仰斜填充采煤工藝在18406工作面上的應用研究

譚文慧

（山西西山煤電股份有限公司西曲礦，山西 太原 030200）

0 引言

在煤礦開采時使用的固體充填采煤技術就是將掘進過程中的矸石、黃土、粉煤灰等通過綜合機械化設備充填到采空區內，防止地表發生下沉與塌陷。針對不同的地質條件與生產要求，研究人員對固體充填采煤技術進行了進一步研究與分析。文獻1提到的“條采留巷充填法”采煤技術研究，給出了條帶開采時巷道采留寬、巷道旁的充填寬度與充填率的計算原則[1]；文獻2提到的“采-充-留”協調開采技術，則需要針對中厚傾斜煤層的地質條件，對地表形變量與控制機理進行研究[2]。結合已有的研究成果，考慮西曲煤礦的實際情況，解決突出的壓煤問題，將能有效緩解“三下”壓煤占比高、矸石排放量大、堆放困難等問題，實現降本增效，提高企業生產效率。

1 地質概況

西曲煤礦于二十世紀八十年代投入使用，目前的首采工作面是18406工作面，該工作面走向長640 m，傾斜長66 m，傾斜角度11°，煤層厚度與采高均為2.2 m，老頂為灰色細砂巖，厚度17.5 m；直接頂為灰色條帶狀中、細砂巖，厚度3.7～6.0 m；直接底為深灰色泥巖，厚度0.4～1.4 m，老底為灰色條帶狀細砂巖,厚度5.2 m。在工作面掘進過程中，會出現某些區域俯采仰充的場景，此時進行固體充填時矸石會發生側涌，從夯實擋板上方向工作面滑動，矸石堆積高度無法到達多孔底輸送機下沿，固體填充效果差，無法達到設計預期，故對西曲煤礦固體充填工藝進行優化研究。

2 充填工藝分析

2.1 采煤工藝

在18406工作面掘進初期采用俯采仰充的開采方式，因無法滿足生產要求，引進了仰斜充填開采方式，如圖1所示。將采煤設備順著煤層方向掘進，除煤塊以外的固體材料會順著傾斜角方向滑落，然后由夯實機進一步壓實，適應工作面環境，填充效果明顯改善[3]。但這種方式仍舊存在一些問題：①頂板巖層因拉力作用會產生裂隙與破碎；②頂板與支架在重力作用下存在向采空區滑動趨勢，給頂板維護與支架移動帶來一定困難；③采煤機機體轉動過程中出現的側翻可能也需要考慮在內。

針對頂板巖層拉力作用產生裂隙與碎片的問題，頂板巖層應力達到極值以后，容易發生漏頂、冒頂與煤壁片幫等情況，故在頂板形變嚴重區域可壓注馬麗散，對頂板及煤壁進行強化加固。

針對頂板維護與支架移動困難的問題，通過減少單次位移量、增加移動頻次的方法，搭配大拉力推移千斤頂，并保證支架仰角與運輸機溜槽角度相同。同時，還在支架底座加放墊道木，保證支架移動過程中的仰角不變，用單體支柱與進行移架，可進一步保證頂梁與底座的移動量無偏差。

針對采煤機機體轉動過程中可能出現的側翻情況，通過調整運輸機與煤機角度的方式，保證運輸機傾斜角與煤層角度無偏差，采煤機底座均勻受力。使用支架伸縮梁千斤頂，減小運輸機溜槽的仰傾角，確保滾筒割煤順利。

圖1 仰斜填充采煤工藝

2.2 充填工藝

為了提升充填效率，優化充填工藝，采用將原有的逐孔卸料方式，改為同時打開卸料孔，同時減小夯實力度，控制夯實機的壓強在1.5 MPa附近，其余充填工藝保持不變。具體方法描述如下：

工作面進行填充時，首先將刮板輸送機移直，并將多孔底卸式輸送機移動到支架的后頂梁后側。從多孔底卸式輸送機的機尾向機頭方向充填物料，將卸料口全部開啟，由機尾第一架的位置開始充填操作。在卸料過程中，一旦卸料高度達到夯實頭的三分之二處，夯實機的千斤頂便會開始向夯實板作用，將卸下的物料夯實，夯實動作循環2～3次后停止。當工作面完成充填，多孔底卸式輸送機將會移動一個步距，移動到支架的后頂梁前側，由多孔底卸式輸送機將矸石運送到支架上部，待其接頂后進行夯實，并將卸料孔關閉。至此，第一輪充填完成，將多孔底卸式輸送機移動一個步距，開始第二輪充填，直至工作面全部完成。

圖2 沿空留巷支護工藝斷面圖

2.3 沿空留巷工藝

工作面軌道順槽采用沿空留巷的巷旁支護方式，工作面采用人工砌筑矸石帶的巷旁支護方式。

進行煤炭開采固體充填時，矸石被夯實在采空區域，此時會在頂板上產生裂隙帶與下沉帶，充填物體承擔了較多的壓力，巷道兩側的支護體僅提供很小的一部分垂直支撐力[4，5]。但為了增加矸石支撐能力，可以將矸石做壓實處理，故在支架后側放置夯實機，將采空區內的矸石進行夯實，壓強達2 MPa。夯實機發力過程中會對矸石作用側向壓力，這部分側向壓力最終傳導在了砌筑的矸石帶上，容易引發矸石帶垮塌。所以矸石帶的主要作用是提供抵抗側向壓力的能力，而不是提供垂直的切頂力。

