官地礦充填垮落協(xié)同開采技術(shù)方案優(yōu)化研究

畢 俊 剛

（西山煤電集團(tuán)設(shè)計(jì)院（有限公司），山西 太原030052）

0 引 言

煤炭資源作為我國(guó)最主要的化石能源，在推進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展過程中起到了至關(guān)重要的作用，但長(zhǎng)期以來，為追求煤炭開采的經(jīng)濟(jì)效益，大多礦井采用垮落法進(jìn)行開采，垮落法采出后容易引發(fā)地表沉陷，進(jìn)而導(dǎo)致地表建筑物破壞[1]?？迓浞y以解決“三下”采煤?jiǎn)栴}，因此，提出了充填采煤法，將煤矸石、膏體等充填材料充填至采空區(qū)，既解決了煤矸石的回收利用，又保證了工作面的安全穩(wěn)定及地面沉陷問題[2,3]。

官地礦位于自然環(huán)境保護(hù)區(qū)內(nèi)，選煤廠排出的矸石首先需要轉(zhuǎn)運(yùn)到達(dá)矸石堆場(chǎng)，現(xiàn)有矸石場(chǎng)儲(chǔ)存能力不足，且治理費(fèi)用過大，因此，本文針對(duì)官地礦旨在研究一種充填垮落協(xié)同開采方法，進(jìn)而解決官地礦的矸石處理問題，并保證環(huán)境的穩(wěn)定。

1 工程概況

官地礦位于太原市西南郊區(qū)，現(xiàn)開采煤層為2、3、6、8 和9 號(hào)。2#、3#、6#煤層采用一次采全高的綜采工藝，8#、9#煤層聯(lián)合開采采用放頂煤回采工藝。36408 工作面井下位于北四新區(qū)北翼，緊鄰36406 首采面，工作面深約400～500m，工作面長(zhǎng)度為200m，推進(jìn)長(zhǎng)度為910m，平均煤厚約2.8m，平均傾角約6°（俯采），可采儲(chǔ)量47 萬(wàn)t，瓦斯含量3.52m3/t。其具體位置如圖1 所示。官地礦矸石產(chǎn)量較大，據(jù)統(tǒng)計(jì)2014-2019 年，6 年時(shí)間里累計(jì)產(chǎn)出矸石720 萬(wàn)t，年平均治理矸石費(fèi)用達(dá)到3 038.74 萬(wàn)元，如表1 所示?，F(xiàn)針對(duì)36408 工作面進(jìn)行充填垮落協(xié)同開采技術(shù)方案研究。

圖1 工作面布置平面圖

表1 近六年矸石量及煤炭產(chǎn)量和治理費(fèi)用情況

2 充填垮落協(xié)同開采充填率

充填垮落協(xié)同開采不同于傳統(tǒng)的充填和垮落開采，覆巖移動(dòng)也不簡(jiǎn)單是充填段與垮落段覆巖移動(dòng)的疊加，而是相互影響，存在一個(gè)過渡區(qū)域，如圖2 所示。協(xié)同綜采根據(jù)不同充填目標(biāo)，分為極高充填率、高充填率與地充填率3 種狀態(tài)。

1）極高充填率：充填部分達(dá)到密實(shí)狀態(tài)，充填量大，使用夯實(shí)設(shè)備多次循環(huán)夯實(shí)，對(duì)覆巖形成支撐狀態(tài)，控制性好，但工藝復(fù)雜，效率較低。

2）高充填率：此種狀態(tài)不過分夯實(shí)，只使充填料接頂即可，簡(jiǎn)化了充填工藝，效率較好。

3）低充填率：充填區(qū)域采用自然落料充填，不使用夯實(shí)設(shè)備，無法接頂，工藝簡(jiǎn)單，但充填率低，難以達(dá)到要求。

目前，針對(duì)官地礦矸石產(chǎn)量大，處理費(fèi)用高等問題，旨在井下形成TDS 煤矸分選-矸石就地充填綠色循環(huán)系統(tǒng)，選取最優(yōu)充填方案。

圖2 36408 工作面充填垮落系統(tǒng)開采示意圖

3 充填采煤技術(shù)方案優(yōu)選研究

3.1 充填采煤方案設(shè)計(jì)

官地礦井下矸石智能干選系統(tǒng)的處理能力為50～60 萬(wàn)t/a，需要將此部分矸石全部進(jìn)行井下充填。根據(jù)官地礦工作面具體條件，提出了3 種開采方案：充填垮落協(xié)同開采（不夯實(shí)）（方案一），充填垮落協(xié)同開采（夯實(shí)）（方案二），全斷面全部充填方案（方案三），同時(shí)設(shè)計(jì)了各方案的設(shè)備配套方案，并進(jìn)行了詳細(xì)比較。

3.1.1 充填垮落協(xié)同開采（不夯實(shí)）

工作面由充填段、過渡段和垮落段構(gòu)成，在充填段采用充填液壓支架配合多孔底卸式輸送機(jī)進(jìn)行矸石回填，充填段僅落料不充填；而在工作面過渡段和垮落段采用傳統(tǒng)綜采，垮落法管理頂板。

