某礦4號煤矸石充填開采技術(shù)研究

梁洪彪

（山西西山晉興能源有限責(zé)任公司　斜溝煤礦，山西　興縣　033602）

1　矸石充填開采巖層控制理論分析

1.1　矸石充填開采巖層控制機(jī)理

煤炭開采后會形成采空區(qū)，原巖應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，應(yīng)力會進(jìn)行新的分布，最終達(dá)到新的平衡狀態(tài)。在此過程中，會伴隨著工作面頂板垮落、上覆巖層下沉變形及地表發(fā)生沉陷等現(xiàn)象。導(dǎo)致覆巖變形及地表沉陷的根本原因即煤炭開采形成采空區(qū)，若將采空區(qū)全部回填，則不會對地表產(chǎn)生任何破壞，但根本無法實現(xiàn)?，F(xiàn)有技術(shù)都不能保證在煤層開采后上覆巖層不發(fā)生移動變形，因此只可通過盡量減小開采對巖層運(yùn)動影響對矸石充填開采進(jìn)行相關(guān)研究。充填開采方法與全部垮落法巖層控制方法不同，其是通過充填體的作用來對上覆巖層運(yùn)動及地表沉陷破壞進(jìn)行相關(guān)控制。通常來講，隨著采空區(qū)面積的不斷擴(kuò)大會造成地表不同程度的下沉，整個過程會經(jīng)歷極不充分采動、非充分采動、充分采動和超充分采動這四個階段。煤炭采出后，隨著時間和空間變化會引起地表的下沉，在不同階段工作面與地面點的所對應(yīng)的位置也不同，因而產(chǎn)生的影響也不同。矸石充填開采對上覆巖層運(yùn)動控制機(jī)理即通過充填使采空區(qū)地表下沉值均小于其最大下沉值，以實現(xiàn)地表的非充分采空或極不充分采動[1-2]。

1.2　矸石充填開采地表控制原理分析

工作面向前推進(jìn)，采空區(qū)頂板會在自重及覆巖載荷的作用下發(fā)生彎曲變形，當(dāng)受力達(dá)到其極限抗拉強(qiáng)度，則直接頂巖層會發(fā)生斷裂垮落，進(jìn)而基本頂巖層沿分界面彎曲、滑移，最終發(fā)生斷裂和離層現(xiàn)象，該過程周而復(fù)始進(jìn)行，直至覆巖運(yùn)動達(dá)到新的平衡狀態(tài)。煤炭開采破壞了巖體原有應(yīng)力平衡狀態(tài)，導(dǎo)致巖層移動，巖層垮落后會發(fā)生碎脹效應(yīng)，巖體體積膨脹可以使上覆巖層的下沉量有效減小，是上覆巖層變形運(yùn)動停止的重要原因。通過將矸石填滿采空區(qū)，從而控制頂板頂板下沉及上覆巖層運(yùn)動變形，以達(dá)到減小地表下沉的目的。充填的矸石占據(jù)了覆巖下沉空間，等同于減小采厚，后期主要表現(xiàn)為矸石充填體的壓實降沉。矸石的充填率和壓實率對覆巖運(yùn)動控制起到關(guān)鍵作用，其有效厚度決定了覆巖運(yùn)動及巖層移動的程度。矸石充填的有效厚度受充填前頂?shù)装逡平俊㈨肥禹斁嚯x、矸石初始壓實度、矸石剩余壓縮率等因素影響。

1.2.1充填前頂?shù)装逡平?/p>

工作面回采過后進(jìn)行矸石充填工作，采場礦山壓力會對液壓支架產(chǎn)生一定壓縮變形，頂?shù)装逡平吭龃螅斐刹煽諈^(qū)可充填高度減小。

1.2.2矸石接頂距離

矸石屬于散體材料，而井下煤層大多屬于近水平或者緩傾斜狀態(tài)，受到充填條件限制及矸石流動性性質(zhì)影響，充填矸石達(dá)不到與頂板完全接合的狀態(tài)，從而導(dǎo)致頂板發(fā)生一定程度的彎曲變形。當(dāng)前技術(shù)條件的矸石充填開采實驗表明，通過對液壓支架增加推壓夯實裝置，可以增加矸石的壓實率，矸石可以充填至頂板，接頂效果大大增強(qiáng)，充填率接近百分之百。

