深部大采高综采面矸石充填开采技术

(冀中能源股份有限公司 邢东矿，河北 邢台 054000)

深部大采高综采面矸石充填开采技术

杨军辉

(冀中能源股份有限公司邢东矿，河北邢台054000)

针对邢东矿剩余煤炭资源的85%以上为村庄压煤难题，提出了在12212大采高综采面采用综合机械化矸石充填开采技术。选取“波依亭—汤姆逊体”作为矸石充填体流变模型，并计算其流变方程，进而得出采空区顶板最大下沉量为σ0/K1以及其与矸石充填体刚度成反比关系。运用数值模拟软件FLAC3D模拟计算邢东矿12212综采面采用垮落法和矸石充填处理采空区时顶板运动规律，模拟结果表明矸石充填大大降低了等效采高，在40m测点处顶板下沉量仅为25mm。此外，还对邢东矿12212综采面矸石充填采煤工艺进行了介绍，充填后地表下沉量仅有15mm。

深部开采；大采高综采面；矸石充填技术；数值模拟

近年来，由于煤炭开采强度的不断加大，我国东部地区“三下”压煤所占的比重不断上升，其严重制约着煤矿的可持续发展[1]。充填开采能够控制地表下沉，保护地表建筑物等，在许多矿区有效解决了建筑物下压煤难题，其主要包括泥沙充填、膏体充填、超高水充填和矸石充填[2-4]。其中，矸石充填以成本低、绿色环保、效果较好而被广泛应用。邢东矿剩余煤炭资源的85%以上为村庄压煤，严重影响着矿井的生产效益及资源采出率。为解决村庄下压煤难题，延长矿井服务年限，邢东矿开展了高水材料充填开采试验，但其成本相对较高、经济效益不明显，进而开展深部大采高矸石充填开采的试验研究，从而实现了矸石不升井，这样既节省了提升费用，提高了经济效益，又减少了地面土地压占，实现绿色开采。

本文结合邢东矿的具体地质生产条件，提出了在深部12212大采高综采面开展矸石充填开采技术试验，并在现场进行了成功应用。

1 工程概况

邢东矿位于邢台市东北约4km处，其煤层赋存较深，井田地层平缓，上部有较厚的冲积层覆盖。矿井主采2号煤层，煤层倾角12°左右，埋深650～1250m，直接顶是浅灰砂岩，中等稳定，较硬，基本顶为粉砂岩，直接底为细砂岩。由于煤层埋深较大，矿山压力也较大。

邢东矿12212工作面位于第一开采水平二采区，是本矿首个矸石充填开采工作面，工作面布置见图1。工作面走向长490m，倾斜长55m，煤层平均厚度4.58m，平均倾角11°，埋深约850m，可采储量0.154Mt。该面采用单一厚煤层一次采全高倾斜长壁后退式采煤法，用矸石充填方法控制采空区顶板。

图1 12212充填工作面布置平面

2 矸石充填基本原理

矸石充填综采面与传统综采面最大的不同之处在于：矸石充填综采面的支架尾部有充填构件，主要包括运送矸石的刮板输送机和用于夯实矸石的千斤顶，即在采空区一侧进行充填作业。

理想的充填是在采出煤炭后充入等体积等刚度的充填体，从而控制岩层绝对不出现下沉。然而由于矸石充填体内存在较大空隙，其压实后的体积小于采出的煤体，故顶板出现下沉是绝对的，其最终下沉量用等价采高Hz来表示[5]：

Hz=hd+hw+k(H-hd-hw)

(1)

式中，hd为充填前顶板下沉量；hw为充填体距顶板距离；k为充填体压实率；H为采高。

煤炭采出后将矸石充填于采空区相当于减小了煤炭的开采厚度。从式(1)中可知，等效采高Hz与充填前顶板下沉量hd、充填体距顶板距离hw、充填体压实率k有关。充填前对顶板下沉量控制的越低，采空区充填越充分，矸石充填体被夯实程度越大，等效采高就越小，顶板下沉就越不明显。

此外，煤层的顶底板岩性和工作面液压支架的控顶能力直接影响充填前顶底板的相对移近量。邢东矿12212综采面选用ZT9400/30/50型端头支架和ZC5160-30/50型中部支架，其能提供较高的初撑力控制顶板充填前的下沉量。其中，支架尾部有千斤顶夯实构件，该构件能够上下升降，以提高采空区充填率和矸石夯实度，如图2所示，从而降低等效采高。

