松峪煤業綜采工作面矸石巷式充填回采方法

張富成

（晉能控股集團晉圣松峪煤業有限公司，山西 晉城 048000）

我國井工煤礦開采過程中，不可避免產生大量矸石，占用大量地表場地的同時，長期堆放過程中還會污染空氣及地下水資源、引發矸石堆自燃等一系列問題[1-3]。有效解決矸石堆放問題，提出適宜的井下矸石充填回采技術，對于消除矸石隱患及保障工作面安全回采至關重要[4-6]。在這方面研究中，趙春陽針對東興礦充填開采需要，在對比分析不同充填工藝的基礎上，優選巷式充填作為主要充填開采工藝，并給出了該工藝應用條件下的充填巷道布置、支護方法及其充填工藝，實踐驗證了巷式充填的可靠性[7]；王延潤等針對大恒煤礦開采過程中矸石升井后帶來的一系列成本問題，提出采用井下廢棄巷道作為充填巷道的巷式充填工藝，有效解決了井下矸石處理問題，給礦山帶了顯著的經濟效益[8]；郭洋琳針對雄山五礦“三下”壓煤量巨大、綜合效益低等問題，提出了綜采工作面矸石充填及密閉擋墻支護技術，并在現場進行了試驗[9]。綜合文獻分析，工作面回采采用井下矸石充填回采技術可以有效解決矸石堆存帶來的風險隱患。以松峪煤業綜采工作面為工程背景，通過井下矸石充填方法優選，給出了井下矸石巷式充填方法及其巷道支護方法，并進行了工程實踐，可實現礦山安全綠色開采。

1 礦山概況

松峪煤業主采15 號煤層，煤層厚1.67～3.11 m，平均2.63 m，傾角3°～8°，屬賦煤區穩定大部可采煤層。該煤層中東部厚度較大，由中部向南北逐漸變薄，頂板為石灰巖，底板為泥巖。目前，該礦使用的矸石場已達到其服務年限，重新選擇矸石排放場地征地困難，手續繁瑣。同時，如果井下采出的矸石長期存放于地表將產生大量粉塵，造成空氣污染；長期堆積而發生的風化作用會形成部分可溶鹽及部分重金屬，污染土地及水資源；井下矸石排放至矸石處理場后，還會因氧化升溫出現矸石堆自燃問題，不利于矸石存放場地的安全。

松峪煤業采用煤矸石進行充填回采，可有效提高煤炭資源回采率，減少矸石堆放場所的占用面積，具有良好的經濟和社會效益。為此，開展松峪煤業綜采工作面矸石充填回采方法研究，以消除矸石堆放造成的環境及自燃危害問題。

2 松峪煤業矸石井下充填方法優選

2.1 煤矸石固體綜采充填

該充填工藝主要是將地面存放的煤矸石進行適當破碎后，再輸送至井下作業面，對井下的采空區實施大規模充填作業。其特點是井下需要的破碎矸石量較大，實施充填作業過程中還需要專門的支架及矸石運送設備，導致充填作業前期需要投入大量資金，同時系統建設周期也比較長。煤礦的當務之急是減少矸石排放量，該礦的矸石主要為三采區開拓大巷過斷層過程中所產生，正常生產時年產2 萬t 煤矸石，遠不能滿足綜采工作面充填需要，矸石量供應不足。因此，松峪煤業目前不適合采用煤矸石膏體綜采充填處理煤矸石。

2.2 膏體充填

該充填工藝需要在地表建立專門的充填站，在井下布設專用的充填管路，將充填料漿通過管路泵送至充填區域。該工藝優點是膏體充填料漿強度高，需要的矸石量小，可以有效控制地表沉陷的發展；缺點是充填前期準備時間長，充填成本高，當充填料漿沒有達到強度要求時，不允許進行回采作業，大大降低了充填效率以及工作面生產能力，不是最優的充填方案。

2.3 巷式充填

該工藝特點是矸石不出井，在井下利用專業的矸石填充設備將矸石拋入已采巷道內，操作流程簡單，井下產生的矸石不需要運至地表，減少了矸石占用場地。巷式充填需要的矸石量適中，充填成本較低，建設時間短，能夠快速地實施井下充填作業，充填與工作面回采兩者互不干擾，充填效率高。巷式充填年處理矸石能力相對其他工藝較小，但完全能達到年處理矸石2 萬t 要求，實現矸石不上井，并且處理矸石靈活，無需擔心矸石不足的問題。