1.2.3矸石的初始壓實度

矸石充填進(jìn)入采空區(qū)初始壓實度越大則在上覆巖層載荷作用下二次壓實量越小，傳統(tǒng)的矸石充填，由于缺乏壓實過程，初始壓實度小，二次沉陷量大；新型充填支架的推壓夯實作用使初始壓實度大大提高，減小了因上覆載荷作用引起的二次沉降作用，矸石壓實曲線如下頁圖1所示。

由圖1可知，松散狀態(tài)的矸石在應(yīng)力由0～20 MPa變化過程中，其總壓縮率達(dá)30%左右，85%以上的壓縮率發(fā)生在0～2MPa之內(nèi)，所以在充填開采中新型充填開采液壓支架后部夯實機(jī)構(gòu)的壓實力達(dá)到2 MPa時，即達(dá)到密實充填的狀態(tài)，且能保證在應(yīng)力由2MPa達(dá)到原巖應(yīng)力狀態(tài)時矸石壓縮率小于15%[3]。

圖1　矸石壓實曲線

1.2.4矸石剩余壓縮率

矸石充滿采空區(qū)后，對上覆巖層起到支承作用，而覆巖的彎曲下沉?xí)嚎s矸石充填體，從而減小了矸石的有效充填厚度。矸石充填體的剩余壓縮率受其性質(zhì)、覆巖載荷及初始壓實度影響。

2　矸石充填開采系統(tǒng)布置

矸石充填開采技術(shù)以矸石作為充填材料，并將矸石運(yùn)輸?shù)讲煽諈^(qū)以支撐采空區(qū)頂板，矸石來源于地面矸石山和井下巷道開掘產(chǎn)生的矸石，這樣解決地表沉陷和地面矸石堆積問題。

2.1　矸石充填開采方法

2.1.1技術(shù)特征

充填工作在工作面回采過后進(jìn)行，因而必須在采空區(qū)頂板發(fā)生下沉垮落前將充填物安全高效運(yùn)送至采空區(qū)完成充填工作。矸石充填開采工藝可以實現(xiàn)液壓支架下采煤與充填工作同時進(jìn)行，采煤采用傳統(tǒng)綜采工藝，矸石充填開采增加了一套由地面到井下再到采空區(qū)的矸石運(yùn)輸系統(tǒng)及支架后方采空區(qū)矸石夯實系統(tǒng)。矸石充填開采有如下幾個方面的技術(shù)特征：充填液壓支架拆除了傳統(tǒng)液壓支架所采用的掩護(hù)梁，取而代之的是水平后頂梁，可將矸石充填物直接充到水平后頂梁的掩護(hù)空間內(nèi)[4]。由皮帶輸送機(jī)將矸石運(yùn)輸至掩護(hù)后頂梁下的矸石輸送機(jī)，從而形成充填矸石的連續(xù)運(yùn)輸路線。矸石通過其自重作用由輸送機(jī)落入后頂梁的掩護(hù)空間內(nèi)，由夯實機(jī)將充填體向采空區(qū)夯實，最終實現(xiàn)矸石的密實充填。

2.1.2關(guān)鍵設(shè)備

矸石充填開采液壓支架作為重要的支承掩護(hù)設(shè)備，不僅能夠保證正常采煤工作的進(jìn)行，同時可以實現(xiàn)采空區(qū)矸石充填，通過在液壓支架上安裝夯實機(jī)構(gòu)可以增加矸石的密實度，除了需要增加充填物料輸送機(jī)及轉(zhuǎn)載機(jī)外，其余設(shè)備與綜采工作面設(shè)備相同，設(shè)備布置如圖2所示。

2.1.3基本工藝流程

該工作面采用端部斜切進(jìn)刀方式，采煤機(jī)截深0.6m，矸石充填開采采煤工藝與普通綜采工藝相同，為了減小開采步距對而產(chǎn)生的頂板下沉以及實現(xiàn)及時充填，采取“一采一充”的作業(yè)方式，采煤過后及時進(jìn)行矸石充填[5]。

圖2　矸石充填開采工作面設(shè)備布置圖

2.2　矸石充填開采系統(tǒng)布置

2.2.1采煤與充填系統(tǒng)

采煤系統(tǒng)與普通綜采系統(tǒng)相同，包括運(yùn)煤、運(yùn)料、通風(fēng)系統(tǒng)等，充填系統(tǒng)主要有矸石的運(yùn)輸及夯實系統(tǒng)。

