官地礦充填垮落協同開采技術方案優化研究

畢 俊 剛

（西山煤電集團設計院（有限公司），山西 太原030052）

0 引 言

煤炭資源作為我國最主要的化石能源，在推進我國經濟發展過程中起到了至關重要的作用，但長期以來，為追求煤炭開采的經濟效益，大多礦井采用垮落法進行開采，垮落法采出后容易引發地表沉陷，進而導致地表建筑物破壞[1]。垮落法難以解決“三下”采煤問題，因此，提出了充填采煤法，將煤矸石、膏體等充填材料充填至采空區，既解決了煤矸石的回收利用，又保證了工作面的安全穩定及地面沉陷問題[2,3]。

官地礦位于自然環境保護區內，選煤廠排出的矸石首先需要轉運到達矸石堆場，現有矸石場儲存能力不足，且治理費用過大，因此，本文針對官地礦旨在研究一種充填垮落協同開采方法，進而解決官地礦的矸石處理問題，并保證環境的穩定。

1 工程概況

官地礦位于太原市西南郊區，現開采煤層為2、3、6、8 和9 號。2#、3#、6#煤層采用一次采全高的綜采工藝，8#、9#煤層聯合開采采用放頂煤回采工藝。36408 工作面井下位于北四新區北翼，緊鄰36406 首采面，工作面深約400～500m，工作面長度為200m，推進長度為910m，平均煤厚約2.8m，平均傾角約6°（俯采），可采儲量47 萬t，瓦斯含量3.52m3/t。其具體位置如圖1 所示。官地礦矸石產量較大，據統計2014-2019 年，6 年時間里累計產出矸石720 萬t，年平均治理矸石費用達到3 038.74 萬元，如表1 所示。現針對36408 工作面進行充填垮落協同開采技術方案研究。

圖1 工作面布置平面圖

表1 近六年矸石量及煤炭產量和治理費用情況

2 充填垮落協同開采充填率

充填垮落協同開采不同于傳統的充填和垮落開采，覆巖移動也不簡單是充填段與垮落段覆巖移動的疊加，而是相互影響，存在一個過渡區域，如圖2 所示。協同綜采根據不同充填目標，分為極高充填率、高充填率與地充填率3 種狀態。

1）極高充填率：充填部分達到密實狀態，充填量大，使用夯實設備多次循環夯實，對覆巖形成支撐狀態，控制性好，但工藝復雜，效率較低。

2）高充填率：此種狀態不過分夯實，只使充填料接頂即可，簡化了充填工藝，效率較好。

3）低充填率：充填區域采用自然落料充填，不使用夯實設備，無法接頂，工藝簡單，但充填率低，難以達到要求。

目前，針對官地礦矸石產量大，處理費用高等問題，旨在井下形成TDS 煤矸分選-矸石就地充填綠色循環系統，選取最優充填方案。

圖2 36408 工作面充填垮落系統開采示意圖

3 充填采煤技術方案優選研究

3.1 充填采煤方案設計

官地礦井下矸石智能干選系統的處理能力為50～60 萬t/a，需要將此部分矸石全部進行井下充填。根據官地礦工作面具體條件，提出了3 種開采方案：充填垮落協同開采（不夯實）（方案一），充填垮落協同開采（夯實）（方案二），全斷面全部充填方案（方案三），同時設計了各方案的設備配套方案，并進行了詳細比較。

3.1.1 充填垮落協同開采（不夯實）

工作面由充填段、過渡段和垮落段構成，在充填段采用充填液壓支架配合多孔底卸式輸送機進行矸石回填，充填段僅落料不充填；而在工作面過渡段和垮落段采用傳統綜采，垮落法管理頂板。

根據充填需求，需要保證36408 工作面矸石的年處理能力大于等于井下矸石智能干選系統的處理能力（50～60 萬t/a）。參考官地礦36406 工作面規程可知，6#煤層平均厚度2.49m，但僅為局部煤層較薄，大部分區域煤層均達到2.6m，并根據地質資料及實際回采情況，將36408 工作面采高設置為2.8m。

工作面矸石處理能力計算：

式中：Mg為工作面年處理矸石量，t/a；vy為工作面年推進距離，m/a（vy=330nd，n 為每天進刀次數，取8～10 刀；d為循環步距，取0.6m）；Lbf為工作面充填段長度，m；ηc為松散矸石密度，t/m3（ηc=η/k，k為碎漲系數，充填條件下取1.5，密實充填條件下取1.2；η 為矸石密度，取2.5kg/m3）；Hbf為可充填高度，m（Hbf=H—ht—hd=2.1m，式中：ht為頂板提前下沉量，取0mm；hd為未充填高度，頂梁與輸送機厚度之和，取0.7m）。

由上述公式變形得到：

由公式（2）可以繪制下圖3，矸石年處理量與充填段長度之間的變化關系：

圖3 矸石年處理量與充填段長度之間的變化關系

根據充填段的矸石處理能力應大于井下矸石智能干選系統的矸石處理能力（50～60 萬t/a），工作面日進為8～10 刀，得出了充填段最小長度隨井下矸石智能干選系統矸石處理能力的變化關系。考慮到充填段工作面長度應該小于120m，官地礦正在開采的36406 工作面日進刀為8 刀，以及充填段的矸石處理能力應該大于井下矸石智能干選系統的最大矸石處理能力（60 萬t），設計36408 工作面日進8 刀且充填段長度應大于108.2m，同時考慮到充填段長度應為充填支架寬度的整數倍，且應設置一定的矸石處理富余能力，36408 工作面充填段長度最終設計為120m；根據充填經驗，過渡段長度一般取4～10m，設計過渡段長度為6m，可布置4 個充填液壓支架；工作面總長度為200m，因此垮落段長度設計為74m。

