千米深井综采工作面原矸充填可行性研究

张金魁，夏均民，张 军，许瑞强

(1 山东能源淄矿集团 唐口煤业公司，山东 济宁 272005；2.山东科技大学，山东 泰安 271019)

特殊采煤与矿区环境治理

千米深井综采工作面原矸充填可行性研究

张金魁1，夏均民2，张 军1，许瑞强1

(1 山东能源淄矿集团 唐口煤业公司，山东 济宁 272005；2.山东科技大学，山东 泰安 271019)

唐口煤矿千米深井冲击地压、自然发火等危害严重；同时村庄压煤量大，应用条带开采及村庄搬迁成本巨大。为此对千米深井综采工作面充填开采可行性进行分析：原矸充填开采技术能够有效保证煤层顶板稳定，减小冲击地压发生的可能性；大幅降低地表沉降量，有效保护地面建筑物；有效预防采空区煤柱、浮煤自然发火可能性。在730采区进行了现场试验，设计了具体的充填工艺及设备相关参数；累计创造经济效益32707万元，技术经济效益显著。

千米深井； 原矸充填；综采充填工艺；可行性研究

为满足经济增长对能源的需求，煤矿因连年高强度开采面临建筑物下压煤及环境保护问题日益突出，井下矸石置换充填技术成为今后煤矿开采的研究方向之一。在千米深井综采工作面，受高地压、采动压力等因素影响，原矸充填的研究尤为重要[1-3]。

山东能源淄矿集团唐口煤矿位于济宁市西部，主采3上煤层，煤层平均厚度4.3m，煤层埋深1025～1138m，属深井高地压开采。矿井230，330，430采区实施了条带开采，回采后留下大量煤柱，煤柱的存在一方面影响下层煤开采巷道的布置，另一方面煤柱自然发火为矿井的安全生产留下隐患。目前，已部分回采的530采区及未回采的630采区上部均存在大量村庄，如何既保护村庄，又能解决煤柱、浮煤自燃的安全隐患成为亟待解决的问题。

1 原矸充填技术可行性分析

1.1 顶板结构适应性

矸石充填工艺一般与工作面推进循环步距相等，具体应根据顶板结构的稳定性及对地表沉降的控制程度确定[4]。

3上煤层直接顶以泥岩、粉砂岩为主，厚0.63～13.96m，属Ⅱ类较稳定顶板，基本顶以中、细砂岩为主，厚约20m，属二级稳定顶板。现场实测得出，工作面直接顶初次垮落步距为12～20m，基本顶初次垮落步距为30～40m，周期来压步距为18～26m，规律性较强。工作面在初次放顶前支架后部均能形成一定的空间，不会立即垮落，具备充填条件。对于个别较碎顶板地段，通过铺网及适当调整充填步距控制顶板下沉量。

1.2 降低自然发火可能性

唐口煤矿3上煤层具有自然发火倾向性，自然发火期为54～112d。现工作面主要是采取灌浆、喷洒阻化剂、注氮等措施进行防灭火。

采用充填回采工艺，整个工作面的采空区都被矸石和粉煤灰密实充填，采后不再存在空间，从根本上杜绝了采空区浮煤的自然发火可能性。同时，随着工作面推进，每隔10m在进风隅角和回风隅角分别施工接实顶帮的煤袋墙，可降低上下隅角自然发火隐患。

充填回采后的暴露空间比采用全面垮落法管理顶板时有了大幅度地减小，且充填体能够将采空区遗煤覆盖压实，起到隔绝空气的作用。因此，从煤层自然发火的角度来分析，充填开采有利于控制煤层自然发火[5]。

1.3 冲击倾向降低性

经鉴定，唐口煤矿3上煤层具有强冲击倾向性；3上煤层顶板具有弱冲击倾向性。

当工作面采用全面垮落法进行回采时，工作面采动后，直接顶垮落，上覆岩层形成“砌体梁”，在煤壁前方形成应力集中区，容易发生冲击地压。若采用充填开采，采空区被固体充填料全部充填密实，充填区与待采煤体共同支撑煤层顶板，减少了基本顶的断裂下沉量(如图1所示)，同时有效减小了上覆岩层对前方煤体产生的采动应力，大大降低了冲击地压发生的可能性。

