薄煤層寬巷掘進矸石置換區段煤柱技術探析

文/陳西東 石龍飛

薄煤層寬巷掘進矸石置換區段煤柱技術探析

文/陳西東 石龍飛

近年來，煤炭企業根據自身的特點推行了 “矸石充填”“綠色開采”等一系列工作措施，提高了煤炭資源回收率，改善了社會環境。山東八一煤電化有限公司根據國家安全生產意見精神，結合礦井自身工作實際情況，在薄煤層掘進實施了寬巷掘進、矸石回填技術，使用掘進出矸置換區段煤柱，降低了煤層自然發火威脅，提高了煤炭回收率，取得了較好的社會和經濟效益。

一、礦井概況

八一公司始建于 1958年 8月，原為全水力化采煤礦井，設計生產能力為30萬噸/年，因多年的開采，煤炭資源已近枯竭。近些年來為了最大限度回收煤炭資源，穩定礦區職工隊伍，礦井由水采改為旱采。目前主要進行14、16薄煤層的開采和第3層煤復采。第十四層煤為礦井主采煤層，煤層平均厚度1.2m，煤層頂板為泥巖，平均厚3m，底板為泥巖，平均厚度8m左右。第十六層煤屬結構簡單的不穩定煤層，平均厚度0.8m。頂板為第十層灰巖，厚度5.5m，堅硬不易冒落，其底板為粘土巖，硬度較大，平均厚度2m。

二、矸石置換區段煤柱工藝方法

八一公司十四、十六層煤為薄煤層，回采工作面巷道為半煤巖巷道，高度為2.2～2.4m，寬度2.4～2.6 m，采用炮掘工藝，機械扒裝。原煤矸分打分裝，矸石運出工作面，提升上井。為了實現矸石置換巷道煤柱，八一公司在薄煤層工作面按照正常生產要求掘進巷道斷面的基礎上，再在巷道兩側沿煤層各掘出深度2～4m的煤層空間，巷道掘進采取分掘分裝的方式，兩幫預掘出的煤體空間用巷道底部矸石進行充填，沿充填帶每米支設一根立柱，掛上擋矸簾。根據現場實際，必要時對充填的矸石帶進行注漿，使其與煤層的頂板和底板接觸嚴實，在對巷道上（下）幫掘出面積進行支撐的同時，隔離了采空區。該方法充分利用巷道兩側采出的煤體作為充填空間，實行煤矸置換。較適用于石灰巖、砂巖等頂板，可在有效控制巷道圍巖變形的條件下，實現矸石置換煤炭，降低巷道掘進成本。

按照工作面煤柱置換充填情況，可分為區段煤柱完全置換充填和部分煤柱置換充填兩種方式。

1．完全煤柱置換充填

根據煤層厚度和掘進巷道斷面之間的關系，合理計算出工作面煤柱尺寸，通過對工作面順槽上下幫煤柱置換充填，實現煤柱完全置換。如圖1所示。

圖1

十六層煤厚度0.8m，掘進巷道高度為2.0m，寬度為2.4m，若實現煤柱完全充填置換，計算上巖石破碎后的碎漲系數，則需向巷道一幫煤層掘進約4.0m的充填空間。

該方案適合堅硬不易冒落頂板及巷道壓力較小的情況下。其優點是能夠實現區段間煤柱的完全置換，煤炭資源回收率高；采空區不留設煤柱，不易引起采空區自燃發火。缺點為矸石起到支撐作用前，頂板已有一定程度的下沉，頂板較難管理；巷道容易產生漏風；充填空間較深，矸石充填難度較大。

2．部分煤柱置換充填

根據煤層厚度和掘進巷道斷面關系，計算上下工作面煤柱尺寸，使掘進巷道矸石置換后，兩工作面之間仍留設一定的區段煤柱（一般為2～3m），實現部分煤柱置換。如圖2所示。

圖2

十四煤層厚度1.2米，掘進巷道高度為2.0m，寬2.4m，采用錨網噴支護。若實現部分煤柱充填置換，計算上巖石破碎后的碎漲系數，則需向巷道一幫煤層掘進約2.0m的充填空間。

該方案適宜煤層頂板較完整及巷道壓力一般的情況下。優點在于能夠實現區段煤柱的完全置換或部分置換，煤炭資源回收率較高；巷道充填一側留設一定寬度的煤柱（一般為2～3m），相比較而言頂板較易管理；矸石充填深度較淺，充填操作較為簡單。但是，需要在采空區留設一定尺寸的煤柱，且煤層容易引起自然發火。

3.矸石充填的方法步驟

（1）根據煤層賦存情況及采用的矸石置換法，合理計算出采區區段之間的煤柱尺寸。

（2）按照設計斷面正常掘進巷道，半煤巖巷道實施分打分裝，先掘進頂部煤層部分。再掘進巷道一側（不采煤一側）矸石充填空間，采用戴帽點柱對充填空間進行臨時支護，點柱間排距均為1m。

（3）對半煤巖巷道底部矸石爆破后鏟車裝運或人力裝運到矸石充填空間，確保填充矸石和頂板接觸嚴實，并掛好擋矸簾，按照正常支護要求對掘進巷道進行支護管理。如圖3所示。

圖3

（4）在矸石充填空間上部每隔5m預留設注漿管路，對矸石充填帶進行注漿固化處理，提高矸石帶支撐能力。

三、安全技術措施

1．在掘進巷道開門點10m范圍內加強三岔門管理，防止因頂板懸露面積過大造成冒頂，一般不進行矸石充填處理。

2．掘進迎頭及矸石充填空間由于空頂面積較大，掘進后要及時進行支護，矸石充填空間采用戴帽點柱（必要時加托板梁）臨時支護。

3．實施煤柱置換充填后，由于巷道圍巖頂板已有一定程度的下沉，部分圍巖受到破壞，因此掘進巷道要及時支護，增加支護強度。

4．頂板松軟掘進巷道實施矸石置換充填后，由于頂板下沉破碎，采用錨噴或錨網噴支護困難時，可考慮增設鋼棚支護。

5．采用區段煤柱矸石置換后，巷道周邊空隙大，漏風較多，因此回填空間一定要填實充滿，并及時注漿處理，注漿拖后迎頭不大于15m，減少向采空區漏風。

6．加強安全監測監控系統管理，發現局部漏風、瓦斯積聚、CO超限和巷道高溫點等問題要及時進行處理。

7．對采區安全煤柱、隔水煤柱等要嚴格按照規定留設，嚴禁破壞。

四、社會及經濟效益

實施矸石置換區段煤柱技術是響應國家“節能減排，綠色開采”號召的積極舉措，是實施礦井矸石零排放的重要措施，對于提高礦井資源回收，減少矸石排放具有積極的意義。八一公司實施掘進巷道矸石置換區段煤柱在增加原煤產量的同時，減少了采區矸石排放量和運輸環節。一年掘進半煤巖巷道2000m，置換煤炭8000多噸，增收320余萬元，其綜合經濟效益較為可觀。因此，矸石置換煤柱技術的成功實施對中小型礦井薄煤層的安全開采具有一定借鑒作用。

（作者單位：山東八一煤電化有限公司）

（責任編輯：周瓊）