根據(jù)充填需求，需要保證36408 工作面矸石的年處理能力大于等于井下矸石智能干選系統(tǒng)的處理能力（50～60 萬(wàn)t/a）。參考官地礦36406 工作面規(guī)程可知，6#煤層平均厚度2.49m，但僅為局部煤層較薄，大部分區(qū)域煤層均達(dá)到2.6m，并根據(jù)地質(zhì)資料及實(shí)際回采情況，將36408 工作面采高設(shè)置為2.8m。

工作面矸石處理能力計(jì)算：

式中：Mg為工作面年處理矸石量，t/a；vy為工作面年推進(jìn)距離，m/a（vy=330nd，n 為每天進(jìn)刀次數(shù)，取8～10 刀；d為循環(huán)步距，取0.6m）；Lbf為工作面充填段長(zhǎng)度，m；ηc為松散矸石密度，t/m3（ηc=η/k，k為碎漲系數(shù)，充填條件下取1.5，密實(shí)充填條件下取1.2；η 為矸石密度，取2.5kg/m3）；Hbf為可充填高度，m（Hbf=H—ht—hd=2.1m，式中：ht為頂板提前下沉量，取0mm；hd為未充填高度，頂梁與輸送機(jī)厚度之和，取0.7m）。

由上述公式變形得到：

由公式（2）可以繪制下圖3，矸石年處理量與充填段長(zhǎng)度之間的變化關(guān)系：

圖3 矸石年處理量與充填段長(zhǎng)度之間的變化關(guān)系

根據(jù)充填段的矸石處理能力應(yīng)大于井下矸石智能干選系統(tǒng)的矸石處理能力（50～60 萬(wàn)t/a），工作面日進(jìn)為8～10 刀，得出了充填段最小長(zhǎng)度隨井下矸石智能干選系統(tǒng)矸石處理能力的變化關(guān)系?？紤]到充填段工作面長(zhǎng)度應(yīng)該小于120m，官地礦正在開采的36406 工作面日進(jìn)刀為8 刀，以及充填段的矸石處理能力應(yīng)該大于井下矸石智能干選系統(tǒng)的最大矸石處理能力（60 萬(wàn)t），設(shè)計(jì)36408 工作面日進(jìn)8 刀且充填段長(zhǎng)度應(yīng)大于108.2m，同時(shí)考慮到充填段長(zhǎng)度應(yīng)為充填支架寬度的整數(shù)倍，且應(yīng)設(shè)置一定的矸石處理富余能力，36408 工作面充填段長(zhǎng)度最終設(shè)計(jì)為120m；根據(jù)充填經(jīng)驗(yàn)，過渡段長(zhǎng)度一般取4～10m，設(shè)計(jì)過渡段長(zhǎng)度為6m，可布置4 個(gè)充填液壓支架；工作面總長(zhǎng)度為200m，因此垮落段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為74m。

3.1.2 充填垮落協(xié)同開采（夯實(shí)）

此方案工作面由局部密實(shí)充填段、過渡段和非充填段構(gòu)成，在充填段采用充填液壓支架配合多孔底卸式輸送機(jī)進(jìn)行矸石密實(shí)充填，利用密實(shí)充填體管理頂板；而在工作面非充填段用傳統(tǒng)綜采，垮落法管理頂板。

工作面分密實(shí)充填段、過渡段和垮落段，由于密實(shí)充填，頂板提前下沉量得到有效控制，則36408 工作面充填段長(zhǎng)度的計(jì)算結(jié)果為：

可以由公式繪制下圖4，矸石年處理量與充填段長(zhǎng)度之間的變化關(guān)系：

圖4 矸石年處理量與充填段長(zhǎng)度之間的變化關(guān)系

考慮到充填段工作面長(zhǎng)度應(yīng)該小于120m，官地礦正在開采的36406 工作面日進(jìn)刀為8 刀，以及充填段的矸石處理能力應(yīng)該大于井下矸石智能干選系統(tǒng)的最大矸石處理能力（60 萬(wàn)t），設(shè)計(jì)36408 工作面日進(jìn)8 刀且充填段長(zhǎng)度應(yīng)大于86.58m，同時(shí)考慮到充填段長(zhǎng)度應(yīng)為充填支架寬度的整數(shù)倍，且應(yīng)設(shè)置一定的矸石處理富余能力，36408 工作面充填段長(zhǎng)度最終設(shè)計(jì)為90m；根據(jù)充填經(jīng)驗(yàn)，過渡段長(zhǎng)度一般取4～10m，設(shè)計(jì)過渡段長(zhǎng)度為6m，可布置4 個(gè)充填液壓支架；工作面總長(zhǎng)度為200m，因此垮落段長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為104m。

3.1.3 全斷面全部重填開采

36408 工作面若采用全部密實(shí)充填方案，則工作面需要進(jìn)行夯實(shí)作業(yè)，其工作面所需長(zhǎng)度與方案二充填垮落協(xié)同（不夯實(shí)）方案的充填段長(zhǎng)度相同，即工作面長(zhǎng)度為90m。