图1 矸石充填前后顶板垮落情况

1.4 地表建筑安全性

充填开采能够有效地降低上覆岩层的沉降运动速度，减小地表下沉量；降低开采对地面建筑物的扰动和损害。

充填开采能够使上覆岩层在运动过程中及时接触充填体，减少上覆岩层的运动空间。根据关键层的相关理论，运动空间的减少能够使关键层保持稳定状态，较好地支撑上覆岩层，减小地表沉降量。充填开采覆岩沉降过程与非充填的长壁垮落法差异较大，具体表现为覆岩层在矸石充填体的保护之下发生缓慢地压缩沉降，下沉速度和地表沉降幅度明显降低，能够有效保证地表建筑物的安全正常使用[6]。

1.5 矸石充填量

以尽量保证矸石不上井的原则，充填矸石采用巷道掘进过程中产出的矸石，经破碎机破碎后粒度小于75mm。

为最大限度地减小地表下沉量，应尽量增加充填高度和充填密实度，为此增加夯实设备，控制充填矸石和顶板间隙。每个循环矸石充填量可按下式计算：

V=L(H-h)(1+η)

式中，L为循环步距，m；H为采高，m；h为矸石与顶板间隙，m；η为夯实时矸石压缩率。

2 充填配套设备

为了确保工作面充填效果不受影响，选取未回采的730采区作为试验采区。

2.1 充填设备

采空区矸石充填是依靠专门研制的矸石充填综采液压支架后部的悬挂式矸石充填运输机和推压夯实机来自动完成的[7-9]。

在综采矸石充填液压支架后部尾梁下吊挂一部矸石充填输送机，其槽板上开若干可控制的落矸孔，矸石充填输送机和上巷的运矸胶带输送机相联接，将矸石运进采空区并从落矸孔中落下，以实现充填，如图2所示。

图2 矸石充填开采过程剖面示意

在综采矸石充填液压支架前、后配备同向不等位的2部刮板输送机，即前部回采工作面刮板输送机和后部位于采空区的后悬式矸石充填输送机。充填液压支架除了满足综采面生产时的顶板支护要求，同时可达到保护充填采空区的目的。

根据唐口煤矿煤层赋存条件、生产能力等要求，其主要配套设备选型如下：

(1)采用六柱支撑式充填支架带夯实机构，支架工作阻力10000kN，采高2000～4000mm，推移步距0.6m。

(2)采用交流变频电牵引双滚筒采煤机MG系列，总装机功率为700kW，截割电机功率为300kW×2，滚筒直径2000mm，采高2000～4000mm。

(3)选择800mm中双链刮板运输机作为前部刮板运输机。

(4)选择764mm边双链刮板运输机作为后部刮板运输机。

(5)转载机为800mm中双链转载机。

(6)矸石转载机选用含胶带机尾的一体式自移双速抛矸机，慢速可用于将运矸胶带上的矸石转载至后部刮板运输机，快速可用于对端头处巷道空间进行充填。

(7)原煤胶带运输机选用800mm胶带机；矸石胶带运输机选用800mm胶带运输机。

2.2 充填工序

如图3所示，充填矸石通过专门铺设的巷道运矸胶带运至工作面端头并转载到液压支架后部的悬挂式矸石充填运输机上，通过矸石充填运输机的上刮板向下运输并向采空区充填矸石；下刮板向上推平漏矸孔下漏的矸石，并使矸石充填密实、均匀；随着矸石充填高度的增加，悬挂式矸石充填运输机会随之上升，并利用其自重对矸石的反作用力来压实充填矸石。

图3 矸石充填综采工作面示意

矸石充填工艺：

(1)每班按照正规循环割2刀煤(即进尺1.2m)，然后停止割煤，移至自压式矸石充填输送机的机头与机尾。检查充填系统的完好情况，准备充填工作。

(2)首先启动工作面自压式矸石充填输送机，然后依次启动工作面轨道巷可缩桥式中间驱动胶带输送机、下山转载巷矸石运输刮板输送机、转载平巷矸石运输刮板输送机、矸石运输下山胶带输送机，进行采空区矸石充填。

(3)充填时采用自压式矸石充填输送机机头向机尾方向依次充填，先打开自压式矸石充填输送机机头的第一个插板进行“自由落体”充填阶段、“自充自压”阶段，待此段矸石输送机升至离支架尾梁200mm时，关闭第1个插板，打开第2个插板，重复上述工作，待插板全部完成上述2个阶段后，再同时打开全部插板，进行“充分压实”阶段的工作。

