东兴煤矿井下矸石处理技术研究与应用

赵春阳

（山西省煤炭建设监理有限公司，山西 太原 030000）

常规的垮落法开采造成了地表的沉陷，并且沉降量的大小与煤炭资源的累计开采量成正比。同时作为煤炭开采中产生的固体废弃物，煤矸石在地表堆积，侵占了耕地，污染了环境。据统计，矸石产量约为原煤产量的15%左右，每年的矸石产量约为4～5 亿t，累计堆放量超过40 亿t。近年来，为减少地表沉降同时处理矸石，充填开采技术得到了广泛的应用。为解决矸石占用土地资源、污染环境以及建下压煤问题，太原东山东兴煤矿开展了井下巷式充填技术的研究，将矸石回填到巷道中，取得了较好的应用效果。

1 概 况

1.1 地质条件

东兴煤矿井田范围内唯一可采的煤层是15 号煤，位于太原组中下部，全区稳定可采，厚度5.10～6.75 m，平均5.83 m，该煤层结构简单—较简单，含0～3 层夹矸，单层最大厚度0.35 m。煤层顶底板岩性如图1 所示。

图1 15 号煤顶底板岩性Fig.1 Lithology of No.15 coal roof and floor

1.2 存在的问题

当前矿井产生的矸石由井下运输提升至地面，在指定的区域堆积形成矸石山。矸石山的存在占用了大量的土地资源，对矿区环境造成了污染。同时，矸石长期地面堆积在风化作用下可释放部分重金属，污染水资源。东兴煤矿的15 号煤为Ⅱ级自燃煤层，遗留在矸石山中的煤炭资源会发生自燃，存在一定的事故风险。

1.3 处理方式的确定

当前的矸石固废处理主要包括矸石综合利用和矸石井下充填两种方式。煤矸石可用于发电、生产建筑材料、生产肥料、制备化工原料等，但其初期投资大、建设周期长、经济效益低。东兴矿每年的矸石产生量约为1.1 万t，相对较少，且矸石中大部分夹有地质构造的石块，品质不符合相关要求，因此综合利用的方式不适用。

我国煤矿井下矸石充填可以分为矸石固体直接充填和膏体材料充填。与膏体材料相比，矸石固体充填的工艺相对简单，并且初期投入以及后期的运营成本较低，因此首选矸石固体充填。结合东兴煤矿的实际生产条件，确定选用巷道矸石充填的方式处理矸石固废。

2 巷道布置及支护

2.1 处理区域及巷道布置

根据矿井开拓布置，确定主充填区域井下位于F3 断层东北部，南部为原寨沟采空区，东南部为3条集中大巷，北部为未掘区域。地面位置为前李家山村居民区村庄保护煤柱外东南部。整个充填区域位于村庄保护煤柱和大巷之间，无法布置正规工作面。

整个充填区域内总有效容积79 713 m3，其中充填回风巷、回风联巷、排矸运输巷充填设计总长度432 m，总容积10 368 m3，有效容积9 331 m3；全区域共设计有7 条矸石巷，总充填长度1 077 m，总容积32 310 m3，有效容积29 079 m3。充填区域可处理矸石量6.1 万t，充填区域可充填矸石服务年限11 a，大于矿井实际服务年限，可满足矿井的矸石排放需要。

在F3 断层东北部充填区域内东北- 西南向平行布置充填回风巷和排矸运输巷，充填回风巷和排矸运输巷通过回风联巷相连；排矸运输巷东侧与3号联络巷贯通；充填回风巷东侧与一采区大巷联络巷贯通，形成充填区域的通风、运输等系统。在距离充填回风联巷25 m 煤柱布置1 个掘进巷，距离掘进巷35m 布置1 个排矸巷，保证矸石的充填作业接替。排矸运输巷、充填回风巷和充填回风联巷均沿15 号煤层顶板布置，充填区域采用“一进一回”的通风方式，排矸运输巷内铺设胶带输送机和轨道兼作进风。

为保证井下掘进、充填的正常衔接，设计充填区域内配有1 个掘进面和1 个充填面。

2.2 巷道支护方式

以排矸巷为例，巷道设计断面为矩形，尺寸为5 m×6 m，分两次掘进，初次掘进断面5 m×3 m，支护采用锚网索支护，如图2 所示。

图2 巷道断面支护Fig.2 Roadway section support

巷道顶板选用φ20 mm×2 000 mm 的螺纹钢锚杆，共6 根，间距900 mm，排距1 000 mm；顶板采用φ17.8 mm×7 000 mm 钢铰线进行补强支护，排距2 000 mm，间距1 800 mm。巷道两帮选用φ20 mm×2 000 mm 的螺纹钢锚杆，间距1 000 mm，排距1 000 mm，距离顶板3 m 位置处每2 m补打1 根4 500 mm 锚索对帮进行补强支护。

