急傾斜煤層柔性掩護支架開采矸石充填工藝研究

祝 琨，劉鵬亮，郭愛國

(天地科技股份有限公司開采設計事業部，北京100013)

1 柔性掩護支架開采特點與充填難點

長溝峪煤礦采用的偽傾斜柔性掩護支架采煤法是我國傾角55°以上、2～6m厚的煤層的主要開采方法，其特點是長壁工作面按偽傾斜布置，沿走向方向推進，用柔性掩護支架隔離采空區，工人在掩護支架下作業。這種采煤方法的優點主要有:一是工作面沿走向推進，工作面較長，系統簡單，連續推進;二是支架依靠重力自行下放，簡化了頂板管理，減輕了單體支柱架設和撤除的繁重體力勞動;三是工作空間礦壓顯現緩和，煤炭能自溜輸送［1］。

目前國內多個煤礦對于矸石不上井和矸石充填技術進行了研究和實踐，并取得了較好的效果，如邢東礦矸石巷式充填、翟鎮礦綜采面矸石充填等。但目前實施充填開采的煤層傾角以近水平 (＜8°)和緩傾斜 (8～25°)為主，工作面支護方式主要是綜采液壓支架和單體支柱，大傾角 (35～55°)和急傾斜 (＞45°)煤層以及懸移支架工作面和柔性掩護支架工作面的矸石充填技術研究和應用實例還未見報道［2］。

柔掩支架采煤法進行矸石充填與普采、綜采采煤工藝相比差異很大，主要有以下2個特點:

(1)柔掩支架工作面支護方式具有特殊性普采可通過在排柱之間設置隔離措施為充填提供空間，綜采通過加長尾梁支撐采空區頂板為充填提供空間，即充填都是在支架掩護下進行。而柔性掩護支架無法做到對充填作業的掩護［3］。

(2)柔掩支架工作面布置具有特殊性 工作面與煤層走向不垂直，偽斜23°布置，因此，工作面的推進使得采空區矸石隨支架下放而下落，無法實現與普采、綜采相似的緊隨工作面后方充填。

由于柔掩支架工作面的矸石充填較其他開采方法有這些不同，因而無法采用現有的矸石充填技術進行充填，所以需要設計特殊的矸石充填方法。

2 偽斜柔掩支架工作面架后矸石充填系統設計

急傾斜煤層開采后，不僅頂板巖層垮落下滑，底板巖層及上邊界煤柱也受到破壞，采空區內大小石塊縱橫交錯，剩余空間只相當于采前煤層體積的10%～30%，因此，尋找或制造足夠的充填空間是急傾斜煤層實施矸石充填的最大難點和關鍵問題。

采用偽傾斜柔性掩護支架采煤法開采急傾斜煤層時，由于柔掩支架上方礦壓較小，附近頂底板不會立刻出現斷裂、垮落，這就為矸石充填提供了時間和空間，所以應抓住頂底板垮落前的時機，及時進行充填。

通過對偽傾斜柔掩支架采煤法的整體采煤系統等的研究，針對這種開采方法的特點以及與普采、綜采面矸石充填的不同之處，設計了柔掩支架工作面架后矸石充填系統。矸石充填工藝流程見圖1。

圖1 矸石充填工藝流程

沿底板將區段回風平巷拓寬，成為半煤巖巷道，矸石從掘進頭通過底板巷道、平石門運到拓寬后的區段回風平巷，再用耙斗或拋矸機將矸石充填到采空區。矸石充填系統巷道位置見圖2。

圖2 矸石充填系統巷道位置

采用柔掩支架工作面架后矸石充填系統，主要有以下幾點優勢:

(1)提供充填空間 由于支架上方礦壓較小，附近頂底板未出現斷裂、垮落，為充填提供了空間。本系統的建設應提早完成，這樣可以隨著工作面的開采做到隨采隨充，從而抓住頂底板垮落前的時機，及時進行充填，解決了充填空間的問題。