3.1.2 充填垮落協同開采（夯實）

此方案工作面由局部密實充填段、過渡段和非充填段構成，在充填段采用充填液壓支架配合多孔底卸式輸送機進行矸石密實充填，利用密實充填體管理頂板；而在工作面非充填段用傳統綜采，垮落法管理頂板。

工作面分密實充填段、過渡段和垮落段，由于密實充填，頂板提前下沉量得到有效控制，則36408 工作面充填段長度的計算結果為：

可以由公式繪制下圖4，矸石年處理量與充填段長度之間的變化關系：

圖4 矸石年處理量與充填段長度之間的變化關系

考慮到充填段工作面長度應該小于120m，官地礦正在開采的36406 工作面日進刀為8 刀，以及充填段的矸石處理能力應該大于井下矸石智能干選系統的最大矸石處理能力（60 萬t），設計36408 工作面日進8 刀且充填段長度應大于86.58m，同時考慮到充填段長度應為充填支架寬度的整數倍，且應設置一定的矸石處理富余能力，36408 工作面充填段長度最終設計為90m；根據充填經驗，過渡段長度一般取4～10m，設計過渡段長度為6m，可布置4 個充填液壓支架；工作面總長度為200m，因此垮落段長度設計為104m。

3.1.3 全斷面全部重填開采

36408 工作面若采用全部密實充填方案，則工作面需要進行夯實作業，其工作面所需長度與方案二充填垮落協同（不夯實）方案的充填段長度相同，即工作面長度為90m。

3.2 充填開采方案效率對比

充填開采工作面的效率包括采煤效率和充填效率2 種，其中采煤效率可以用工作面單日采煤量表示，充填效率可以用單日充填量表示。對于官地礦36408 工作面而言，其充填的主要目的是處理井下智能煤矸分選系統分選出的矸石，工作面的長度、充填段的長度是根據矸石處理量進行設計的，因此全斷面全部充填、充填協同垮落（夯實）、充填協同垮落（不夯實）3 種充填方案其充填效率相同，區別在于其采煤效率。官地礦36408 工作面單日采煤量計算公式如式：

式中：L為工作面長度，m；n為日進刀數量；d為循環步距，m；H為工作面采高，m；γ為煤的容重，1.39t/m3；C為工作面采出率，0.95。

根據充填經驗，方案一雖然工作面長度較大（200m），但無需夯實作業，單日進刀可達10 刀；方案二由于工作面長度較大（200m），其單日進刀可達8刀；方案三由于工作面長度較短（90m），日進刀數最大，可達12 刀。

因此，通過計算可知3 種充填開采方案的采煤效率分別為：方案一充填協同垮落（不夯實）單日采煤量為200×10×0.6×2.8×1.39×0.95=4 437t，方案二充填協同垮落（夯實）單日采煤量為200×8×0.6×2.8×1.39×0.95=3 550t，方案三全斷面全部充填方案單日采煤量為90×12×0.6×2.8×1.39×0.95=2 396t，可見方案一和方案二的采煤效率分別為方案三的1.85 倍和1.48 倍。

3.3 充填開采方案確定

由官地礦36408 工作面開采條件可知，36408 工作面存在俯采仰充的情況，為了保證在充填條件較差時工作面的矸石處理能力滿足要求，應選擇帶有夯實機構的充填液壓支架；同時為了提高工作面的推進速度，提高采煤效率，應該不進行夯實作業；綜上，方案一充填協同垮落（不夯實）方案最合適，且充填液壓支架應配備夯實機構。

方案一設備配套應選擇ZC-5200/17/35（帶夯實機構）和ZC-5200/20/40（帶夯實機構）2 個設備配套方案最為合適。考慮到官地礦北四新區煤層厚度變化及充填支架調配至集團其他礦井后的煤層高度適應性，應該優選ZC-5200/20/40（帶夯實機構）的充填液壓支架，具體參數如表2 所示。

表2 ZC-5200/20/40（無夯實機構）充填液壓支架主要技術參數

4 36408 工作面生產能力設計

按照礦井生產接替要求，工作面日進刀8 刀，循環步距0.6m，按照年采煤330 天計算，結合工作面實際生產情況，充填協同垮落（不夯實）工作面生產能力：

式中：A1為采煤工作面平均生產能力，萬t/a；L為工作面長度，200m；T為工作面平均年推進度，1584m；H為煤層開采高度，2.8m；γ為煤的容重，1.39t/m3；C為工作面采出率，0.95。

根據實際采礦地質條件，將相關參數帶入式，得到充填協同垮落（不夯實）工作面設計生產能力為117.1 萬t/a。

5 結束語

針對官地礦36408 工作面充填垮落協同開采方案進行優選研究：

1）闡述了充填協同開采的理論依據，可以分為極高充填率、高充填率與地充填率3 種狀態；

2）針對36408 工作面的具體條件，提出了3 種開采方案：充填垮落協同開采（不夯實）、充填垮落協同開采（夯實）、全斷面全部充填方案，通過對比分析，最終選定方案一單日采煤量為4437t，配備了ZC-5200/20/40（帶夯實機構）的充填液壓支架；

3）36408 工作面設計生產能力為117.1 萬t/a。