厚夾矸煤層分采分運矸石充填采空區技術研究

宋桂軍

（神東煤炭集團有限責任公司，陜西省神木縣，719300）

1 引言

煤矸分采分運是指在采煤工作面遇到如煤層厚夾矸、薄煤帶、斷層等嚴重影響原煤質量的地質構造時，采取的一種保證煤炭質量的技術措施。對于長壁后退式全部垮落法采煤工作面，當出現較大的地質構造而工作面又難以停產改造時，為保證煤質，一般可采取的措施有老塘翻矸、刮板輸送機揀矸等，這些措施存在勞動強度高、技術難度大、分矸效果差、煤質管理困難、效率低、成本高等問題。對于神東礦區厚夾矸加長工作面而言，要保證煤矸分采分運、高效回填采空區的效果，同時不影響高產高效工作面的生產效率。為了解決以上問題，特開展厚夾矸煤層分采分運矸石充填采空區開采技術研究工作，實現在一個工作面同時使用3種開采方式，為煤矸分采分運開創一條新的技術途徑，這不但對神東公司一些礦井解決即將面臨的開采難題具有重要的現實意義，而且對神東礦區乃至全國類似條件的礦井都具有很好的指導意義。

2 試驗區地質條件

2.1 煤層頂底板及夾矸情況

布爾臺煤礦厚夾矸分采分運回填采空區試驗區域為二盤區22203～22215工作面，主采2-2煤層，中間有一層夾矸。夾矸最小厚度為0.2m，最大厚度為7.2m，絕大部分夾矸厚度在2 m 以內。2-2上煤層平均厚度為2.2 m，夾矸平均厚度為1.1 m；2-2下煤層平均厚度為1.2m。現選取22203綜采工作面開展研究工作，其煤層頂底板特征見表1。

表1 布爾臺煤礦22203綜采工作面煤層頂、底板特征

2.2 其他地質因素

（1）瓦斯

2-2煤層絕對瓦斯涌出量為2.52 m3／min，相對瓦斯涌出量為0.27m3／t。瓦斯分帶為二氧化碳～氮氣帶及氮氣～沼氣帶，屬瓦斯風化帶。

（2）煤塵

煤塵爆炸性指數為30%～35%，具有爆炸危險性。

（3）煤的自燃

2-2煤層為易自燃煤層，自燃發火期為30～90d。

（4）地溫

區域地溫梯度一般小于3℃／100m，無地溫異常，屬地溫正常區，對礦井無地熱危害。

2.3 試驗區域夾矸物理力學特性

由夾矸抗拉試驗可知，夾矸的抗拉強度為1.70 MPa，屬于抗拉強度較低的巖石，即夾矸受拉狀態下非常容易發生破壞。

由夾矸單軸抗壓試驗可知，夾矸的抗壓強度為24.58 MPa。夾矸的堅固性系數 （普氏系數）f=2.458，根據巖石堅固性系數分級表可知，夾矸屬于Va～VI級，屬于軟弱～半堅硬巖石。22203綜采工作面配備的采煤機型號為JOY SL900A，可切割堅固性系數f 在4以下的煤層，試驗區域夾矸物理力學特征完全可以滿足煤矸分采分運的要求。

3 煤矸分采分運工作面充填開采方案設計及設備布置

3.1 工作面充填開采方案設計

煤矸分采分運工作面充填開采方案分為局部充填和全部充填。根據布爾臺煤礦的地質條件，同時結合設備選型、礦壓顯現、投入成本等多方面因素綜合考慮，最終確定采用局部充填開采方案。

3.2 工作面充填段與非充填段長度確定

因22203綜采工作面布置兩種液壓支架，所以需要確定不同架型在同一工作面的數量，并進行科學合理的工作面三機配套。基于煤層夾矸厚度變化情況及采煤工藝的特點，確定工作面不同架型的數量。

矸石破碎后會出現膨脹，較硬的巖石破碎后碎脹系數較大。研究區域夾矸屬于軟弱～半堅硬巖石，碎脹系數選擇較大值，即Kρ=1.5。巖石的碎脹系數對礦壓控制，尤其對采煤工作面的頂板管理有非常重要的意義。為此，需要將夾矸破碎后的體積與充填空間做一個測算。

煤矸分采分運回填工作面示意如圖1所示。已知22203綜采工作面長度為240m，上、下分層煤層總平均厚度為3.4m，充填刮板輸送機下平面距離支架后頂梁的高度為800mm。設夾矸的厚度為X，滿足充填要求空間的設備長度為C，矸石破碎后的碎脹系數為1.5。

當工作面采用分采分運開采時，煤層及夾矸的總厚度為 （3.4+X）m，后部可充填的高度為（3.4+X）-0.8= （2.6+X）m。由以上設定可知，充填工作面長度C 為

夾矸與充填長度的關系曲線如圖2所示。

圖1 煤矸分采分運回填工作面示意圖

圖2 夾矸-充填長度關系曲線

表2 工作面主要三機設備

根據上述分析可知，當夾矸厚度為1.1m 時，充填工作面長度為95m。考慮到經濟效益的最大化及對該模型分析的保守性，確定充填刮板輸送機的長度為110m。另外，矸石充填刮板輸送機驅動電機需布置在煤層底板上，因刮板輸送機需要一定的爬坡段且無法進行矸石回填，該長度約為5～10 m。最終確定充填段長度為115 m，非充填段為125m。