從以上分析可以看出，針對松裕煤業井下三角礦柱的回收，在以上三種充填方式中，以巷式充填優勢最為明顯，在提高矸石利用率的同時，也滿足井下工作面回采與礦柱回采要求。最終，確定松裕煤業井下三角礦柱采用巷式充填方法回采。

3 井下矸石巷式充填方法

3.1 矸石充填區域巷道布置方法

1）充填巷煤柱寬度確定

15 號煤充填區域分為兩部分，充填Ⅰ區域位于遠離151301 回采工作面的三角煤柱，將此區域作為充填開采區域，可以有效回收三角煤柱資源；充填Ⅱ區域位于西翼軌道大巷南側，礦井工業場地北側區域三角煤區作為充填開采區域。結合該礦目前布置的掘進機性能和井下15 號煤層巷道支護難易程度，選取充填寬度為4 m，不超過充填區域蓋山厚度（90～150 m）的1/4，能確保地面附著物安全。

在矸石將巷道充填后，為保證隔離煤柱的穩定，應使兩側巷道產生的塑性區不產生交疊，即存在一定的彈性區。根據彈塑性力學理論，巷道塑性區半徑的計算公式為：

式中：γ頂為覆巖容重，27 kN/m3；R為塑性區半徑，m；Z為巷道埋深，150 m；φ為內摩擦角，42°；C為黏結強度，3.9 kN/m2；H為巷道高度，2.8 m；a為巷道寬度，4.0 m。

經計算分析，巷道塑性區半徑為2.98 m。隔離煤柱彈性區寬度d取1 m，巷道區半徑r=2 m，隔離煤柱寬度b=（R-r/2）×2+d≈5.0 m。為保證巷道充填開采時巷道支護安全，結合礦井矸石充填區域及充填量實際情況（本礦矸石充填量不大且充填區域完全可以滿足充填開采需要），確定充填巷道之間隔離煤柱取7 m。在實際施工過程中，考慮地表建筑物重要程度及圍巖完整程度等情況，隔離煤柱可適當加寬。

2）矸石充填順序

考慮到二次和三次掘巷需要，確定兩條相鄰巷道掘進時隔離煤柱寬度為46 m。首先開掘第一條4 m 寬巷道（圖1a），間隔40 m 煤柱開掘第二條巷道，同時充填第一條巷道（圖1b）；隨后與第一條巷道相隔40 m 煤柱開掘第三條巷道，同時充填第二條巷道（圖1c）；當第一、第二條巷充填完畢后，在40 m 煤柱中間再掘巷，即兩巷之間留18 m 煤柱，并充填第三條巷道（圖1d）；依此類推，在實體煤或兩邊充填巷充填完后，再在中間掘進巷道（圖1e）；最后在18 m 煤柱中間再掘巷道，此時充填巷道與隔離煤柱寬度分別為4 m 和7 m（圖1f）。其他巷道充填工序依上述操作依次循環進行。掘巷充填順序如圖1。

圖1 掘巷充填順序圖（m）

3.2 矸石充填工藝

根據礦方實際情況，15 號煤層開采所產生的矸石主要為采掘工作面過斷層和陷落柱等構造時所產生的矸石，每年約2 萬t。充填矸石卸載至軌道大巷與膠帶大巷之間的充填加工巷進行處理，將大塊矸石破碎成≤100 mm 小塊，進入軌道大巷，按照矸石→礦車→軌道大巷→充填加工巷→加工后的矸石由礦車運送至充填巷→充填面充填流程進行作業。巷道充填時采用拋矸機進行矸石充填作業。充填工作面布置情況如圖2。

圖2 充填工作面布置圖（mm）

為進一步提高充填矸石的密實度和支撐效果，可根據實際情況向矸石充填體內注入漿液和每隔20 m 增設巷道擋墻等措施，保證矸石充實程度和充填質量。巷道擋墻采用建筑用磚來砌筑，閉墻總厚度為2.5 m，閉墻應預埋放水管、構筑反水池。15 號煤層工作面充填情況見圖3。

