矸石充填技術在深部礦井的應用實踐

康進東

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 054000）

0 引言

煤炭資源開采是我國經濟發展的重要保障，隨著煤炭資源大規模的開采，不可避免地造成了地表大面積沉陷，給礦區周邊的生態環境帶來了嚴重破壞。同時，當礦區面臨建筑物下煤層開采問題時，若不能在煤炭資源開采的同時防止地表變形，保護地表構筑物，將給礦區人民的生命財產安全帶來嚴重的威脅，若不將煤炭資源采出，不僅浪費國家資源且縮短了礦井的服務年限。固體充填采煤法是解決上述問題的有效手段[1-2]。眾多專家學者從理論、實驗室試驗、數值仿真模擬等多方面研究了固體充填采煤技術，并在國內多個礦區實踐應用，取得良好的經濟效益。邢東礦緊鄰市區，為了保護礦區周邊環境，解放建筑物下壓煤問題，采用矸石充填采煤技術進行了采煤，但邢東礦在矸石充填采煤技術的應用過程中，仍然存在不少生產工藝以及技術上的問題。本文以邢東礦11235 工作面為例，通過合理充填材料配比，對原有的設備進行更新，促使了工作面的安全回采，提高了邢東礦11235 工作面的回采效率。

1 工程概況

邢東礦11235 工作面位于-760 水平，屬于1100 采區，主采煤層為2 號煤層，該工作面煤層厚度穩定，結構簡單，煤層平均厚度為4.6 m，工作面設計推進長度880 m，切眼長度58 m，運料巷長度1180 m，運輸巷長度1220 m，埋深在-525 ～-750 m。工作面北鄰南張村、南靠田家莊，井下位于1225 工作面以北，1200 集中運輸巷以西，F1 斷層以東，1223 工作面以南。為了保護礦區周邊環境，實現矸石零排放，矸石不升井，該工作面采用一次采全高傾斜長壁后退式采煤法[3]，對采空區用破碎矸石進行充填。11235 工作面布置示意如圖1 所示。

2 采空區矸石充填影響因素

邢東礦埋深大，地質條件復雜，原巖應力大，在煤層開采過程中采動影響強烈，巷道圍巖變形大，給礦井的安全生產帶來嚴重影響。在對工作面進行充填的過程中，工作面采空區上覆巖層的重力由充填體與四周圍巖共同承載，只有充填體的強度足夠大時，才能控制關鍵層的下沉，有效控制地表下沉[4]。由于邢東礦屬于深部礦井，對充填體的強度要求高于淺部礦井，在實際生產過程中，一方面要保證充填質量，要求有效防止頂板垮落最終導致地表沉陷；一方面要保證工作面生產效率，實現煤層開采與采空區充填的協調。

2.1 充填材料的質量

要保證采空區的充填效果，首先要保證充填材料的質量[5]。該工作面采空區充填采用矸石充填材料，影響矸石充填材料質量的因素有矸石塊體的大小、矸石的組成成分、添加劑成分等因素。在充填過程中，矸石作為充填骨料，對充填質量具有重要影響，地面矸石的主要來源是東龐礦，井下矸石的來源是井下的采掘活動，但兩者來源的矸石粒徑大、級配不均、密實度不高，充填前對矸石進行了破碎篩分，按照一定粒徑級配進行配比，再與粉煤灰進行混合充填。矸石充填材料初期沒有強度，呈松散型，為提高力學性能，需要膠結粉添加劑成分。

2.2 充填機械設備狀況

一次采全高綜合機械化設備是充填效果及充填效率的有效保障，在生產過程中要選擇合適的機械設備。據調查統計邢東礦原有充填設備在其它工作面的使用，存在搗實機構使用壽命短、搗實效率低、支架調整困難、后部矸石輸送機輸送能力小，對礦井生產力具有重要影響。針對該問題提出改進方案，液壓支架型號由ZC5160/30/50 升級為ZC5160/29/48，液壓支架后部的刮板輸送機型號由SGZ730/132 提升至SGZ800/200，輸送能力由原來的200 t/h 提高為450 t/h，滿足了該礦矸石充填工作面月產量的設計要求。改進后矸石充填液壓支架如圖2 所示。

