煤矿区井下矸石回填与安全开采研究

＊杨 峰

（山西乡宁焦煤集团台头前湾煤业有限公司 山西 042100）

煤矿开采过程中会产生大量的煤矸石，传统井下运输会造成资源浪费，大量堆积也会对生态环境产生影响，因此，合理应用矸石回填技术对于减少煤炭企业经济压力具有重要意义，能推动环境保护工作的全面进步。

1.煤矸石回填技术发展历程

20世纪50年代到60年代我国就已经开始应用采空区充填技术，当时采取的主要是管道输送水沙的方式完成采空区的回填操作，但是由于河沙的数量有限，且相关项目的投入成本较高，这种回填处理技术逐渐被取代。黄土材料也因为环保效益较差采用的频率大幅下降。直到煤矸石大规模井下回填处理技术的出现，不仅能满足回填对强度标准等参数的要求，还能有效提升资源利用率，减少环境污染和资源浪费。我国最早使用煤矸石回填的案例是在2004年，山东煤矿利用煤矸石井下充填机械处理技术，有效完成采空区的充填处理，随后河北等地陆续使用。

在煤矸石井下回填技术的应用过程中，要对煤矸石进行初步的加工处理，回填在相应的煤矿采空区，不仅能有效减少煤矸石出井产生的占地问题和环境污染问题，也能大大提升采空区的稳定性和牢固性，减少采空区地质灾害问题产生的影响。与此同时，煤矸石回填处理技术能置换出煤炭资源，为水体下、铁路下、岩溶下水体管控技术的升级提供支持。

2.煤矿区井下矸石回填操作要点

（1）案例。本文以HK煤矿企业A充填区为例，2012年到2015年当地对煤矸石还是采取先污染后治理的处理方案，利用荒沟堆积覆盖黄土后进行植被覆盖的方式处理煤矸石，三年内煤矸石治理项目投入资金超过2000万元，并且还要投入大量资金。与此同时，煤矸石占地面积较大，影响了周围村民的正常工作秩序。基于此，相关部门决定开展煤矸石井下充填技术，主要针对的是F50和F54断层中间，临近工作面近期无采掘活动。技术部门对充填区进行测量后发现，利用煤层瓦斯测试处理方案，瓦斯的含量在0-1.82cm3/g之间，认定A充填区属于低沼气矿井模式，各个煤层存在一定的煤尘爆炸隐患，为了保证操作流程的安全性和规范性，技术部门优选煤矸石充填置换方案。

（2）方案设计。结合区域的实际情况以及巷道布置状态，利用矿井已经成形的生产系统和生产设施落实相应工作，秉持可靠性、安全性、技术先进性原则，提出2个备选方案。

①方案一

将整个煤矸石回填工程分为I期和II期，I期主要是适当扩大充填区域巷道的煤柱宽度，II期则是要在开掘后完成充填巷的回填处理，借助煤矸石皮带巷侧完成对应工序。

②方案二

主要是采取预留相同宽度巷道间煤柱的模式，结合具体工作流程逐步开挖，巷道间煤柱的宽度维持在5cm，在充填一段时间后，利用煤矸石回填，待回填一段距离，煤矸石就能对两侧的煤柱形成对应的侧压力，此时再循环处理。

在对比方案一和方案二后发现：①方案一由于煤柱空间较大，相邻位置应力相互作用的程度低，能实现同时施工，但是受到人员以及设备因素的影响，最好采取顺序交替开挖处理模式。②采取s形开挖掘进处理模式，在充填端煤矸石压实稳定性趋于稳定后，开掘对应侧煤矸石及时填充，若是采用这种处理方案，就需要另外搭建煤矸石存储库，不仅会增加项目支出，也会增多维护难度。综上所述，选择方案一作为整体设计方案。

（3）护巷宽度设计。在确定煤矿区井下矸石填充方案后，就要结合实际情况开展相应的设计处理工作，从而保证参数匹配设计方案，并全面提升操作效率。

第一，结合井巷煤柱留设规划的相关规定，对于大巷上山位、下山位于煤层顶部岩层中间位置时，要按照进行计算，本文h约为20m到30m，

煤层倾角α为21°、岩层移动角β为60°，得出护巷煤柱的宽为9.5m-14.2m。

第二，要结合实际情况完善数值模拟分析工作，主要是应用三维数值模拟软件，配有限差分处理方式建构应力应变和结点位移分析体系，利用软件就能建立对应数值模型。在模型模拟过程中，还能对塑性破坏等问题予以分析，评估动态稳定性水平，并最大程度上获取岩体受采动影响的破坏程度。值得一提的是，软件模型还能建构多种本构模拟单元，并且结合弹性本构要求，建立NULL单元，从而模拟回填作业，这对于提升支护系统的综合支护水平具有重要意义。