3.2 充填開采方案效率對(duì)比

充填開采工作面的效率包括采煤效率和充填效率2 種，其中采煤效率可以用工作面單日采煤量表示，充填效率可以用單日充填量表示。對(duì)于官地礦36408 工作面而言，其充填的主要目的是處理井下智能煤矸分選系統(tǒng)分選出的矸石，工作面的長(zhǎng)度、充填段的長(zhǎng)度是根據(jù)矸石處理量進(jìn)行設(shè)計(jì)的，因此全斷面全部充填、充填協(xié)同垮落（夯實(shí)）、充填協(xié)同垮落（不夯實(shí)）3 種充填方案其充填效率相同，區(qū)別在于其采煤效率。官地礦36408 工作面單日采煤量計(jì)算公式如式：

式中：L為工作面長(zhǎng)度，m；n為日進(jìn)刀數(shù)量；d為循環(huán)步距，m；H為工作面采高，m；γ為煤的容重，1.39t/m3；C為工作面采出率，0.95。

根據(jù)充填經(jīng)驗(yàn)，方案一雖然工作面長(zhǎng)度較大（200m），但無需夯實(shí)作業(yè)，單日進(jìn)刀可達(dá)10 刀；方案二由于工作面長(zhǎng)度較大（200m），其單日進(jìn)刀可達(dá)8刀；方案三由于工作面長(zhǎng)度較短（90m），日進(jìn)刀數(shù)最大，可達(dá)12 刀。

因此，通過計(jì)算可知3 種充填開采方案的采煤效率分別為：方案一充填協(xié)同垮落（不夯實(shí)）單日采煤量為200×10×0.6×2.8×1.39×0.95=4 437t，方案二充填協(xié)同垮落（夯實(shí)）單日采煤量為200×8×0.6×2.8×1.39×0.95=3 550t，方案三全斷面全部充填方案單日采煤量為90×12×0.6×2.8×1.39×0.95=2 396t，可見方案一和方案二的采煤效率分別為方案三的1.85 倍和1.48 倍。

3.3 充填開采方案確定

由官地礦36408 工作面開采條件可知，36408 工作面存在俯采仰充的情況，為了保證在充填條件較差時(shí)工作面的矸石處理能力滿足要求，應(yīng)選擇帶有夯實(shí)機(jī)構(gòu)的充填液壓支架；同時(shí)為了提高工作面的推進(jìn)速度，提高采煤效率，應(yīng)該不進(jìn)行夯實(shí)作業(yè)；綜上，方案一充填協(xié)同垮落（不夯實(shí)）方案最合適，且充填液壓支架應(yīng)配備夯實(shí)機(jī)構(gòu)。

方案一設(shè)備配套應(yīng)選擇ZC-5200/17/35（帶夯實(shí)機(jī)構(gòu)）和ZC-5200/20/40（帶夯實(shí)機(jī)構(gòu)）2 個(gè)設(shè)備配套方案最為合適。考慮到官地礦北四新區(qū)煤層厚度變化及充填支架調(diào)配至集團(tuán)其他礦井后的煤層高度適應(yīng)性，應(yīng)該優(yōu)選ZC-5200/20/40（帶夯實(shí)機(jī)構(gòu)）的充填液壓支架，具體參數(shù)如表2 所示。

表2 ZC-5200/20/40（無夯實(shí)機(jī)構(gòu)）充填液壓支架主要技術(shù)參數(shù)

4 36408 工作面生產(chǎn)能力設(shè)計(jì)

按照礦井生產(chǎn)接替要求，工作面日進(jìn)刀8 刀，循環(huán)步距0.6m，按照年采煤330 天計(jì)算，結(jié)合工作面實(shí)際生產(chǎn)情況，充填協(xié)同垮落（不夯實(shí)）工作面生產(chǎn)能力：

式中：A1為采煤工作面平均生產(chǎn)能力，萬(wàn)t/a；L為工作面長(zhǎng)度，200m；T為工作面平均年推進(jìn)度，1584m；H為煤層開采高度，2.8m；γ為煤的容重，1.39t/m3；C為工作面采出率，0.95。

根據(jù)實(shí)際采礦地質(zhì)條件，將相關(guān)參數(shù)帶入式，得到充填協(xié)同垮落（不夯實(shí)）工作面設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為117.1 萬(wàn)t/a。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)官地礦36408 工作面充填垮落協(xié)同開采方案進(jìn)行優(yōu)選研究：

1）闡述了充填協(xié)同開采的理論依據(jù)，可以分為極高充填率、高充填率與地充填率3 種狀態(tài)；

2）針對(duì)36408 工作面的具體條件，提出了3 種開采方案：充填垮落協(xié)同開采（不夯實(shí)）、充填垮落協(xié)同開采（夯實(shí)）、全斷面全部充填方案，通過對(duì)比分析，最終選定方案一單日采煤量為4437t，配備了ZC-5200/20/40（帶夯實(shí)機(jī)構(gòu)）的充填液壓支架；

3）36408 工作面設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為117.1 萬(wàn)t/a。