圖2 改進后矸石充填液壓支架Fig.2 Improved hydraulic support for gangue filling

2.3 充填工藝的改進

充填工藝的選擇是現場施工工序是否流暢的重要保障，為提高生產效率，充填效果，首先需要充填和采煤作業在空間上分開，時間上平行，通過優化改進充填開采設備，將原有的先出煤后充填傳統工藝升級為回采與充填同時進行，生產操作互相不影響，實現了“邊采邊充”，改進后的充填工藝的作業工序如圖3 所示。

圖3 矸石充填作業工序Fig.3 Working procedure of gangue filling

3 矸石充填采煤方案

根據11235 工作面的地質情況，對采空區矸石充填影響因素進行分析，本著經濟實用的原則，并從原材料供應及充填成本等方面進行綜合考慮，最終確定了11235 工作面矸石充填采煤方案。

3.1 矸石充填材料配比

11235 工作面采用矸石粉煤灰混合材料作為充填料，為了得到最佳充填效果，達到控頂效果，對煤矸石、粉煤灰按不同比例混合進行試驗，經過實驗室和現場的試驗研究，確定充填材料的現場配比為矸石∶粉煤灰=1∶0.3，為解決矸石粉煤灰形成的塊體具有松散型，膠結粉添加劑成分。

3.2 矸石運輸系統

由于該礦自產的矸石產量不夠，需要從其它礦井調用，運輸系統需要包括地面矸石和井下矸石2套運輸系統，最終都匯集到-760 運矸巷，然后在統一對工作面采空區進行充填。自產矸石和地面矸石運輸方式如下。

自產矸石運輸路線為：篩分—篩分運矸聯巷—篩分矸石倉—-760 運矸巷—1100 南部采區矸石倉—1100 南部采區軌道上山—1100 南部采區集中運料巷—11235 運料巷—工作面后方地面矸石運輸路線：地面矸石倉—地下皮帶走廊—投料孔—井下緩沖倉—運矸聯巷—-760 運矸巷—1100 南部采區矸石倉—1100 南部采區軌道上山—1100 南部采區集中運料巷—11235 運料巷—工作面后方自產矸石倉總容量2050 m3，可儲存正常生產所需1.2 d 的矸石；礦外矸石是利用汽車將外來矸石拉至地面矸石站儲存，通過皮帶運輸到投料孔將矸石投放井下，經緩沖后入矸石倉存放，主要是處理東龐礦、邢臺礦矸石。

3.3 回采充填系統

依據11235 工作面工作面寬度進行液壓支架布置，工作面切眼長58 m，規格為11.5 m×3.6 m（寬×高），采用錨網梁加錨索支護。共布置40 架ZC5160/29/48D 型掩護式液壓支架，2 架ZT9400/30/50D 型端頭支架、MG500/1140WD 型采煤機及SGZ800/200 充填刮板機等設備，充填能力可達500 t/h。整套系統通過運矸皮帶將矸石輸送工作面支架后部SGZ800/200 充填刮板機，通過卸料孔將矸石卸載至采空區，然后通過搗實機構將矸石充分搗實并完全接頂，待支架后方空間全部充填滿并搗實后，再進行下一刀割煤工序，割煤與移架、推溜、充填順序進行[6]。

4 經濟效果分析

利用矸石充填技術對11235 工作面進行開采，整套充填系統運行穩定可靠，采用改進后的充填工藝，將充填效率由原有的每班1 刀煤提高至每班4刀煤，月產能力由1.8 萬t 提高至7.2 萬t，工作面生產能力大幅提升，提高了工作面回采過程中頂板的安全程度，減少了安全事故，有效的防止了由于采空區的垮落而導致的地面塌陷。充填體的強度，密實性可靠，減少了向地面排矸無地面堆積，該工作面的開采能夠有效解放“三下”壓煤量27.7 萬t。

5 結語

通過矸石充填技術在邢東礦11235 工作面的成功應用，并不斷改進充填工藝及設備更新改造，增加了生產的安全可靠性，提高了矸石的充填效果，減少煤層開采對工作面及周邊頂底板的擾動，解決了邢東礦井可采資源緊張問題，提高了資源回收率。此外，該技術有效控制地表變形，減少了地表沉陷量，保護了周邊環境，推動了礦井持續穩定發展。