图2 邢东矿12212综采面矸石充填支架

3 矸石充填体流变特性分析

充填到采空区的矸石虽然在工作面支架尾部夯实机构的作用下基本被压实，且具有较强的承载能力。但由于邢东矿12212工作面埋深近千米，其矿山压力非常大，这样采空区被夯实的矸石充填体在较大的矿山压力的作用下呈现出一定的流变特性，即在充填初期一定时期内，矸石充填体随着时间的推移而被逐渐压缩，之后达到平稳状态。因此，研究被夯实矸石充填体的流变特性及其最终压缩量对于充填效果分析和地面建筑物的保护具有重要意义。根据邢东矿12212工作面被夯实矸石充填体在深部矿山压力作用下的流变特性，选取波依亭—汤姆逊体(Poyting-Thomson，简称PTh体)作为矸石充填体的流变模型，如图3所示。

图3 矸石充填体流变模型

由图3可以看出，波依亭—汤姆逊体流变模型主要由H体(元件1)和M体(元件2)组成。其中，M体由一个H体和η体串联形成，然后与H体并联。PTh体流变模型中的基本元件为H体(Hooke体)，其满足Hooke定理中的本构关系为：

(2)

M体又称为马克斯韦尔体(Maxwell体)，即由一个H体和η体串联形成，其基本的本构关系为：

(3)

根据图3所示PTh体流变模型，可得以下关系式：

ε=ε1=ε2

(4)

σ=σ1+σ2

(5)

(6)

联立式(2)～(6)得PTh体流变模型本构方程：

(7)

将应力条件σ=σ0=const，代入本构方程(7)得矸石充填体的流变方程：

(8)

式中，K1，K2分别为H体和M体弹性元件的刚度；η为M体黏壶的黏性系数；σ0为上覆岩层对充填体的压力；ε1，ε2分别为H体和M体弹性元件的应变；σ1，σ2分别H体和M体弹性元件的所受的压力。

根据矸石充填体流变方程(8)得其流变曲线，如图4所示。

图4 矸石充填体流变曲线

从图4中可以明显看出，矸石充填到采空区之后，在一定时间内，充填工作面采空区顶板下沉量逐渐增大，但增加的速率逐渐减小，最终顶板下沉达到稳定状态，其最大下沉量为σ0/K1，据此可知，顶板最大下沉量与矸石充填体的刚度(即充填矸石的夯实度)成反比关系。由于邢东矿12212工作面开采深度超过800m，其上覆岩层对矸石充填体的压力σ0较大，故本工作面选取ZC5160-30/50型支架通过尾部夯实构件对充填矸石进行夯实，以增加其刚度K1，从而达到控制顶板下沉量的目的。

4 数值模拟研究

4.1 数值计算模型建立

本数值模拟主要模拟分析邢东矿12212综采面采用矸石充填处理采空区时顶板岩层下沉情况与采用垮落法处理采空区时顶板岩层下沉情况。其中，建立模型尺寸为200m×100m×80m。在左右前后及底面采用位移边界，上面采用应力边界，加载的应力相当于上覆岩层的重量。

4.2 数值模拟结果分析

结合邢东矿12212矸石充填综采面现场具体情况，取H=4.6m；hd=0.05m；hw=kH=0.23m；k=0.05，将其代入式(1)得等价采高约为0.5m。数值模拟得出12212综采面采用矸石充填处理采空区时顶板岩层下沉情况与采用垮落法处理采空区时顶板岩层下沉情况，如图5所示。

图5 矸石充填与垮落法处理采空区顶板下沉情况

从图5中得知，12212综采面采用垮落法处理采空区时，工作面上方30m范围内的岩层下沉量较大，其平均下沉变化率为132mm/m，且在距煤层30m测点处的下沉量达690mm。顶板岩层在30～40m范围内下沉量减小幅度不大，其平均下沉变化率为19mm/m，但顶板整体下沉量仍然较大，超过500mm；采用矸石充填处理采空区时，工作面上方20m范围内的岩层下沉量较大，其平均下沉变化率为21mm/m，且在距煤层20m测点处的下沉量为80mm。顶板在20～40m范围内下沉量和下沉变化率均较小，其平均下沉变化率为3mm/m，且顶板在40m测点处下沉量为25mm。通过对比可以明显看出，12212综采面采空区采用矸石充填之后，大大降低了等效采高，顶板下沉量显著降低，从而实现对地表建筑物的保护。

5 矸石充填采煤工艺

5.1 矸石充填配套设备

邢东矿12212矸石充填综采面配套采煤设备见表1。

表1 邢东矿12212矸石充填综采面配套设备

5.2 矸石充填采煤方法

矸石充填采煤方法是指在综合机械化采煤工作面的采空区侧开展矸石充填作业，以实现对顶板岩层的下沉量的控制。其最大的优点在于矸石不上井，这样既降低了提升成本，又实现了绿色开采。邢东矿全年预计出矸量为0.1Mt，其提升成本非常高，且在地表占地面积大，而邢东矿目前85%的煤炭资源为村庄下压煤，从整体效益出发决定在12212综采面采用矸石充填开采。其中，矿井平均每天出矸量为133m3，而充填1刀所需矸石量为135m3，这样平均每天割1刀煤，充填1次。