3 社会经济效益分析

3.1 社会效益

(1)实施充填开采，可以解放村庄、运河压煤、条带煤柱等储量，可有效延长矿井服务年限，提高资源回收率。

(2)采用充填开采将利用大量的固体矸石，不仅减少了矸石上井带来的电力消耗，也有利于矿区环境的保护。

(3)长期以来，我国“三下”压煤普遍采用的是传统条带法开采，几十年来累计遗留下大量的条带煤柱，尝试充填回收条带煤柱试验成功以后，可以推广应用到其他矿区。

3.2 经济效益

按原留煤柱设计方案，煤柱宽度120m，按采厚3.6m，面长1500m计算，采用充填开采可多回采煤炭0.894Mt，按原煤售价400元/t，这部分资源的收益为35760万元。

若采用村庄搬迁方案，按煤柱上方400户，每户补偿40万元计算，共需补偿16000万元。则可增加的收益为19760万元。

若采用不搬迁村庄的条带开采方案，回收煤炭按50%计算，则增量现金流入为17880万元。

若采用充填开采不搬迁村庄方案，增加充填投入成本为34.15元/t，共需增加投入3053万元，则可增加的收益为32707万元。

可以看出采用充填开采不仅能够最大限度回收煤炭资源，而且比采用村庄搬迁增加经济效益12947万元。

3 结论

(1)通过对千米深井条件下煤层顶板稳定性、自然发火、冲击地压及保护地表建筑物情况分析得出，采用原矸充填技术能够有效控制顶板、煤层自燃，减小冲击地压发生的可能性，大大减小地表沉降量。

(2)确定了千米深井工作面新型综采充填液压支架等充填设备参数及充填工序。

(3)通过经济效益分析得出，采用充填开采能够有效增加资源的回收率及经济效益。

[1]钱鸣高,许家林,缪协兴.煤矿绿色开采技术[J].中国矿业大学学报,2003，32(4):344-347.

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[3]惠功领.我国煤矿充填开采技术现状与发展[J].煤炭工程,2010(2):21-23.

[4]陈绍杰,郭惟嘉,周 辉,等.条带煤柱膏体充填开采覆岩结构模型及运动规律[J].煤炭学报，2011，36(7).

[5]王红胜,张东升,马立强.预置矸石充填带置换小煤柱的无煤柱开采技术[J].煤炭科学技术,2010,38(4):1-5.

[6]王启春,郭广礼,查剑锋,等.厚松散层下矸石充填开采地表移动规律研究[J].煤炭科学技术,2013,41(2).

[7]张文海,张吉熊，赵计生，等.矸石充填采煤工艺及配套设备研究[J].中国矿业大学学报，2007,24(1):79-81.

[8] 袁伟昊,袁树来.兖州矿区北宿煤矿综合机械化充填开采工艺及设备研究[J].煤矿现代化,2013(3):3-6.

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[责任编辑：施红霞]

TechnologyofGangueStowingFull-mechanizedMiningFacein1000mDeepMine

ZHANG Jin-kui1,XIA Jun-min2,ZHANG Jun1,XU Rui-qiang1

(1.Tangkou Coal Company,Zibo Mining Group,Shandong Energy Group,Jining 272005,China;2.Shandong University of Science & Technology,Tai'an 271019,China)

Rock-burst and coal spontaneous combustion was serious in Tangkou Colliery with 1000m depth mine.Quantity of coal resource under village is large and the cost of strip mining or village relocation was vast.The feasibility of full-mechanized stowing mining in 1000m depth mine was analyzed.Result showed that gangue stowing mining technology could effectively keep roof stability,reduce rock-burst possibility,largely decrease surface subsidence,effectively protect surface buildings,and prevent effectively possibility of spontaneous combustion of coal-pillar and float coal in gob.Stowing technique and equipment parameter was designed and applied in 730 mining zone.Accumulated economic profit reached 327,070,000 RMB,technical and economic benefit was obvious.

1000m depth mine; gangue stowing; full-mechanized stowing technique; feasibility research

2014-01-17

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.05.020

国家自然科学基金面上项目(51374140，51379116)；国家自然科学基金青年科学基金项目(51204102)；山东科技大学科技创新基金(CXJ1104)

张金魁(1981-)，男，山东济南人，工程师，从事煤矿生产技术管理工作。

张金魁，夏均民，张 军，等.千米深井综采工作面原矸充填可行性研究[J].煤矿开采，2014，19(5)：70-72，88.

TD823.7

A

1006-6225(2014)05-0070-03