綜采機械化矸石充填開采技術研究與應用*

韓永斌，姚 波

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司,北京 100013；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012；3.冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 054000)

煤炭一直是我國的主要能源和重要原料，2019年總產(chǎn)量約38.5億t。我國也是世界煤炭消費量最大的國家，在一次能源消費結構中煤炭占比約57%以上，依然處于主導地位。隨著礦井開采年限的延長，大多數(shù)礦區(qū)不得不面對日益突出的“三下”壓煤問題[1]。多年開采實踐表明，矸石充填開采是有效解決“三下”壓煤問題的理想技術途徑，是綠色開采技術的重要組成部分[2-3]，尤其在煤炭資源緊缺、經(jīng)濟發(fā)達、建筑物密集地區(qū)，解決“三下”開采問題更應受到重視。矸石充填開采是隨著采煤工作面的推進，向采空區(qū)充入矸石、粉煤灰等充填材料以支撐上覆巖層的頂板管理方法[4-7]。

矸石是煤礦生產(chǎn)過程中形成的固體廢物，一般是將其直接排放于地表形成矸石山。排放的矸石產(chǎn)生的危害主要有：占用大面積土地,污染礦山環(huán)境，同時造成大氣污染、水體污染、噴爆危害、放射性污染等[8-10]，嚴重危及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。冀中能源邢東礦毗鄰邢臺市城區(qū)，地表不允許建矸石山。為了有效解放“三下”壓煤和合理消化井下矸石，邢東礦進行了綜采工作面矸石充填開采實踐，將礦井生產(chǎn)的矸石填入采空區(qū)，以矸石置換煤炭，實現(xiàn)矸石零排放。避免了矸石堆積占地和污染環(huán)境，同時有效控制地表變形，實現(xiàn)了礦山綠色開采。

1 煤礦地質(zhì)概況

冀中能源邢東礦位于河北省邢臺市東北約4 km處，南北長約4.1 km，東西寬約4.0 km，井田面積14.5 km2，礦井核定生產(chǎn)能力125萬t/a。邢東礦地表被第四系松散沉積物覆蓋，厚度約210～235 m，井田內(nèi)地勢平坦，地表標高為+50～66 m。井田范圍內(nèi)各類建(構)筑物分布密集，大小村莊有11個，建筑物壓煤問題突出，嚴重制約礦井正常生產(chǎn)。

邢東礦主采2#煤層，煤層埋深650～1 250 m。直接頂為灰色細粒砂巖，基本頂為粉砂巖，直接底為粉砂巖。邢東礦考慮建筑物壓煤特點，在1200采區(qū)的12212、12214工作面實施了綜采矸石充填開采實踐。煤層開采標高-841～-749 m，傾角11°，煤厚4.6 m。開采區(qū)域位于蔡家屯和北康莊之間。充填工作面位于一水平二采區(qū)1200集中運料巷以東，SF90斷層以南至井田邊界,工作面以西為1200集中運輸巷。

12212工作面開始回采于2012年11月，結束于2015年7月，工作面推進長度442 m，面寬55 m，累計出煤15.72萬t，累計充填矸石約10.5萬m3。12214工作面開始回采于2015年11月，結束于2019年4月，工作面推進長度480 m，面寬63.5 m，累計出煤20.6萬t，累計充填矸石約13.4萬m3。12212工作面一刀出煤248 t，充滿一刀需要230罐矸石，工作面最大推進量約26 m/月，充填矸石7 300罐，充填時支架搗實壓力為24 Mpa。邢東礦采深大、煤層厚，井下矸石量不大。首次采用綜采機械化矸石充填工藝時，以矸定產(chǎn)，充填能力為0.5萬t/月。受充填材料限制，開采效率偏低。矸石充填相比超高水充填，具有充填成本低、矸石不升井、節(jié)約環(huán)保等優(yōu)勢。充填工作面布置如圖1所示。

圖1 矸石充填工作面井上下對照圖

2 充填開采工藝

矸石充填開采是將掘進中產(chǎn)生的矸石和原煤中的夾矸，經(jīng)井下篩分和跳汰系統(tǒng)篩分后，由碎石機破碎后卸至矸石倉內(nèi)，將破碎后具有一定級配的矸石經(jīng)設備輸送至充填工作面。為提高充填率，在輸送管路的出口處添加料漿(水泥、粉煤灰或超高水材料漿液)，使其有效填充較大矸石粒徑間的空隙，同時對充填體起到膠結作用。使采空區(qū)得到密實充填，以控制上頂板下沉。矸石充填系統(tǒng)分為三個子系統(tǒng)：儲裝運系統(tǒng)、回采充填系統(tǒng)和注漿系統(tǒng)。

2.1 儲裝運系統(tǒng)

由翻罐籠、40 t溜子、破碎機、梭車、臨時砟倉、650皮帶等組成。首先由運輸區(qū)將篩分系統(tǒng)產(chǎn)生的矸石裝罐運至1200集中運料巷翻罐籠處，再經(jīng)翻罐籠翻砟進入底部40 t溜子并運往破碎機進行破碎，破碎后的矸石儲存到梭車和臨時砟倉內(nèi)，最后用扒巖機將矸石扒至650皮帶，輸送至工作面進行充填，矸石儲裝運系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 矸石充填儲裝運系統(tǒng)圖