5.3 矸石充填系统

邢东矿12212综采面矸石充填系统分为3个子系统：储装运系统、充填回采系统和注浆充填系统。

5.3.1 储装运系统

邢东矿12212综采面储装运系统如图6所示，其主要由翻罐笼、40T溜子、破碎机、梭车、临时砟仓、650胶带等组成。矿井产生的矸石经翻罐笼翻运到破碎机进行破碎，破碎后的成品矸石储存到梭车和临时砟仓，然后使用650胶带将破碎矸石输送到工作面进行充填。

图6 12212矸石充填综采面储装运系统

5.3.2 充填回采系统

邢东矿12212矸石充填综采面安设30架ZC5160-30/50型掩护式液压支架和2架ZT9400/30/50型端头支架，其采煤工艺为：割煤→移架→推溜→矸石充填。其中，矸石充填施工工艺为：机尾拉移支架→拉移胶带转载机与后运输机搭接→工作面中间依次充矸→依次捣实→机头、机尾充矸捣实→上下端头人工攉矸充填。充矸捣实过程中，多次漏矸，多次捣实，直至采空区充填矸石充分接顶并充捣压实为止。

5.3.3 注浆充填系统

为了进一步加强矸石充填的效果，最大限度地提高充填率、降低地表沉陷，在矸石充填后使用高水对采空区充填体进行注浆充填(水灰比8∶1)。采用预埋管路的方法进行注浆，即在支架后面沿底板每20m预埋1次管路，每20m注浆1次。在运料巷靠近工作面处建立注浆站，进行制浆和注浆工作，制好的浆液混合后和工作面预埋的管路连接进行注浆作业。

6 充填效果分析

邢东矿12212综采面采用矸石充填后，对本工作面及其相邻未充填工作面地表下沉量进行2个多月的现场观测，观测结果如图7所示。

图7 12212综采面矸石充填地表下沉量

由图7可得，12212综采面采用矸石充填后，其地表最大下沉量为15mm，仅为相邻未充填工作面地表最大下沉量(296mm)的1/20，显著减小了地表下沉量，且充填缩短了地表下沉趋于稳定的时间，有利于地表建筑物及设施保护。

7 结论

(1)根据邢东矿12212工作面被夯实矸石充填体在深部矿山压力作用下的流变特性，选取波依亭—汤姆逊体(Poyting-Thomson，简称PTh体)作为矸石充填体的流变模型，计算得出其流变方程，并作出流变曲线。根据流变曲线得知，矸石充填到采空区之后，在一定时间内，充填工作面采空区顶板下沉量逐渐增大，但增加的速率逐渐减小，最终顶板下沉达到稳定状态，其最大下沉量为σ0/K1，且顶板最大下沉量与矸石充填体的刚度(即充填矸石的夯实度)成反比关系。

(2)结合邢东矿12212矸石充填综采面现场具体情况，计算得出其等价采高约为0.5m。并通过数值模拟得知12212综采面采用矸石充填处理采空区时，距煤层40m测点处顶板下沉量仅有25mm。

(3)邢东矿12212综采面采用矸石充填开采技术，地表下沉仅有15mm，有效控制了地表下沉量，保护了地表建筑物，创造了巨大的经济效益，并且实现了绿色可持续开采。

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[责任编辑：徐乃忠]

Gangue Stowing Technology of Full-mechanized MiningFace with Large Mining-height in Deep Mine

YANG Jun-hui

(Xingdong Colliery, Jizhong Energy Co., Ltd., Xingtai 054000, China)

In order to solve the difficult problem that 85% of residual coal resource of Xingdong Colliery is under villages, technology of gangue-stowing full-mechanized mining for 12212 large-mining-height face was put forward.Selecting“Wave pavilion- Thomson body”as rheological model and calculating its rheological equation, it was obtained that the maximum subsidence of roof above gob wasσ0/K1, and that there was inverse relation between maximum subsidence of roof above gob and stiffness of stowing body.Applying FLAC3D to simulating and comparing roof movement rule of 12212 full-mechanized mining face with caving and stowing method, it was showed that gangue stowing largely reduced equivalent mining height, roof subsidence was only 25mm at the 40m testing point.Gangue stowing mining technique of 12212 face was introduced.Surface subsidence was only 15mm after stowing.

deep mining；large-mining-height full-mechanized mining face；gangue stowing technology；numerical simulation

2014-06-16

10.13532/j.cnki.cn11-3677/td.2014.06.020

国家自然科学基金重点资助项目(51234005)；国家重点基础研究发展计划(973计划)(2010CB226802)

杨军辉(1979-)，男，河北邢台人，采煤工程师，现任邢东矿副总工程师，从事采掘设计与管理工作。

杨军辉.深部大采高综采面矸石充填开采技术[J].煤矿开采，2014，19(6)：77-80，109.

TD823.7

A

1006-6225(2014)06-0077-04