2.2.2矸石地面運(yùn)輸系統(tǒng)

矸石在地面堆積的場地與投料井之間有一定的距離，因而須在地面建立矸石運(yùn)輸系統(tǒng)，合理的矸石地面運(yùn)輸系統(tǒng)需要搭建堆放矸石用的廠房及運(yùn)輸通道等，以便保護(hù)矸石原始狀態(tài)，同時還應(yīng)建立矸石的破碎及篩分系統(tǒng)，以保證矸石合理的粒度需求。

一般地面的矸石運(yùn)輸系統(tǒng)包括三個環(huán)節(jié)：通過裝載機(jī)等裝載設(shè)備將矸石裝載在皮帶輸送機(jī)或刮板輸送機(jī)上；矸石破碎系統(tǒng)將輸送機(jī)運(yùn)送的物料進(jìn)行破碎以達(dá)到投料所需粒徑要求；破碎后的矸石經(jīng)輸送機(jī)被運(yùn)送到投料井口。

2.2.3矸石井下運(yùn)輸系統(tǒng)

充填矸石除來自地面外，井下掘進(jìn)工作面也可生產(chǎn)矸石，在井下設(shè)置矸石不升井系統(tǒng)，將掘進(jìn)生產(chǎn)的矸石直接用于工作面充填。掘進(jìn)矸石具有產(chǎn)量不穩(wěn)定、產(chǎn)出地點不定的特點，因此，可根據(jù)礦井實際生產(chǎn)條件設(shè)置矸石倉，同時應(yīng)配備矸石破碎系統(tǒng)，對粒徑較大的矸石進(jìn)行破碎處理。

3　矸石充填開采工業(yè)性試驗

充填開采試驗區(qū)域位于井田北部，區(qū)域面積約2.75 km2，煤層平均埋深440m。設(shè)計充填開采4號煤，全區(qū)可采，厚度為1.5～3.1m，均厚2.5m，老頂為中粒砂巖，直接頂為砂質(zhì)泥巖，偽頂為泥巖，直接底為砂質(zhì)泥巖，老底為中粒砂巖。4號煤層相對瓦斯涌出量為11.25m3/t，具有突出危險性，有自燃傾向。

按照充填開采相關(guān)原則，根據(jù)充填區(qū)域地質(zhì)特征及井下系統(tǒng)布置，在三個區(qū)域進(jìn)行充填試驗。三個區(qū)域分別設(shè)計10個長度為80m、100m、120m工作面。通過工業(yè)性試驗，對三種方案沉陷結(jié)果分析知，工作面長度達(dá)120m時會造成嚴(yán)重地移動變形，當(dāng)充填工作面由80m增加到100m時，地表變形各參數(shù)值變化不大。根據(jù)生產(chǎn)條件，將充填區(qū)域工作面長度設(shè)計為80～100m可較好控制地表移動變形。

4　經(jīng)濟(jì)社會效益

整個充填區(qū)域4號煤層開采完畢可以采出煤炭資源680萬t，可創(chuàng)造6.4億元經(jīng)濟(jì)利潤，節(jié)省了大量的搬遷補(bǔ)償費(fèi)用。整個充填區(qū)域充填完成后可處理矸石1 000萬t，不僅可以處理地面矸石堆積，同時可以實現(xiàn)井下矸石不升井直接利用。采用該技術(shù)可以有效控制地表的沉陷，減少矸石排放對環(huán)境造成的危害，實現(xiàn)對工礦區(qū)土地資源的保護(hù)。

[1]張吉雄，繆協(xié)興，郭廣禮.矸石（固體廢物）直接充填采煤技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀[J].采礦與安全工程學(xué)報，2009（4）：395-401.

[2]周振宇，郭廣禮，查劍鋒，等.建筑物下矸石充填巷采沉陷控制研究[J].煤礦安全，2008（8）：19-22.

[3]張元功，董鳳寶.城鎮(zhèn)建筑群下矸石充填開采新技術(shù)的研究與實踐[J].煤礦開采，2008（1）：31-33.

[4]劉建功，趙慶彪，張文海，等.煤礦井下巷道矸石充填技術(shù)研究與實現(xiàn)[J].中國煤炭，2005（8）：36-38.

[5]劉正和，趙通，楊錄勝，等.大采高工作面矸石充填開采技術(shù)效果分析[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，2015（4）：19-22.