官地矿充填垮落协同开采技术方案优化研究

毕 俊 刚

（西山煤电集团设计院（有限公司），山西 太原030052）

0 引 言

煤炭资源作为我国最主要的化石能源，在推进我国经济发展过程中起到了至关重要的作用，但长期以来，为追求煤炭开采的经济效益，大多矿井采用垮落法进行开采，垮落法采出后容易引发地表沉陷，进而导致地表建筑物破坏[1]。垮落法难以解决“三下”采煤问题，因此，提出了充填采煤法，将煤矸石、膏体等充填材料充填至采空区，既解决了煤矸石的回收利用，又保证了工作面的安全稳定及地面沉陷问题[2,3]。

官地矿位于自然环境保护区内，选煤厂排出的矸石首先需要转运到达矸石堆场，现有矸石场储存能力不足，且治理费用过大，因此，本文针对官地矿旨在研究一种充填垮落协同开采方法，进而解决官地矿的矸石处理问题，并保证环境的稳定。

1 工程概况

官地矿位于太原市西南郊区，现开采煤层为2、3、6、8 和9 号。2#、3#、6#煤层采用一次采全高的综采工艺，8#、9#煤层联合开采采用放顶煤回采工艺。36408 工作面井下位于北四新区北翼，紧邻36406 首采面，工作面深约400～500m，工作面长度为200m，推进长度为910m，平均煤厚约2.8m，平均倾角约6°（俯采），可采储量47 万t，瓦斯含量3.52m3/t。其具体位置如图1 所示。官地矿矸石产量较大，据统计2014-2019 年，6 年时间里累计产出矸石720 万t，年平均治理矸石费用达到3 038.74 万元，如表1 所示。现针对36408 工作面进行充填垮落协同开采技术方案研究。

图1 工作面布置平面图

表1 近六年矸石量及煤炭产量和治理费用情况

2 充填垮落协同开采充填率

充填垮落协同开采不同于传统的充填和垮落开采，覆岩移动也不简单是充填段与垮落段覆岩移动的叠加，而是相互影响，存在一个过渡区域，如图2 所示。协同综采根据不同充填目标，分为极高充填率、高充填率与地充填率3 种状态。

1）极高充填率：充填部分达到密实状态，充填量大，使用夯实设备多次循环夯实，对覆岩形成支撑状态，控制性好，但工艺复杂，效率较低。

2）高充填率：此种状态不过分夯实，只使充填料接顶即可，简化了充填工艺，效率较好。

3）低充填率：充填区域采用自然落料充填，不使用夯实设备，无法接顶，工艺简单，但充填率低，难以达到要求。

目前，针对官地矿矸石产量大，处理费用高等问题，旨在井下形成TDS 煤矸分选-矸石就地充填绿色循环系统，选取最优充填方案。

图2 36408 工作面充填垮落系统开采示意图

3 充填采煤技术方案优选研究

3.1 充填采煤方案设计

官地矿井下矸石智能干选系统的处理能力为50～60 万t/a，需要将此部分矸石全部进行井下充填。根据官地矿工作面具体条件，提出了3 种开采方案：充填垮落协同开采（不夯实）（方案一），充填垮落协同开采（夯实）（方案二），全断面全部充填方案（方案三），同时设计了各方案的设备配套方案，并进行了详细比较。

3.1.1 充填垮落协同开采（不夯实）

工作面由充填段、过渡段和垮落段构成，在充填段采用充填液压支架配合多孔底卸式输送机进行矸石回填，充填段仅落料不充填；而在工作面过渡段和垮落段采用传统综采，垮落法管理顶板。

根据充填需求，需要保证36408 工作面矸石的年处理能力大于等于井下矸石智能干选系统的处理能力（50～60 万t/a）。参考官地矿36406 工作面规程可知，6#煤层平均厚度2.49m，但仅为局部煤层较薄，大部分区域煤层均达到2.6m，并根据地质资料及实际回采情况，将36408 工作面采高设置为2.8m。

工作面矸石处理能力计算：

式中：Mg为工作面年处理矸石量，t/a；vy为工作面年推进距离，m/a（vy=330nd，n 为每天进刀次数，取8～10 刀；d为循环步距，取0.6m）；Lbf为工作面充填段长度，m；ηc为松散矸石密度，t/m3（ηc=η/k，k为碎涨系数，充填条件下取1.5，密实充填条件下取1.2；η 为矸石密度，取2.5kg/m3）；Hbf为可充填高度，m（Hbf=H—ht—hd=2.1m，式中：ht为顶板提前下沉量，取0mm；hd为未充填高度，顶梁与输送机厚度之和，取0.7m）。

由上述公式变形得到：

由公式（2）可以绘制下图3，矸石年处理量与充填段长度之间的变化关系：

图3 矸石年处理量与充填段长度之间的变化关系

根据充填段的矸石处理能力应大于井下矸石智能干选系统的矸石处理能力（50～60 万t/a），工作面日进为8～10 刀，得出了充填段最小长度随井下矸石智能干选系统矸石处理能力的变化关系。考虑到充填段工作面长度应该小于120m，官地矿正在开采的36406 工作面日进刀为8 刀，以及充填段的矸石处理能力应该大于井下矸石智能干选系统的最大矸石处理能力（60 万t），设计36408 工作面日进8 刀且充填段长度应大于108.2m，同时考虑到充填段长度应为充填支架宽度的整数倍，且应设置一定的矸石处理富余能力，36408 工作面充填段长度最终设计为120m；根据充填经验，过渡段长度一般取4～10m，设计过渡段长度为6m，可布置4 个充填液压支架；工作面总长度为200m，因此垮落段长度设计为74m。