第三，完善具体内容分析。①对材料承载能力和变形予以分析，解决边坡稳定性问题；②对材料递进屈服过程予以分析，解决地下开采井巷围岩稳定性问题；③断层结构影响演变分析，解决地下开采布置问题；④排水和非排水加载时孔应力分析，解决岩土结构强化处理问题。在全面分析后建立匹配模型，模拟方案的范围设计为180m×140m×100m，依据A区域钻孔柱状设计要求，建立Mohr-Coulumb模型。

第四，计算相关分析，利用填充要求计算煤矿区井下煤矸石力学参数，与此同时，也要综合考量边界效应，整个充填区在模型的中间位置，布置对应六条回填试验巷道区域，从而模拟开挖流程，有效完善采空区模拟分析工作，计算不同宽度环境中煤柱下回风巷的变形问题。

（4）煤柱宽度设计。在设计工作开始前，为了保证煤矸石不上井，且开采边角煤资源应用合理有效，就要在维持安全性的基础上，最大程度提高煤矸石布置空间的合理性，确保施工安全和储存空间的规范程度符合要求。

在充分考量相关因素的基础上，设计储存煤矸石的空间尺寸和两侧煤柱的实际宽度，要确保充填效果符合最大限度要求，减少宽度参数，并维持尺寸标准后先采先沉、采动应力叠加等问题予以分析，保证前期煤矸石掘进过程中两侧煤柱的实际宽度能随着操作流程的变化逐步增大，后期则结合宽度要求适当减小。与此同时，按照σ=σ0+σ3tanβ计算柱核区强度，其中，0σ表示整个区域内煤矸石的单向抗压强度、3σ表示作用在煤柱的侧向压力、tanβ表示的是应力系数。

综上所述，在全面分析设计要点后，就要结合煤矿区煤矸石两侧煤柱的宽度完成充填巷开挖顺序的优化工作，按照煤柱置换标准完成对应的开采处理，然后随时掘进随时回填，以维持整体工作的稳定性。

（5）项目效益。在全面推广煤矿区井下矸石充填技术方案后，每年井下产生的煤矸石无需出井就能实现有效的回收利用，大大提升了操作的科学性和便捷性，并且，采空巷道利用煤矸石还能有效实现充填加固处理，采空巷道充填率在98%以上，节约排放煤矸石费用450万元，减少了大量的排污费用，并且，还能有效实现煤炭资源的合理性置换，达到13.8万吨，销售累积收入达到5000万元。最关键的是，煤矸石回填技术的应用处理也能大大提升环境质量，确保企业和周围居民形成融洽的合作关系，真正意义上践行了“来自于地下、应用于地下”的管控方针。

除此之外，当地将投入更多的技术在煤矸石回填技术升级方面，将煤矸石磨成粉制成膏状物，从而借助管道输送到井下相关填充区域，配合综采支架采空区填充方案，更好地提升资源采出率。

3.煤矿区井下矸石安全开采策略

全面分析设计要点的基础上，要结合煤矿区的实际情况完善对应工序，并且保证煤矸石开采工作的合理性和安全性，积极提升开采率，维持整体技术应用研究和处理工作的效果，保证安全技术措施都能发挥其实际效用，实现经济效益和社会效益的双赢。

(1)基本流程

为了保证安全措施能发挥其实际效果，就要结合充填巷的实际情况匹配完整的支护方案，保证应用效率最优化。并且，要严格约束对应的支护工艺流程内容，按照标准要求维持整体效果。

第一，要对区域煤矿煤矸石进行截割处理。第二，完成上网操作，布设钢筋梯和串前探梁，并且结合要求设置临时支护顶板结构。第三，退出掘进机。第四，要在顶部锚杆锚网的位置完成支护顶板的处理。第五，完成挂网操作，完成锚杆辅助处理。第六，进入下一个循环。

综上所述，在支护处理工序中，要保证永久支护项目的完整性和规范性，并且从外向内、从顶部到后部有效整合具体流程。

(2)回填区域巷道的断面参数

回填区域巷道的断面参数，回填区域巷道的断面主要分为卧底前断面和卧底后断面。

卧底前断面参数：整个区域高度为3.0m，宽度为4.5m，面积为13.5m2。

卧底后断面参数，整个区域高度为4.0m-4.5m，宽度为4.5m，面积为16.8m2[5]。

(3)优选支护方式

①临时支护

在煤矿区煤矸石回填操作方案中，为了维持其整体工序的安全性和科学性，要优选支护处理模式，匹配实际操作标准，建立健全合规的设计机制和管控流程，提高支护方案的综合水平。临时性的支护结构最大控顶距离为1.9m，最小空顶距离为0.3m，在煤岩截割处理工艺前，永久性支护的掘进面最大距离一般会控制在0.3m左右[6]。与此同时，施工人员要在探测工作开始前确定梁结构没有出现变形问题，并且利用临时支护平面和剖面分析图对具体操作要点予以约束管理。

