工作面矸石膏體充填開采工藝研究

王建東

(山西鄉(xiāng)寧焦煤集團燕家河煤業(yè)有限公司，山西 臨汾 042100)

引 言

煤矸石為煤礦生產(chǎn)中伴隨煤炭的產(chǎn)物，在傳統(tǒng)開采工藝中煤矸石一般從工作面運送至地面，并堆積于地面上。上述針對煤矸石的處理方式不僅需要占據(jù)一定的耕地面積，而且煤矸石的長時間堆積還會對空氣和地下水造成污染[1]。為解決上述問題，將煤炭生產(chǎn)伴隨產(chǎn)生的煤矸石回填至采空區(qū)，即煤矸石膏體充填采煤技術(shù)。本文著重對煤矸石充填采煤技術(shù)的充填施工工藝和開采工藝進行研究，具體闡述如下。

1 工程概述

本文以XX煤礦的7#煤層為研究載體，該煤層的位于地面以下325 m到374 m的范圍之內(nèi)，7#煤層的最大開采寬度為70 m，該煤層工作面的走向長度約為790 m。本文涉及到對7#煤層煤矸石充填工藝和開采工藝的研究，為保證開采的安全性，需充分掌握7#煤層的頂?shù)装迩闆r，具體如表1所示。

表1 7#煤層工作面頂?shù)装迩闆r

經(jīng)分析探測結(jié)果及實測數(shù)據(jù)可知：XX工作面的正常涌水量為12.5 m3/h，最大涌水31 m3/h。目前，為工作面所配置排水系統(tǒng)的最大排水能力為45 m3/h。

2 矸石膏體充填工藝研究

2.1 矸石膏體充填設(shè)備設(shè)計

根據(jù)矸石膏體在綜采工作面的充填要求，該工藝涉及到的充填設(shè)備主要由翻矸機、運輸機、充填皮帶機和拋矸機等組成[2]。該設(shè)備能夠滿足在長距離工作面和各種巷道的矸石膏體的充填。

2.1.1 翻矸機的設(shè)計

翻矸機為實現(xiàn)矸石膏體充填采空區(qū)的關(guān)鍵設(shè)備，其功能的實現(xiàn)主要由裝置中的液壓馬達和鏈條的減速所實現(xiàn)。該裝置具體積小、安裝方便、結(jié)構(gòu)簡單且能夠有效減少煤矸石對物件的沖擊力，可有降低作業(yè)人員的勞動強度。翻矸機液壓系統(tǒng)泵站的額定壓力為16 MPa，卸荷閥的壓力設(shè)定值為18 MPa。

2.1.2 拋矸機的設(shè)計

本項目所采用的拋矸機是指在7#煤層工作面已經(jīng)報廢的綜掘機AM-50的基礎(chǔ)上改造所得。液壓控制系統(tǒng)對拋矸機皮帶機的伸縮高度進行調(diào)整，使其能夠滿足高度不同的巷道場合下工作的要求，并通過其行走部實現(xiàn)對拋矸機橫向和縱向方向的運動。拋矸機關(guān)鍵參數(shù)如下：行走部履帶寬度為370 mm，牽引速度大不于25 m/min；對應(yīng)液壓系統(tǒng)中額定壓力為16 MPa。為保證作業(yè)人員工作環(huán)境，為拋矸機設(shè)計了噴霧系統(tǒng)[3]。

2.2 矸石膏體充填流程及工藝的設(shè)計

在實際充填過程中按照順序完成第一條巷道的掘進任務(wù)后，即可開展已完成掘進任務(wù)巷道的充填操作；待第一條巷道充填完成后才可對第二條巷道進行掘進，以此類推。

本文以7#煤層工作面其中的一條巷道為研究對象，其矸石充填工藝流程設(shè)計具體如下：將參與充填裝置運輸至工作面，并將充填裝置進行組裝并置于規(guī)定位置內(nèi)；充填設(shè)備安裝完成后，由電機車將其他巷道的煤矸石運輸至需充填的巷道，并采用推車機將煤矸石倒入翻矸機的罐籠中，對應(yīng)的充填工藝流程如圖1所示。

圖1 矸石膏體充填工藝流程圖

表2 矸石膏體充填設(shè)備及工具選型

3 矸石膏體充填開采方案最優(yōu)化研究

巷道開采寬度、高度以及煤柱寬度等參數(shù)時保證煤層開采時對地表變形以及煤柱穩(wěn)定控制的關(guān)鍵[4]。經(jīng)探測可知：7#煤層工作面巖梁上面的均布載荷按照10 MPa、直接頂?shù)目估瓘姸群涂辜魪姸确謩e為0.876 MPa和8 Mpa。經(jīng)計算可得:對應(yīng)上述條件下要求巷道的最大跨度值為5.3 m。綜合分析7#煤層的開采方式和支護基礎(chǔ)，選擇巷道的寬度值為5 m。

煤柱寬度值同樣作為影響工作面頂?shù)装鍑鷰r控制效果的關(guān)鍵參數(shù)，結(jié)合以往涉及經(jīng)驗，在當前巷道開采寬度為5 m，充填率按照95%設(shè)定，可將煤柱寬度值設(shè)定如下范圍：3 m～15 m。為了準確掌握煤柱寬度對工作面頂?shù)装宓挠绊懱匦裕贔LAC3D軟件對不同煤柱寬度下對應(yīng)其自身垂直方向和水平方向應(yīng)力的變化情況進行分析，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 不同煤柱寬度對應(yīng)應(yīng)力變化情況

如表3所示，隨著煤柱寬度的增加對應(yīng)其垂直和水平應(yīng)力均在減小，且減小趨勢隨著煤柱寬度增加逐漸平緩，具體表現(xiàn)如下：當煤柱寬度大于7 m后其應(yīng)力變化相對平緩；而煤柱寬度小于7 m時其應(yīng)力變化相對較急。因此，建議7#煤層工作面開采時煤柱寬度設(shè)定為7 m。

為確保最終所設(shè)計開采工藝參數(shù)的效果，本文分別對如表3五種不同開采方案的開采效果進行對比。

表3 開采方案

經(jīng)對比可知：上述五種開采方案中，3#、4#方案的安全系數(shù)最高為2.4，1#和2#方案的安全系數(shù)最低為1.6，5#方案的安全系數(shù)居中為2.1。此外，1#、4#方案的采出率可達50%，2#方案的采出率次之，為42%，3#方案的采出率僅為33%。因此，綜合上述五種開采方案對應(yīng)的安全系數(shù)和采出率，最佳開采方案為4#方案。

4 結(jié)語

矸石充填開采工藝不僅解決了矸石在地面堆積所導致的一列問題，而且還從一定程度上節(jié)約了煤礦生產(chǎn)成本[5]。本文以XX煤礦7#煤層工作面為例，將矸石膏體充填開采方式應(yīng)用其中，具體總結(jié)如下：

1) 根據(jù)生產(chǎn)需求完成矸石膏體充填工藝流程，并列出關(guān)于該充填開采工藝相關(guān)的設(shè)備及工具；

2) 結(jié)合7#煤層工作面頂?shù)装迩闆r，其最佳矸石充填開采工藝參數(shù)如下：巷道開采寬度為5 m，開采高度為3.2 m，前期煤柱寬度為5 m，后期靠近主副井煤柱寬度為5 m，后期遠離主副井煤柱寬度值為10 m。