3.3 工作面設備布置

根據目前的設備條件及工作面的礦壓情況及空間特點等，對回填工作面主要三機設備進行布置，布置方案見表2。

4 煤矸分采分運采煤方法及工作面生產能力的確定

4.1 煤矸分采分運采煤方法

4.1.1 不同夾矸厚度條件下的開采方式

為適應不同夾矸厚度條件下的開采方式，確定采用3種開采方式，即一次性采全高、分采分運回填矸石、降低采高開采。具體開采方式示意如圖3所示。

（1）當夾矸厚度小于0.5 m 時，采用一次采全高的開采方式。

（2）當夾矸厚度在0.5～2.0m 之間時，采用分采分運的開采方式。

（3）當夾矸厚度大于2.0 m 時，采用降低采高，只采較厚的2-2煤層的開采方式。

圖3 不同夾矸厚度條件下回采方式示意圖

4.1.2 采煤機進刀方式

夾矸工作面采煤機進刀采用對上煤層端部斜切進刀割三角煤的方式，對工作面進行分三層切割開采，開采的順序為自上向下依次開采。當一個步距采完，下一個步距從上分層端頭斜切進刀，如圖4所示。

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4.1.3 液壓支架的移架方式

工作面采用回填式液壓支架進行支護，采煤機截割2-2煤層時，液壓支架滯后采煤機前滾筒3～5架的距離，依次跟機拉架。當2-2煤層完全截割后，采煤機截割夾矸和2-2下煤層時，采煤機位于支架頂梁下方截割。采煤機截割2-2下煤層時，滯后采煤機一定距離及時推溜。

4.2 工作面生產能力的確定

工作面分采分運時由于煤層較薄，采煤機截割速度比一次采全高有一定提高。采煤機割2-2上煤層速度為12m／min，截割2-2下煤層為15m／min，截割矸石的速度為4 m／min。采煤機開機率為70%，一天工作時間為14h。分采分運工作面推進一個步距需要的時間為： （180+2×30）／12+（180+2×30）／4+ （180+2×30）／15=96 min。考慮一定的富余系數，推進一個步距的時間約為2 h，一天可推進7刀，則日產量為7×0.865×3.4×240×1.4=6917t，最高年產量為6917×330=2.28×106t。

圖4 夾矸工作面采煤機進刀方式示意圖

5 煤矸分采分運工作面巖層移動特征及礦壓顯現規律

5.1 數值模擬模型的建立

為了研究神東布爾臺煤礦煤矸分采分運工作面巖層移動及礦壓顯現特征，利用UDEC二維數值模擬軟件，根據開采區域的鉆孔資料，建立3種數值模擬模型，即垂直工作面方向建立充填區域的數值模型，垂直工作面方向建立未充填區域的數值模型，平行工作面方向建立數值模型。

5.2 煤矸分采分運充填工作面礦壓強度分析

利用UDEC對工作面推進方向充填與非充填區域推進至30、80 （60）、150、300 m 時，以及工作面傾向方向推進150 m 時的巖層移動，進行數值模擬。布爾臺煤礦各巖層力學參數見表3。

（1）工作面向充填與非充填區域推進至30、80 （60）、150m 時，沿工作面垂直方向巖層移動數值模擬結果如圖5所示。

由圖5a～圖5c可以得出，充填區域隨著工作面的推進，基本頂主要以彎曲下沉為主，局部產生裂隙，工作面所需支護強度為1.22 MPa。工作面支承壓力峰值超前13m，影響范圍35m，最大20 MPa，應力集中系數達1.6。覆巖移動的水平位移較小，最大112mm。相對傳統采煤方法而言，充填采煤巖層移動緩慢，沒有出現初次來壓與周期來壓顯現，有效控制了上覆巖層的移動破壞與工作面礦壓顯現。

表3 布爾臺煤礦力學參數

由圖5d～圖5f可以得出，非充填區域隨著工作面的推進，直接頂首先出現垮落，推進到60m，基本頂垮落。工作面前方的支承壓力超前13 m，峰值14 MPa，應力集中系數為2.0，分布范圍為30m。覆巖移動的水平位移較大，最大1710mm，工作面支護強度為1.4MPa。與充填采煤相比，礦壓顯現較劇烈。

（2）工作面推進至150 m 時，由沿工作面方向巖層移動數值模擬結果可知，上覆巖層沿工作面移動劇烈，并且不均衡，充填區域位移較小，未充填區域垮落下沉較大。在充填區域和未充填區域之間，有巖塊形成的鉸接結構。

在煤層頂板設置測線，得到工作面支護強度曲線，如圖6所示。

由圖6可以看出，充填段所需支護強度峰值為1.2MPa，過渡段支護強度最大為1.5 MPa，非充填段支護強度為1.4 MPa。

5.3 煤矸分采分運工作面巖層移動特征及礦壓顯現結果分析

從以上模擬分析可知，隨著工作面的推進，煤矸分采分運工作面礦壓顯現強度不均衡，充填段礦壓顯現強度較小，其超前支承壓力影響區域平均為20m，應力集中系數為1.6，充填液壓支架平均支護強度為1.2MPa，頂板以彎曲下沉為主，基本未出現明顯的初次來壓與周期來壓顯現現象；非充填段礦壓顯現較大，其超前支承壓力影響區域平均為35m，應力集中系數為2.0，非充填段液壓支架平均支護強度為1.4 MPa，初次來壓步距為60 m，平均周期來壓步距為12m。

圖5 沿工作面重點方向巖層移動數值模擬

圖6 工作面支護強度曲線

6 結論

近年來，隨著我國國民經濟的迅猛發展，煤炭用戶對煤炭質量的要求越來越高，煤質成了直接關系煤炭企業生存與發展的關鍵因素。厚夾矸煤層分采分運矸石回填采空區開采技術，既可以有效提高煤質，又可以控制地表沉陷，同時減少矸石的洗選、運輸及外排費用，減輕矸石對地表環境的影響，經濟效益和環境效益顯著。

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