2.2 回采充填系統(tǒng)

當支架移直后，將充填輸送機移至支架尾部，從機尾向機頭充填。打開第一個卸料孔，卸料完成后打開下一個卸料孔，同時開啟第一個卸料孔下的夯實千斤頂推動夯實板，對充填的矸石壓實2～3次，直至矸石充分接頂。當每個卸料孔均充滿后，完成第一輪充填。此時將輸送機移動一個步距，啟用夯實機構把輸送機下的矸石推至支架后上部，使其充分壓實，開啟下一輪充填。充填工藝流程及設備如圖3～圖4所示。

圖3 綜采矸石充填工藝流程

圖4 綜采矸石充填工作面充填示意圖

2.3 注漿系統(tǒng)

為了最大限度的提高充填率，增加充填體的強度，有效控制覆巖移動，在矸石充填后使用超高水漿液對采空區(qū)充填體進行注漿。注漿既可充實矸石顆粒間空隙，又可使其很好的膠結，提高充填體強度。在支架后面沿底板每隔一段距離預埋一次管路，再隔一段距離進行注漿。

3 矸石充填開采關鍵技術

3.1 充填體的力學作用

充填體對圍巖的作用可以看成一個側(cè)壓力，巖石的抗壓強度隨側(cè)壓力的增大而增大，當圍巖被充填體充滿，即給圍巖形成一個側(cè)向壓力，使圍巖的抗壓強度增大，提高圍巖承載力。

(1)充填體力學作用：充填體在充入采空區(qū)后，改變了采空區(qū)兩側(cè)幫壁的受力狀態(tài)，使其由雙向受力變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)。因此，充填體不僅對煤層頂板起到支撐作用，還能有效提高兩側(cè)圍巖體自身強度和自支撐能力。

(2)充填體結構作用：開采煤層的上覆巖層因采動產(chǎn)生移動、變形與破壞。采空區(qū)用矸石充填后，雖然充填入矸石的強度低于原煤強度，承受頂板壓力時會產(chǎn)生形變，但其可以起到維持原巖體結構的作用，避免圍巖結構的失穩(wěn)。

(3)充填體讓壓作用：充填體能夠使圍巖受到上覆巖層的壓力緩慢釋放，同時對圍巖施加的側(cè)向壓力對圍巖起到較好的支護作用。

3.2 影響充填效果的主要因素

充填開采地表沉陷的影響因素有：充填前頂板移近量、充填欠接頂量和充填體的壓縮量。

(1)充填前頂板移近量

充填開采過程中，因充填工作是滯后于開采的，頂板總暴露出來，支架難以阻止頂板的少量下沉。同時充填完成至其發(fā)揮支撐作用還需要一段時間，煤層被采出后至采空區(qū)充滿這段時間內(nèi)，頂板必然產(chǎn)生一定量的下沉，此下沉量是影響地表下沉量的主要因素。

(2)充填欠接頂量

充填時，充填體較難完全充分接頂，充填體與煤層頂板之間還會存在一定空間，這部分空間為充填欠接頂量，其會立即反應到頂板下沉量上來?？稍诔涮铐肥瘍?nèi)加入料漿(如水泥、粉煤灰、超高水料漿)，對提高充填率有顯著效果。在充填過程中要加強對頂板下沉的控制，以保證充填率。同時優(yōu)化充填矸石級配(≤5、5～20、20～50、50～100 mm的配合比為1:2:5:2)和料漿配比(超高水料漿水灰比為8:1)，保證矸石加料漿充填體的不泌水性能。

(3)充填體壓縮量

矸石充填體相比原煤的抗壓強度低得多，以相對“軟”的材料充相對硬的煤，充填體在頂、底板的壓力作用下被壓縮，從而引起上覆巖層的移動。

3.3 矸石充填的關鍵技術

試驗表明，充填前頂板移近量、充填欠接頂量和充填體壓縮量是影響地表下沉的主要因素。因此，為了使充填體能有效控制地表下沉，其關鍵技術是有效提高充填體的強度和充填率。

為了提高充填體的強度，在具有一定粒度的矸石中添加料漿，使其很好的膠結。矸石的粒度、矸石與漿體的配比、膠結的時間和膠結充填體強度，均影響充填體支撐上覆巖層的效果。

由于充填工作是在形成采空區(qū)以后進行的，因此充填前頂板下沉不可避免，充填體壓縮量與充填體的強度有直接關系，壓縮也是不可避免的。這樣，充填體與頂板間的充填欠接頂量的大小直接影響充填率，因此為了充滿采空區(qū)，充填率極為關鍵，在實際充填過程中可通過俯角充填、優(yōu)化矸石粒徑級配、增加夯實機械壓力等措施來提高充填率。

4 充填體力學試驗

為了驗證矸石充填效果，對矸石充填材料進行力學試驗，包括壓實、容重、流變等特性試驗。

4.1 壓實試驗

壓實度是指充填體在外力作用下被壓實的程度，用壓實后的體積與松散狀態(tài)下的體積比表示，并最終可以簡化為應變ε的表達式，其計算公式為：

(1)

