建筑物下壓煤矸石散料充填研究

王江濤

（山西晉煤集團澤州天安隆東煤業有限公司，山西 晉城 048000）

晉煤集團隆東礦井田范圍內建筑物壓煤多，采用傳統的采煤方法無法有效保證地面建筑物的安全，充填開采可以保證地面建筑物安全。因此，文中對采用的充填開采技術進行研究分析，以期更好地促進礦井安全生產。

1 工程背景

該煤礦核定生產能力為120萬t/a，采用平硐-斜井開拓，地面標高為+890m～960m，生產水平為+360m。礦井現開采3號煤層，煤層厚度為2.8m。3號煤層直接頂為細砂巖，灰色，厚度為6.8m，層理發育；老頂為厚度9.6m的中砂巖，灰色，含植物化石，局部夾雜有泥巖，層理及裂隙發育；直接底為厚度4.2m細砂巖，灰黑色，具有波狀層理。礦井地面建筑物下壓覆煤炭為優質焦，且壓覆面積大，礦井剩余煤炭儲量已經不能滿足礦井后續生產需要，若放棄對建筑物下壓覆的優質煤炭進行開采，勢必會大幅降低礦井煤炭儲量及開采服務時限，影響礦井經濟效益及發展。

2 壓煤開采方法研究

2.1 壓煤開采方法確定

該礦始建于上世紀70年代，距今已有接近50年的生產歷史。礦井地面積存有大量的煤矸石，且每年從井下運輸大量的煤矸石至矸石山。

開采的3號煤層為優質焦煤，價格高。在確定充填開采方案時必須考慮到充填對煤炭生產的影響，不能因充填對礦井產能造成影響，或者將充填對礦井產能的影響降低到最低，且能夠保證地面建筑物的變形處于安全的可控范圍之內。充填開采之后，地面的建筑物變形絕大部分應控制在I級之內，少數II級，避免出現Ⅲ級，嚴禁出現Ⅳ級。

根據上述分析，煤礦井下工作面充填首選方案為工作面架后矸石散料充填。

2.2 架后散料充填材料選擇

（1）充填主體原料選擇

礦井50年開采積累大量的矸石，地面矸石不僅占用大量的土地資源，而且還污染環境，同時增加了副井運輸負荷。充填開采時采用煤矸石作為充填材料，不僅可以實現廢物二次利用，變廢為寶，而且還可以節省大量的材料費，保護環境。

（2）輔助材料（膠凝材料）選擇

方案一：粉煤灰

粉煤灰的粘結能力較強，可以作為充填輔助材料（膠凝材料）。但由于礦井自身未配套建設電廠，且礦井周邊未建設有電廠，礦井地表為山區，外購的粉煤灰需要采用卡車進行運輸，運輸成本高，粉煤灰購買及運輸折合100元/t。假定回采工作面日采煤量為2000t，充填材料中矸石及粉煤灰散料占比按照1:1，散料中粉煤灰占比為40%，則一天需要消耗的粉煤灰量為2000t×40%=800t。則每日粉煤灰購買及運輸成本達到8萬元，對于礦井生產而言是一筆不小開支，因此應尋求另外一種輔料。

方案二：水泥

拿水泥作為充填開采的輔助材料（粘結材料），不僅可以提升充填材料的強度，減少凝固時間，而且便于對充填工作進行管理。市場上普通硅酸鹽水泥價格每噸約為300元，且購買量大可以送貨上門，不存在礦井自行運輸問題。同時礦井生產出來的煤矸石內含有矸石粉末，加入水泥之后，整體的充填材料密度可以達到2000kg/m3，每立方米充填材料中按照2袋水泥（100kg）進行計算，水泥成本為30元。充填材料與煤炭置換比例按1:1進行，每日煤炭產量按照2000t（體積約為1380m3）進行計算，水泥占充填材料比重約5%，則每日的水泥消耗量為1380m3×2000kg/m3×5%=138t，每天充填開采需要的水泥成本約為138t×300=4.14萬元，約為粉煤灰成本的51.75%，不僅提升了充填材料的強度及粘結性，而且顯著降低了充填開采成本。

通過對充填輔助材料的充填效果、成本核算等分析，選用水泥作為充填輔助材料綜合效果更為明顯。

3 地表移動變形模擬

開采采高為2.8m，充填材料選用煤矸石，主要輔助材料選用水泥。綜采開采后可進行充填。具體選用的充填開采計算參數如表1所示，充填開采地表下沉等值線圖如圖1所示。

表1 充填開采計算參數表

圖1 充填開采地表下沉等值線圖

通過模擬計算得出的充填開采后地表移動變形最大值如表2所示。

表2 充填開采后地表移動變形最大值

由表2可以看出，采用充填開采后，采空區對應的地表下沉值（W）、水平移動（ε）、傾斜（i）等均在Ⅰ級損害范圍以內，地表建筑物受到極輕微/輕微損害，僅需要輕微修繕即可。

4 經濟效益及安全效益分析

4.1 經濟效益分析

礦井產量按照120萬t/a計算，回采面開采高度按照2.8m，推進速度按照2.4m（4個循環），日充填量按1475m3，年需要購買的輔助材料（膠凝材料）費用為1867.5萬元，折舊費264.66萬元，年電費56.72萬元，維護費42萬元，油耗33萬元，人工費105萬元，充填開采每年合計增加費用為1768.88萬元。

采用矸石散料充填噸煤增加成本是：

2368.88萬元/120萬t=19.74（元/t）

充填采煤產生的經濟效益：

（1）120萬t煤市場銷售產生的效益：120萬t×800元/t=96000萬元

（2）產生120萬t煤的成本：120萬t×(270+19.74)元/t=34768.8萬元

（3）充填采煤產生的經濟效益：96000-34768.8=61231.2萬元。

4.2 安全效益分析

采空區矸石和水泥輔料相結合的充填開采方法能有效防止地面沉陷，從而避免了因煤炭開采造成的建筑物開裂和搬遷；矸石不運出礦區，減少了人力勞動，減輕人員施工風險，同時一定程度上避免了煤矸石自燃的隱患；進一步改善“三下”采煤問題，增加煤炭資源回收。

5 結語

該煤礦地表無重要建筑物，煤層埋藏深度達到560m，賦存較深，賦存較為穩定，采用工作面采空區矸石和水泥輔料相結合充填開采方法，提高了充填密實度，能很好地實現預期的充填效果，達到防止地面沉陷的目的，取得良好的經濟和安全效益。