顶锚杆锚固剂采用Z2360 和K2335 各一卷；帮锚杆锚固剂采用Z2360 和K2335 各一卷；顶锚索锚固剂采用Z2360 两卷和K2335 一卷；帮锚索锚固剂采用Z2360 和K2335 各一卷。

网片采用12 号铁丝菱形网，网格40 mm×40 mm，规格1 000 mm×10 000 mm，网片搭接长度100 mm。

3 现场应用

3.1 开采步骤

为进一步保证巷式充填过程中隔离煤柱的安全稳定，根据岩层移动控制机理，采用“逐步缩小煤柱宽度”的跳掘方法进行掘巷，如图3 所示。

图3 巷道掘进和充填顺序示意Fig.3 Roadway excavation and filling sequence diagram

首先掘进排矸运输巷和充填回风巷、充填回风联巷，充填区域形成独立的通风系统；在充填回风联巷东侧65 m 处施工1 号排矸巷；在充填回风联巷东侧25 m 处施工5 号掘进巷，同时对1 号矸石巷进行充填；在35 m 煤柱中间再掘3 号巷，即两巷之间留15 m 煤柱，并充填已掘的5 号排矸巷道。依此类推，矿井以1 个掘进面和1 个充填工作面，保证井下矸石的充填。同时，为保证充填回风巷的通风安全，充填回风巷侧的排矸巷应最后完成。

在排矸巷充填完毕后，对排矸运输巷、充填回风巷、充填回风联巷进行二次拉底，作为排矸巷进行充填。

3.2 运矸系统

充填矸石卸载至矸石巷皮带输送机机尾，由矸石巷皮带输送机装置至充填工作面。

主井生产系统人工捡出的矸石进入地面临时场地，经转载入矿车后，由副斜井运至井下回填；掘进矸石不出井，在井下充填巷道排矸。

地面矸石—副斜井—集中轨道大巷—矸石车场—翻矸机—破碎机—排矸运输巷—排矸巷皮带输送机—抛矸机—充填面。

掘进面矸石—矿车—矸石车场—翻矸机—破碎机—排矸运输巷—排矸巷皮带输送机—抛矸机—充填面。

3.3 主要设备

充填区域掘、装、运、充工序全部采用机械化，对于机械设备的选择首先满足技术先进，生产可靠，安全高效；同时各设备间要相互配套，保证运输畅通。主要设备见表1。

4 应用效果

4.1 巷道变形观测

为掌握巷道的变形情况，优化支护方案，在巷道掘进后设置测点，对巷道表面位移进行观测，观测结果如图4 所示。

图4 巷道变形观测结果Fig.4 Roadway deformation observation results

由图4 可以看出，在整个观测周期内，巷道的变形量缓慢增长，但变形速率较小。最终顶板下沉量为44.5 mm，两帮收敛量为20.1 mm，变形量相对较小，对后续充填工作几乎无影响。

4.2 地表沉降

由于目前充填区域较小，地表尚未观测到变形值。因此采用等效采高的方式对充填后的地表沉降进行估算，公式如下：

式中：m 为充填巷道高度；η 为矸石的压缩率；δ为巷道顶板下沉量；△为充填未接顶量。

根据充填区域的地质生产条件计算可得，该区域巷道充填的等效开采厚度为0.558 m，由此计算可得的地表变形最大值，见表2。变形值较小，对建筑物无影响。

表2 地表最大变形值Table 2 Maximum surface deformation value

4.3 效益分析

4.3.1 经济效益

充填系统每年需掘进矸石充填巷道720 m，年投资约500 万元，巷道掘进出煤可实现的原煤销售收入1 200 万元。根据测算，如果矸石地面堆积，征地费、公路绿化费、矸石场土建工程等约需投入560 万元。综上可得，采用巷道充填的方式处理矸石，年可产生经济效益1 260 万元，经济效益显著。

4.3.2 社会效益

采用煤矸石井下充填矸石巷，预计每年减少3.0 万t 煤矸石排放，减少了煤矸石占地，解决了煤矸石地面堆积对空气、水、土地等的污染问题。同时采用巷道充填的方式将原先不可采的大巷及村庄保护煤柱进行了回收，可提高煤炭资源的回收率，有利于延长矿井的服务年限。

5 结 论

（1） 在对比不同矸石处理方式的基础上，东兴煤矿确定采用巷道矸石充填的方式处理矸石。

（2） 为保证井下掘进、充填的的正常衔接，设计充填区域内配有1 个掘进面和1 个充填面，采用“逐步缩小煤柱宽度”的跳掘方法进行掘巷。

（3） 采用等效采高对地表沉陷进行测算，结果表明，采用巷道巷充的方式对地表的影响较小，经济社会效益显著。