矸石充填技术在深部矿井的应用实践

康进东

（冀中能源股份有限公司 邢东矿，河北 邢台 054000）

0 引言

煤炭资源开采是我国经济发展的重要保障，随着煤炭资源大规模的开采，不可避免地造成了地表大面积沉陷，给矿区周边的生态环境带来了严重破坏。同时，当矿区面临建筑物下煤层开采问题时，若不能在煤炭资源开采的同时防止地表变形，保护地表构筑物，将给矿区人民的生命财产安全带来严重的威胁，若不将煤炭资源采出，不仅浪费国家资源且缩短了矿井的服务年限。固体充填采煤法是解决上述问题的有效手段[1-2]。众多专家学者从理论、实验室试验、数值仿真模拟等多方面研究了固体充填采煤技术，并在国内多个矿区实践应用，取得良好的经济效益。邢东矿紧邻市区，为了保护矿区周边环境，解放建筑物下压煤问题，采用矸石充填采煤技术进行了采煤，但邢东矿在矸石充填采煤技术的应用过程中，仍然存在不少生产工艺以及技术上的问题。本文以邢东矿11235 工作面为例，通过合理充填材料配比，对原有的设备进行更新，促使了工作面的安全回采，提高了邢东矿11235 工作面的回采效率。

1 工程概况

邢东矿11235 工作面位于-760 水平，属于1100 采区，主采煤层为2 号煤层，该工作面煤层厚度稳定，结构简单，煤层平均厚度为4.6 m，工作面设计推进长度880 m，切眼长度58 m，运料巷长度1180 m，运输巷长度1220 m，埋深在-525 ～-750 m。工作面北邻南张村、南靠田家庄，井下位于1225 工作面以北，1200 集中运输巷以西，F1 断层以东，1223 工作面以南。为了保护矿区周边环境，实现矸石零排放，矸石不升井，该工作面采用一次采全高倾斜长壁后退式采煤法[3]，对采空区用破碎矸石进行充填。11235 工作面布置示意如图1 所示。

2 采空区矸石充填影响因素

邢东矿埋深大，地质条件复杂，原岩应力大，在煤层开采过程中采动影响强烈，巷道围岩变形大，给矿井的安全生产带来严重影响。在对工作面进行充填的过程中，工作面采空区上覆岩层的重力由充填体与四周围岩共同承载，只有充填体的强度足够大时，才能控制关键层的下沉，有效控制地表下沉[4]。由于邢东矿属于深部矿井，对充填体的强度要求高于浅部矿井，在实际生产过程中，一方面要保证充填质量，要求有效防止顶板垮落最终导致地表沉陷；一方面要保证工作面生产效率，实现煤层开采与采空区充填的协调。

2.1 充填材料的质量

要保证采空区的充填效果，首先要保证充填材料的质量[5]。该工作面采空区充填采用矸石充填材料，影响矸石充填材料质量的因素有矸石块体的大小、矸石的组成成分、添加剂成分等因素。在充填过程中，矸石作为充填骨料，对充填质量具有重要影响，地面矸石的主要来源是东庞矿，井下矸石的来源是井下的采掘活动，但两者来源的矸石粒径大、级配不均、密实度不高，充填前对矸石进行了破碎筛分，按照一定粒径级配进行配比，再与粉煤灰进行混合充填。矸石充填材料初期没有强度，呈松散型，为提高力学性能，需要胶结粉添加剂成分。

2.2 充填机械设备状况

一次采全高综合机械化设备是充填效果及充填效率的有效保障，在生产过程中要选择合适的机械设备。据调查统计邢东矿原有充填设备在其它工作面的使用，存在捣实机构使用寿命短、捣实效率低、支架调整困难、后部矸石输送机输送能力小，对矿井生产力具有重要影响。针对该问题提出改进方案，液压支架型号由ZC5160/30/50 升级为ZC5160/29/48，液压支架后部的刮板输送机型号由SGZ730/132 提升至SGZ800/200，输送能力由原来的200 t/h 提高为450 t/h，满足了该矿矸石充填工作面月产量的设计要求。改进后矸石充填液压支架如图2 所示。