圖2為沿空留巷支護工藝斷面圖。工作面軌道順槽寬度為3.4 m，高度2.4 m，巷道支護方式選用錨網梁聯合支護，巷旁支護方式選用錨帶與矸石墻結合的形式。工作面留巷寬度為3.7 m，高度2.4 m。

1）工作面軌道順槽支護。工作面軌道順槽支護需要提前按要求布放錨索與槽鋼，并且在矸石墻壘砌之前需要對軌道順槽進行臨時支護，臨時支護方案如圖3所示，主要使用單體液壓支柱托鉸接頂梁或鋼梁進行支護作業[6]。

如果巷道頂板破碎，為保證沿空留巷施工時的安全，提前頂板破碎處起始位置7～8 m的位置開始鋪網，鋪網需覆蓋靠近巷道的3個支架上方的頂板，即鋪網不能小于4.5 m的寬度。

2）矸石墻加固支護。矸石墻設定寬度為3 m，步距0.6 m，墻體為梯形，接底接頂。在進行矸石墻壘砌前，需要提前鋪設金屬網。壘砌矸石墻步距為600 mm，梯形坡度，墻寬度3.0 m，接頂接底。砌墻時先鋪設金屬網，金屬網要求覆蓋因矸石墻向采空區偏移300 mm而裸露的頂板。

圖3 工作面順槽沿空留巷臨時支護

3 開采效果分析

將充填工藝優化方法應用在18406工作面，并進行指標分析，可檢驗開采實用效果。具體如下：

3.1 充實率

通過頂板下沉數據，可以推算出充實率。頂板下沉根據不同的距離范圍，可分為：快速沉降、緩慢沉降、相對穩定、長期流變4個階段。對工作面進行為期45 d的監測，時間從2021年5月中旬開始，記錄頂板下沉情況。最終得到，采空區的提前下沉距離為0.238 m，充填之后頂板下沉距離為0.220 m，累計下沉距離為0.458 m，進一步可計算出充實率為79%。

可見，在適當降低充實率的情況下，踩空區下沉量可控，可達到對地表建筑物的保護目的。

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3.2 采充質量比

為了保證充填矸石的效果良好，西曲礦引進了物料輸送和計量系統、膠帶輸送機集控系統，借助這2個系統可實現矸石量化統計，得到更加準確的數據。試驗期間，工作面共計回收煤炭16.4萬t，充填矸石21.1萬t，計算可得出采充質量比為1∶1.29，完成企業利潤6 600余萬元。

3.3 充填體應力與彈性模量

對工作面的填充體應力進行統計，同樣有助于實用效果分析。選擇在距離切眼245 m位置的中部位置加裝應力傳感器，計算監測期間的充填體應力變化，隨著推進距離的增加，充填體應力逐步增加，并穩定在2.8 MPa左右。與充填體應力對應的還有彈性模量的數據，數據記錄如圖4所示。

圖4 充填體應力與彈性模量監測數據統計圖

0～9.5 m的推進距離，稱為初始增長階段。該階段的特征為剛充填體比較松散，充填物體間縫隙比較大，當充填體受力壓縮，縫隙明顯減小，其彈性模量值快速增加到20.9 MPa。但充填體應力變化幅度比較小，增幅不明顯；

9.5～69 m的推進距離，稱為快速增長階段。該階段的特征為充填體繼續受力壓縮，但彈性模量增速減緩，充填體應力出現較大增幅，從0.27 MPa增大到2.48 MPa；

69～133 m的推進距離，稱為緩慢增長階段。該階段的特征為充填體逐步密實，彈性模量與充填體應力均無較大變化；

133～155 m的推進距離，稱為穩定階段。該階段的特征為充填體處在蠕動形變的狀態，彈性模量與充填體應力值比較穩定。

4 地表變形分析

對礦井工作面進行效果分析之后，還在西曲礦地表建立監測點，對工作面采動之后的地表運移變化情況進行統計，得到表1與圖5數據。

表1 地表形變預測量與監測數據統計

圖5 地表下沉對比曲線

圖6所示為充填作業面與同類型地質條件下非充填作業面超前支撐壓力曲線對比圖，可以看出，不論是支撐壓力的影響區域還是壓力峰值，充填回采作業面均明顯低于非充填回采作業面，其中支撐壓力峰值僅為非充填回采時的20%左右。同時，現場實測還顯示充填回采的巷道變形情況也優于非充填回采，前者最大變形量僅為后者的30%。

圖6 工作而超前支承壓力曲線對比

5 結論

通過對西曲煤礦固體充填工藝的研究與應用效果分析，結合18406工作面實際情況，提升開采充填效率，優化支護方案，改善地表下沉量與水平行變量，提升直接的經濟效益，經濟實用，具有一定推廣借鑒價值。結論如下：

1）針對18406工作面的地質情況，充分考慮到仰斜充填開采方式，對充填工藝、沿空留巷工藝進行研究，設計了沿空留巷支護與矸石墻臨時支護措施，有效改善液壓支架穩定性、采煤機穩定性與裝煤率。

2）通過工作面與地表監測數據對實用效果進行分析，使用固體充填采煤工藝后地表下沉由Ⅱ級破壞變為輕微下沉，共回收煤炭資源16.4萬t，充填矸石21.1萬t，在監測期間，最大下沉量為390 mm，最大水平變形量為0.46 mm，創造企業收益6 600余萬元。