吾煤矿为提高岩巷掘进速度，采用盾构机掘进。在调研国内外相关矸石处理技术的基础上，采用巷道充填的方式井下就地处理矸石，取得了较好的效果。

1 工程概况

1.1 存在的问题

余吾煤矿井田面积为161.205 km2，主采3 号煤层，平均厚度6.02 m，倾角一般3°～11°，属近水平缓倾斜煤层。煤种为贫煤，其特点为中灰、特低硫、低磷、高发热量、高熔灰份，是优质的动力和化工用煤，煤层顶底板岩性见表1。

为满足矿井采掘衔接规划，余吾矿选用护盾式TBM 盾构机进行南六、南七采区1 号、2 号回风下山及联络巷施工。

施工巷道设计圆形断面，直径6.3 m，断面面积31.16 m2，掘进矸石总量约为26 万m3，矸石粒径以30～100 mm 居多。由于施工进度快，排矸量大，矸石进入煤流运输系统，将对煤质产生较大影响。同时也增加了主运系统无效运输量，提升的矸石地面堆积，也会增加治理费用。为此，需要采用一种经济合理的方式对矸石进行井下处理。

1.2 处理方式的选择

当前常用的矸石井下处理方式主要有3 种：膏体材料充填、综采矸石充填和巷道矸石充填。不同方式的对比见表2[10-11]。

表2 不同矸石处理方式的对比Table 2 Comparison of different gangue treatment methods

余吾矿处理的矸石主要来源是岩石巷道的掘进，岩巷施工结束后，矸石量大幅降低。并且充填的目的仅仅是为了处理矸石，无地表控制要求，因此选用巷道矸石充填的方式。

1.3 充填区域确定

为缩短运输距离，充填区域应优先考虑靠近掘进的巷道。盾构机施工的巷道附近有S3102 工作面停采线与三条大巷间大巷煤柱、石料环保厂和绿康牛羊养殖社的保护煤柱，可在两处区域掘进巷道充填矸石，如图1 所示。

图1 矸石巷道充填区域Fig.1 Filling area of gangue roadway

2 充填方案设计

2.1 煤柱宽度的计算

采用极限强度理论确定条带煤柱的宽度[12]。掘进巷道将煤炭资源采出后，巷道周边煤体内的应力重新分布，在浅部形成应力集中，边缘部分承载能力急剧降低，形成塑性区，塑性区中部为弹性核区，如图2 所示（图中σ为煤柱极限强度）。

图2 煤柱内分区破坏示意Fig.2 Damage of the partitionin coal pillar

煤柱的留设宽度L按下式计算：

式中：Y为塑性区宽度，m；C为弹性核区宽度，m。

根据A.H.Wilson 的研究，塑性区宽度Y与埋深、煤层采高之间存在一定关系，如式（2）所示。

式中：M为煤层采高，m；H为煤层埋深，m。

由于巷道掘进后采用进行了充填，矸石可以承担顶板岩层的部分载荷，造成矿压显现的明显改变。因此，式（2） 中煤层的采高M用等效采高计算[13-14]。

等效高计算式为：

式中：h为巷道高度，m；ω 为充填率，%；η 为压缩率，%。

充填巷道的高度为6.0 m，充填率和压缩率按90%计算，代入式（3） 可得等效采高为1.14 m。巷道的埋深为520 m，代入式（2） 可得，塑性区宽度为2.92 m。根据实测资料，弹性核区宽度为8.4 m，代入式（1） 可得，煤柱宽度为14.24 m。考虑一定的富余系数，实际取15 m。

2.2 巷道支护

与其他掘进巷道不同，充填巷道主要作为矸石的运输通道和充填矸石用，维护时间短，服务期限一般在1 a 以内，支护要求相对较低，充填过程中不出现掉渣及大面积帮臌即可。根据围岩条件，确定充填巷的支护参数，如图3 所示。

图3 矸石充填巷支护Fig.3 Gangue filling roadway support

断面为矩形断面，宽6.0 m，高6.0 m，支护排距0.9 m，锚索3-2-3 布置，锚索间距1800 mm，规格为φ22 mm×6300 mm；顶锚杆每排7 根，间距900 mm；帮锚杆每排每帮8 根，巷道二次成巷，上部间距850 mm，下部间距700 mm；顶采用双钢筋托梁，顶规格为φ16-5600×100-7-900，帮采用井字形托盘；顶金属网规格为40×40-6400×840，帮金属网规格为40×40-3800×840、40×40-2400×840。

当顶板破碎或遇地质构造带时，根据实际情况，编制专项安全技术措施，缩小锚杆、锚索支护排距，提高支护强度。

3 现场应用

3.1 矸石物料运输路线

矸石的运输路线为TBM 盾构机施工工作面—南六采区2 号联络巷—南六采区进风下山—南六采区等候室—进风大巷—大巷5 号联络巷—胶带大巷—s3102 胶带顺槽—填矸巷，如图4 所示。

物料车辆由中央区副立井（南风井） 下井，由电机车运输至南三轨道大巷1 号车场，经单轨吊换装后，运输至各充填巷口。运输设备为CTL12/9GP型电机车、DZ18003+3 型柴油单轨吊机车。

3.2 充填能力及设备

余吾矿所选TBM 盾构机月平均进尺400 m/月，日进尺13.3 m，出矸量为68.5 t/h。充填系统中，运输机选用DSJ800 型皮带运输机，最大运输能力400 T/h，抛矸机选用TCJ-D80/30/67 型，最大充填能力为350 t/h，充填系统与TBM 系统同步运行、同步检修。巷道矸石充填系统的主要设备见表3。

表3 巷道充填主要设备Table 3 Main equipment of roadway filling

3.3 效益分析

3.3.1 经济效益

巷道矸石充填处理了井下矸石，节省了矸石提升和地面处理费用，同时提高了煤炭资源的回收率，但掘巷及充填本身也产生一定的费用。

（1） 巷道掘进费用。2 个区域巷道进尺8164 m，成本按8500 元/m 计算，总计6939 万元。

（2） 矸石充填费用。矸石运输及充填所需的动力费及人工费等，按150 元/t 计算，总计3750万元。

（3） 设备购置费用。矸石巷道充填需要购置抛矸机等设备，合计1246 万元。

（4） 节省提升费用。矸石井下充填，避免了提升到地面，预计节约辅助运输各项费用263万元。

（5） 节省矸石处理费用。升井后的矸石需要进行覆盖、绿化治理，按5 元/t 计，总计可节约矸石治理费用210 万元。

（6） 回收煤炭资源。矸石巷道充填可置换煤柱资源40 万t，可创造经济效益约2 亿元。

综上可得，将矸石采用掘巷的方式进行井下处理，预计可产生经济效益8538 万元。

3.3.2 社会效益

矸石井下处理，可减少矿井主运输系统的压力，提高有效提升率。同时矸石置换了井下综采工作面无法回收的煤炭资源，提高了回收率，延长了矿井的服务年限。随着国家环保的不断加强，矸石井下处理可有效保护地面的生态环境，社会效益显著。

4 结论

（1） 余吾煤矿采用盾构机掘进岩巷，产生大量矸石。在综合对比的基础上，确定采用巷道充填的方式井下就地处理。

（2） 通过理论计算，确定充填区域充填巷道之间的煤柱尺寸为15 m，可保护地面建筑物的稳定。

（3） 将矸石井下处理，可产生经济效益8538万元，提高煤炭资源的回收率，延长矿井的服务年限，经济社会效益显著。