②永久支护

若是要采取永久性支护，一般是采取锚网索支护处理机制，保证巷道断面设计规范性。具体参数如下：

A.断面a，掘进高度为3100mm、净高为3000mm；掘进宽度为4700mm、净宽为4500mm，掘进面的面积为14.5m2、净断面的面积为13.5m2，锚杆的顶部为φ20×2000mm、帮结构φ20×2500mm，锚杆间排距顶部800mm×800mm、帮结构800mm×800mm。

B.断面b，掘进高度为4600mm、净高为4500mm；掘进宽度为4700mm、净宽为4500mm，掘进面的面积为18.1m2、净断面的面积为13.5m2，锚杆的顶部为φ20×2000mm、帮结构φ20×2500mm，锚杆间排距顶部800mm×800mm、帮结构800mm×800mm。

③工艺流程

为了保证整体施工项目的合理性和规范性，技术部门要整合相关内容和设计要点，严格按照标准化工艺流程运维开采技术方案。

首先，在锚杆支护处理工艺体系中，顶部的锚网位置，要按照从外向内且帮结构稳定的原则，积极提升应用效率，避免临时性支护单元应用处理不到位。

其次，要结合操作标准和具体要求进行锚杆安装，顶部打眼后就要安装锚杆结构，帮部则要利用吹眼器进行清洁度的处理，然后按照固定要求将其直接和树脂锚固剂分析处理。

最后，要依据锚索准确性标准和顺序完成锚索施工，静待15min时间，再换锚索托盘，并且将预紧力控制在80kN以上。

除此之外，要结合煤矿区煤矸石开采管理和回填质量标准落实充填区域的加固处理机制，保证荷载、整体性以及支撑强度参数都能满足具体标准，最大程度上提高技术应用效率，维持其整体效果。

4.煤矿区井下矸石回填技术发展方向

在科学技术不断发展的时代背景下，矸石回填技术也将全面升级和优化，打造更加多元的技术应用平台，实现经济效益和社会效益的和谐统一。

(1)矸石回填“置换”井下煤柱技术

①技术原理。主要是利用破碎的煤矸石、建筑垃圾等废弃物，将其制成浆液的基础上，利用充填泵设备和专用管路输送方案，将其直接输送到煤矿井下的采空区，待浆液凝固后就能实现对顶板结构的支撑，有效置换井下煤柱结构，打造更加科学合理且坚固的处理模式。

②应用设备。矸石破碎系统、物料配比搅拌系统以及管道泵送系统共同组成基础应用结构，在对应的物流转载点都会设置筛蓖结构，能有效避免管路的堵塞问题，最大程度上提高设备的应用效率。因为技术方案的影响因素较多，且会受到环境因素、项目规模因素等制约，所以，需要企业结合实际情况进行反复的试验处理，确保充填料粒度的合理性和规范性，并且能有效维持整个系统运行的稳定效果。

③具体要求。在矸石回填替换煤柱方案实施过程中，要综合分析相关因素，因为充填料浆的压力参数较大，所以，要维持密封效果，避免出现裂缝，这就需要在工序中融合堵漏填缝的操作内容，提升充填质量的基础上，也能为工作面安全性的优化提供保障。

(2)似膏体自流充填

主要是从金属矿山引入到煤矿处理体系中，所谓似膏体，指的就是煤矸石粉碎物、火电厂粉煤灰、河沙以及水泥等，需要地面配合车间落实相关加工工作，从地面到达综采区域，然后利用总回风巷充填钻孔的方式，配合套管处理，有效维持管路处理的科学性，并且，需要配置水管结构，保证管路堵塞时能借助高压水予以处理控制，最大程度上提高充填处理的规范性和科学性。

这套系统最大优势就在于机械化程度较高，且对应的充填效果较好、充填能力较大，但是这种处理机制也存在一定的弊端，尤其是地面似膏体制作过程较为复杂，并且需要布置钻孔予以充填区域处理，比较常见的是浅部或者是煤层倾角在10°以下的炮采开采区域。

5.结束语

总而言之，在煤矿区煤矸石回填操作和开采过程中，要将安全性、科学性和技术可靠性作为关键，整合具体技术要点，维持操作方案的整体效果，强化煤矸石的强度和稳定水平，完善回填质量，减少资源的浪费，实现经济效益和社会效益的和谐统一。