圖3 工作面充填平面布置圖

充填開采采用巷道式充填開采方式，在作業時要保證局部通風機供風穩定可靠，供風量和風速均可滿足工作面排瓦斯及作業需要。加強工作面粉塵作業管理，充填作業人員要配備防塵裝備，工作面采用濕式作業方式。

4 充填工作面巷道支護方法

15 號煤層新掘充填巷道毛寬4.0 m，毛高2.8 m，斷面積11.2 m2，巷道沿2 號煤層頂板布置。充填巷掘進施工采用綜掘的方式，掘進機后部搭接皮帶、刮板輸送機將煤炭運出。針對充填巷道研究提出采用“錨桿+錨索+金屬網”聯合支護，頂錨桿為Φ20 mm×2000 mm 的螺紋鋼錨桿，每排打設3根錨桿，間排距為1500 mm×1500 mm，邊部錨桿與頂板夾角為10°；幫錨桿為Φ20 mm×2000 mm的螺紋鋼錨桿，每排布置4 根錨桿，間排距為800 mm×1500 mm，頂端錨桿與巷幫夾角為10°；頂錨索采用Φ17.8 mm×7300 mm預應力鋼鉸線錨索，每排布置2 根，間排距為1.8 m×3.0 m，垂直巷道頂板打設。充填巷道支護斷面如圖4。

圖4 充填巷道支護參數及斷面圖（mm）

5 矸石充填效果分析

5.1 工作面支架阻力分析

151301 工作面回采時間為2020 年11 月，充填巷掘進與充填時間為2021 年10 月。由于巷式充填位置主要為遠離51301 回采工作面的三角煤柱，二者之間沒有影響。充填前后液壓支架支柱的工作阻力變化情況如圖5。矸石巷式充填前，支架工作阻力為增加-降低周期發展，最大工作阻力出現在工作150 min 時為46 MPa，說明隨著工作面推進頂板移動劇烈，對工作面產生擾動而不利于工作面安全回采。矸石巷式充填后，隨著工作面支架工作時間的增加，支架工作阻力在70～250 min 內平穩波動，最大工作阻力出現在工作250 min 時為34 MPa。在這一時期巷道頂板移動趨于穩定，受工作面回采擾動較小。與充填前相比，支架工作阻力降低26.1%，說明采取矸石巷式充填后，有效降低了頂板變形對工作面的擾動程度，充填后工作面更加穩定。

圖5 充填前后支架支柱工作阻力變化情況

5.2 充填巷道圍巖變形分析

充填前后充填巷道圍巖變形情況如圖6。充填前后，隨著與工作面距離的增加，巷道兩幫移近量整體表現為降低趨勢。值得注意的是，充填后巷道兩幫移近量降低趨勢相對更加平緩，說明采取矸石巷式充填后，巷道整體變形幅度較小。充填前巷道頂底板最大移近量為325 mm，兩幫最大移近量為289 mm；充填后巷道頂底板最大移近量為225 mm，兩幫最大移近量為185 mm。可以看出頂底板移近量降低了30.8%，兩幫移近量降低了35.9%，充填巷道穩定性得到了進一步保證。

圖6 充填巷道變形監測結果

綜合分析工作面支架阻力和充填巷道變形監測結果，實施矸石巷式充填方法，可以有效降低頂板變形對工作面回采的擾動影響，保障了巷道的穩定，提高了工作面回采的安全性，驗證了工作面矸石巷式充填的可靠性。

6 結語

1）通過對矸石井下充填方法優選，針對松裕煤業井下三角礦柱的回采，以巷式充填優勢最為明顯，在提高矸石利用率的同時，也滿足井下工作面回采與礦柱回收要求。因此確定松峪煤業采用矸石巷式充填方法。

2）理論確定充填巷煤柱寬度為5.0 m。為保證巷道充填開采時巷道支護安全，結合礦井矸石充填區域及充填量實際情況，最終確定充填巷道之間隔離煤柱取7 m。

3）研究給出了矸石充填順序及充填工藝，在此基礎上提出了充填巷道采用“錨桿+錨索+金屬網”聯合支護方法，可保障充填巷道的穩定。

4）通過現場實踐，與充填前相比，支架工作阻力降低了26.1%，有效降低了頂板變形對工作面的擾動程度，支架工作狀態良好。頂底板移近量降低了30.8%，兩幫移近量降低了35.9%，驗證了工作面矸石巷式充填方法的可靠性。