(2)解決充填動力問題 從拓寬的區段回風平巷向采空區充填矸石，依靠支架下放和煤層傾角使矸石自溜下滑，解決了充填動力的問題。

(3)充填方便快捷，成本低 充填材料采用處理至300mm以下的原矸，礦車運輸，無需其他處理即可滿足充填要求，方便快捷，成本也較低。

3 長溝峪煤礦應用實例

本系統以長溝峪煤礦－230m水平東十五槽的一段進行偽斜柔掩支架工作面架后矸石充填的設計以及試驗現場。

長溝峪煤礦主要的采煤方法為柔性掩護支架采煤法，礦井初步設計生產能力0.3Mt/a，經過技術改造，現年生產能力穩定在1Mt/a左右。目前長溝峪煤礦每年提升到地面的矸石量約2.6×105m3，約為煤炭產量的30%。矸石在地面大量排放引起如下問題:一是對周邊環境和條件帶來很大的威脅與危害，尤其是長溝峪煤礦地處北京地區，環保壓力極大;二是矸石提升占用了井下運輸設施，增加了副井提升負擔，降低了煤炭運輸能力;三是提高了礦井生產成本，如將－410m水平的矸石運到地面需4級提升，成本約合10元/m3。矸石的處理問題成為制約企業健康發展的突出問題。

設計將區段回風平巷沿底板拓寬，改造為半煤巖巷道，作為充填巷道，主要用于運輸矸石充填材料，此外還要兼顧行人運料等其他輔助作用。經過綜合考慮，確定充填巷道在巖層中的斷面為直角梯形，尺寸為頂板寬3600mm，底板寬4250mm，高2800mm。另外巷道一側的煤層全部隨巷道一起掘出，巷道最終斷面為巖石巷道斷面加上煤層斷面，支護采用錨桿、錨索、W鋼帶聯合支護，必要時再加單體液壓支柱進行支護。

拓寬的區段回風平巷需要通過平石門與底板巷道聯通，考慮整體充填系統的設計需要，將平石門的斷面尺寸設計為3m×3m，巷道坡度按0.5%設計，平石門內鋪設軌道，用于側卸式礦車和防爆特殊型蓄電池電機車行走使用，軌道一側設計小水溝，另一側為人行道。

區段回風平巷沿煤層底板拓寬，作為矸石充填工作區使用。拓寬的區段回風平巷由平石門與底板巷道聯通，這樣就形成了矸石充填系統。

圖3為充填工藝流程俯視示意圖，圖4為充填巷道工作示意圖 (采用耙礦絞車充填)。

圖3 充填工藝流程俯視示意

圖4 充填巷道工作示意 (耙礦絞車充填)

按照上面的設計，掘進面的矸石采用側翻式礦車運輸，經過底板巷道、平石門運至拓寬的區段回風平巷，從區段回風平巷向采空區充填矸石，采用耙礦絞車將矸石充填到采空區 (或者用側卸式礦車將矸石直接卸入采空區充填)，依靠支架下放和煤層傾角使矸石自溜下滑，這樣就解決了充填的動力問題;充填材料為處理至300mm以下的原矸。

4 結論

應用柔掩支架架后矸石充填系統，可以很好地解決目前急傾斜煤層柔掩支架開采中存在的矸石充填的問題，既能尋找并充分利用充填空間，又解決了充填的動力問題，而且成本較低，填補了這方面的研究空白。

［1］王 戈，王 永，陳淼明.綜采工作面矸石充填技術探討［J］.現代礦業，2009，5(5):110－111.

［2］繆協興，張吉雄，郭廣禮.綜合機械化固體充填采煤方法與技術研究［J］.煤炭學報，2010，1(35):1－6.

［3］李永明，劉長友，李西蒙，等.水體下急傾斜煤層采空區矸石充填頂板控制［J］.煤炭學報，2010，9(35).

［4］王富生.偽傾斜柔性掩護支架采煤法 ［J］.科技與企業，2011(12).