現(xiàn)場取樣的充填材料k-σ曲線如圖5所示。

圖5 充填材料壓實度隨壓實力變化曲線

充填體的壓實度隨壓力值的增大而減小。在初始加壓階段，因充填材料松散，表現(xiàn)出壓縮量較大，壓實度變化快。在0～2 MPa壓力時，壓實度值迅速降低；當壓力增加至2～10 MPa時，壓實度變化速度放緩；當應力達到20 MPa時，壓實度k逐漸趨于穩(wěn)定，基本停留在0.87左右。試驗結果表明，充填體經(jīng)加壓至20 Mpa時，充填體體積基本不再減小，能夠較好的控制煤層頂板，以達到控制覆巖移動的目的。

4.2 容重試驗

在對充填體的加壓過程中，同時計算充填體的容重，分析容重與壓力之間的規(guī)律。充填體容重隨壓力變化曲線如圖6所示。

圖6 充填材料容重隨壓實力變化曲線

試驗表明，充填體的容重隨壓力的增加而增大。壓力值在0～2 MPa時，容重增幅較快。隨著壓力的增加，充填體容重變化趨于平緩。充填材料在自然狀態(tài)下容重為1.42 t/m3，加壓至1.5 MPa時容重增至1.50 t/m3，加壓至20 MPa時容重基本穩(wěn)定在1.65 t/m3左右，說明充填體在加壓至20 Mpa以上時，壓實效果較高。

4.3 流變特性試驗

將充填體在垂直方向施加壓力，觀察其應變量。試驗時，垂直方向壓力7.5 Mpa，持續(xù)加壓2 min，繪制的流變特性曲線如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場充填材料壓實流變時間特性曲線

試驗表明，充填體的變形量主要發(fā)生在加壓初期，變形量為8.7%，最終總變形量穩(wěn)定在11.5%。結合容重試驗結果，認為若要達到較理想的充填率，每采1 t煤至少需要充填0.83 t的固體矸石。

5 充填開采減沉效果分析

為了獲取大采深厚沖積層綜采矸石充填開采條件下地表移動規(guī)律，邢東礦在1200采區(qū)東翼充填工作面附近建立了地表移動觀測站。觀測地表最大下沉值為115 mm，下沉曲線平緩，地表移動符合隨機介質(zhì)理論，符合概率積分法分布規(guī)律。地表下沉值較垮落法開采大幅減小，地表移動速度較平緩。結合觀測數(shù)據(jù)反演出垮落法開采和綜采矸石充填開采概率積分法預計參數(shù)，如表1所示。

表1 反演概率積分法預計參數(shù)

充填法開采可以用等價采高理論來解釋。等價采高可以理解為工作面實際采高減去充填體壓實后的高度，即充填壓實后頂板最終下沉量，其與充填率成反比關系。根據(jù)邢東礦對12212、12214實際充填情況，通過采充比反算出充填率為91%。而基于等價采高的概率積分法數(shù)學模型，結合實際觀測數(shù)據(jù)，可計算出其實際充填率約為82%左右。因根據(jù)采充比反算出的充填率未考慮充填壓實因素。

為了體現(xiàn)矸石充填的減沉效果，如表2所示，列出了12212、12214工作面矸石充填開采后地表的最大移動、變形值。

表2 工作面矸石充填開采地表變形極值

綜采工作面矸石充填開采后，地表最大下沉值為115 mm，最大傾斜變形為0.34 mm/m，最大水平移動為59 mm，最大水平拉伸變形為0.21 mm/m，最大壓縮變形為-0.46 mm/m。遠小于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)范》規(guī)定的建筑物允許變形值要求，地表民房未出現(xiàn)明顯損壞。采用綜采機械化矸石充填開采，地表減沉效果顯著，可有效保護地表各類建(構)筑物。

6 結 論

(1)綜采機械化矸石充填開采地表移動特征表現(xiàn)為地表下沉值大幅降低、下沉速度平緩，影響范圍略有增大。邢東礦12212、12214兩個工作面開采后，地表最大下沉值為115 mm，地表下沉速度緩慢，減沉效果好，地表建(構)筑物未受損壞。

(2)為了使充填體能有效控制地表下沉，其關鍵技術是有效提高充填體的強度和充填率。在實際充填過程中通過俯角充填、優(yōu)化矸石粒徑級配(≤5、5～20、20～50、50～100 mm的配比為1:2:5:2)、加大夯實機械行程和壓力來提高充填率。通過對充填體內(nèi)注入水泥漿、高水料漿等膠結材料提高充填體強度，實現(xiàn)高效密實充填。

(3)通過力學實驗及計算分析，每采1 t煤至少需要充填0.83 t的固體矸石。夯實機械壓力≥20 Mpa時，可達到較理想的充填率。

(4)在矸石充填時需加強對充填前頂板的控制，優(yōu)化充填矸石級配和料漿配比，保證矸石加料漿充填體的不泌水性能。