图2 改进后矸石充填液压支架Fig.2 Improved hydraulic support for gangue filling

2.3 充填工艺的改进

充填工艺的选择是现场施工工序是否流畅的重要保障，为提高生产效率，充填效果，首先需要充填和采煤作业在空间上分开，时间上平行，通过优化改进充填开采设备，将原有的先出煤后充填传统工艺升级为回采与充填同时进行，生产操作互相不影响，实现了“边采边充”，改进后的充填工艺的作业工序如图3 所示。

图3 矸石充填作业工序Fig.3 Working procedure of gangue filling

3 矸石充填采煤方案

根据11235 工作面的地质情况，对采空区矸石充填影响因素进行分析，本着经济实用的原则，并从原材料供应及充填成本等方面进行综合考虑，最终确定了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为充填料，为了得到最佳充填效果，达到控顶效果，对煤矸石、粉煤灰按不同比例混合进行试验，经过实验室和现场的试验研究，确定充填材料的现场配比为矸石∶粉煤灰=1∶0.3，为解决矸石粉煤灰形成的块体具有松散型，胶结粉添加剂成分。

3.2 矸石运输系统

由于该矿自产的矸石产量不够，需要从其它矿井调用，运输系统需要包括地面矸石和井下矸石2套运输系统，最终都汇集到-760 运矸巷，然后在统一对工作面采空区进行充填。自产矸石和地面矸石运输方式如下。

自产矸石运输路线为：筛分—筛分运矸联巷—筛分矸石仓—-760 运矸巷—1100 南部采区矸石仓—1100 南部采区轨道上山—1100 南部采区集中运料巷—11235 运料巷—工作面后方地面矸石运输路线：地面矸石仓—地下皮带走廊—投料孔—井下缓冲仓—运矸联巷—-760 运矸巷—1100 南部采区矸石仓—1100 南部采区轨道上山—1100 南部采区集中运料巷—11235 运料巷—工作面后方自产矸石仓总容量2050 m3，可储存正常生产所需1.2 d 的矸石；矿外矸石是利用汽车将外来矸石拉至地面矸石站储存，通过皮带运输到投料孔将矸石投放井下，经缓冲后入矸石仓存放，主要是处理东庞矿、邢台矿矸石。

3.3 回采充填系统

依据11235 工作面工作面宽度进行液压支架布置，工作面切眼长58 m，规格为11.5 m×3.6 m（宽×高），采用锚网梁加锚索支护。共布置40 架ZC5160/29/48D 型掩护式液压支架，2 架ZT9400/30/50D 型端头支架、MG500/1140WD 型采煤机及SGZ800/200 充填刮板机等设备，充填能力可达500 t/h。整套系统通过运矸皮带将矸石输送工作面支架后部SGZ800/200 充填刮板机，通过卸料孔将矸石卸载至采空区，然后通过捣实机构将矸石充分捣实并完全接顶，待支架后方空间全部充填满并捣实后，再进行下一刀割煤工序，割煤与移架、推溜、充填顺序进行[6]。

4 经济效果分析

利用矸石充填技术对11235 工作面进行开采，整套充填系统运行稳定可靠，采用改进后的充填工艺，将充填效率由原有的每班1 刀煤提高至每班4刀煤，月产能力由1.8 万t 提高至7.2 万t，工作面生产能力大幅提升，提高了工作面回采过程中顶板的安全程度，减少了安全事故，有效的防止了由于采空区的垮落而导致的地面塌陷。充填体的强度，密实性可靠，减少了向地面排矸无地面堆积，该工作面的开采能够有效解放“三下”压煤量27.7 万t。

5 结语

通过矸石充填技术在邢东矿11235 工作面的成功应用，并不断改进充填工艺及设备更新改造，增加了生产的安全可靠性，提高了矸石的充填效果，减少煤层开采对工作面及周边顶底板的扰动，解决了邢东矿井可采资源紧张问题，提高了资源回收率。此外，该技术有效控制地表变形，减少了地表沉陷量，保护了周边环境，推动了矿井持续稳定发展。