3.1.2 充填垮落协同开采（夯实）

此方案工作面由局部密实充填段、过渡段和非充填段构成，在充填段采用充填液压支架配合多孔底卸式输送机进行矸石密实充填，利用密实充填体管理顶板；而在工作面非充填段用传统综采，垮落法管理顶板。

工作面分密实充填段、过渡段和垮落段，由于密实充填，顶板提前下沉量得到有效控制，则36408 工作面充填段长度的计算结果为：

可以由公式绘制下图4，矸石年处理量与充填段长度之间的变化关系：

图4 矸石年处理量与充填段长度之间的变化关系

考虑到充填段工作面长度应该小于120m，官地矿正在开采的36406 工作面日进刀为8 刀，以及充填段的矸石处理能力应该大于井下矸石智能干选系统的最大矸石处理能力（60 万t），设计36408 工作面日进8 刀且充填段长度应大于86.58m，同时考虑到充填段长度应为充填支架宽度的整数倍，且应设置一定的矸石处理富余能力，36408 工作面充填段长度最终设计为90m；根据充填经验，过渡段长度一般取4～10m，设计过渡段长度为6m，可布置4 个充填液压支架；工作面总长度为200m，因此垮落段长度设计为104m。

3.1.3 全断面全部重填开采

36408 工作面若采用全部密实充填方案，则工作面需要进行夯实作业，其工作面所需长度与方案二充填垮落协同（不夯实）方案的充填段长度相同，即工作面长度为90m。

3.2 充填开采方案效率对比

充填开采工作面的效率包括采煤效率和充填效率2 种，其中采煤效率可以用工作面单日采煤量表示，充填效率可以用单日充填量表示。对于官地矿36408 工作面而言，其充填的主要目的是处理井下智能煤矸分选系统分选出的矸石，工作面的长度、充填段的长度是根据矸石处理量进行设计的，因此全断面全部充填、充填协同垮落（夯实）、充填协同垮落（不夯实）3 种充填方案其充填效率相同，区别在于其采煤效率。官地矿36408 工作面单日采煤量计算公式如式：

式中：L为工作面长度，m；n为日进刀数量；d为循环步距，m；H为工作面采高，m；γ为煤的容重，1.39t/m3；C为工作面采出率，0.95。

根据充填经验，方案一虽然工作面长度较大（200m），但无需夯实作业，单日进刀可达10 刀；方案二由于工作面长度较大（200m），其单日进刀可达8刀；方案三由于工作面长度较短（90m），日进刀数最大，可达12 刀。

因此，通过计算可知3 种充填开采方案的采煤效率分别为：方案一充填协同垮落（不夯实）单日采煤量为200×10×0.6×2.8×1.39×0.95=4 437t，方案二充填协同垮落（夯实）单日采煤量为200×8×0.6×2.8×1.39×0.95=3 550t，方案三全断面全部充填方案单日采煤量为90×12×0.6×2.8×1.39×0.95=2 396t，可见方案一和方案二的采煤效率分别为方案三的1.85 倍和1.48 倍。

3.3 充填开采方案确定

由官地矿36408 工作面开采条件可知，36408 工作面存在俯采仰充的情况，为了保证在充填条件较差时工作面的矸石处理能力满足要求，应选择带有夯实机构的充填液压支架；同时为了提高工作面的推进速度，提高采煤效率，应该不进行夯实作业；综上，方案一充填协同垮落（不夯实）方案最合适，且充填液压支架应配备夯实机构。

方案一设备配套应选择ZC-5200/17/35（带夯实机构）和ZC-5200/20/40（带夯实机构）2 个设备配套方案最为合适。考虑到官地矿北四新区煤层厚度变化及充填支架调配至集团其他矿井后的煤层高度适应性，应该优选ZC-5200/20/40（带夯实机构）的充填液压支架，具体参数如表2 所示。

表2 ZC-5200/20/40（无夯实机构）充填液压支架主要技术参数

4 36408 工作面生产能力设计

按照矿井生产接替要求，工作面日进刀8 刀，循环步距0.6m，按照年采煤330 天计算，结合工作面实际生产情况，充填协同垮落（不夯实）工作面生产能力：

式中：A1为采煤工作面平均生产能力，万t/a；L为工作面长度，200m；T为工作面平均年推进度，1584m；H为煤层开采高度，2.8m；γ为煤的容重，1.39t/m3；C为工作面采出率，0.95。

根据实际采矿地质条件，将相关参数带入式，得到充填协同垮落（不夯实）工作面设计生产能力为117.1 万t/a。

5 结束语

针对官地矿36408 工作面充填垮落协同开采方案进行优选研究：

1）阐述了充填协同开采的理论依据，可以分为极高充填率、高充填率与地充填率3 种状态；

2）针对36408 工作面的具体条件，提出了3 种开采方案：充填垮落协同开采（不夯实）、充填垮落协同开采（夯实）、全断面全部充填方案，通过对比分析，最终选定方案一单日采煤量为4437t，配备了ZC-5200/20/40（带夯实机构）的充填液压支架；

3）36408 工作面设计生产能力为117.1 万t/a。