韓永斌，姚 波

(1.中煤科工生態(tài)環(huán)境科技有限公司,北京 100013；2.天地(唐山)礦業(yè)科技有限公司，河北 唐山 063012；3.冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺(tái) 054000)

煤炭一直是我國的主要能源和重要原料，2019年總產(chǎn)量約38.5億t。我國也是世界煤炭消費(fèi)量最大的國家，在一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中煤炭占比約57%以上，依然處于主導(dǎo)地位。隨著礦井開采年限的延長，大多數(shù)礦區(qū)不得不面對(duì)日益突出的“三下”壓煤?jiǎn)栴}[1]。多年開采實(shí)踐表明，矸石充填開采是有效解決“三下”壓煤?jiǎn)栴}的理想技術(shù)途徑，是綠色開采技術(shù)的重要組成部分[2-3]，尤其在煤炭資源緊缺、經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)、建筑物密集地區(qū)，解決“三下”開采問題更應(yīng)受到重視。矸石充填開采是隨著采煤工作面的推進(jìn)，向采空區(qū)充入矸石、粉煤灰等充填材料以支撐上覆巖層的頂板管理方法[4-7]。

矸石是煤礦生產(chǎn)過程中形成的固體廢物，一般是將其直接排放于地表形成矸石山。排放的矸石產(chǎn)生的危害主要有：占用大面積土地,污染礦山環(huán)境，同時(shí)造成大氣污染、水體污染、噴爆危害、放射性污染等[8-10]，嚴(yán)重危及礦區(qū)生態(tài)環(huán)境。冀中能源邢東礦毗鄰邢臺(tái)市城區(qū)，地表不允許建矸石山。為了有效解放“三下”壓煤和合理消化井下矸石，邢東礦進(jìn)行了綜采工作面矸石充填開采實(shí)踐，將礦井生產(chǎn)的矸石填入采空區(qū)，以矸石置換煤炭，實(shí)現(xiàn)矸石零排放。避免了矸石堆積占地和污染環(huán)境，同時(shí)有效控制地表變形，實(shí)現(xiàn)了礦山綠色開采。

1 煤礦地質(zhì)概況

冀中能源邢東礦位于河北省邢臺(tái)市東北約4 km處，南北長約4.1 km，東西寬約4.0 km，井田面積14.5 km2，礦井核定生產(chǎn)能力125萬t/a。邢東礦地表被第四系松散沉積物覆蓋，厚度約210～235 m，井田內(nèi)地勢(shì)平坦，地表標(biāo)高為+50～66 m。井田范圍內(nèi)各類建(構(gòu))筑物分布密集，大小村莊有11個(gè)，建筑物壓煤?jiǎn)栴}突出，嚴(yán)重制約礦井正常生產(chǎn)。

邢東礦主采2#煤層，煤層埋深650～1 250 m。直接頂為灰色細(xì)粒砂巖，基本頂為粉砂巖，直接底為粉砂巖。邢東礦考慮建筑物壓煤特點(diǎn)，在1200采區(qū)的12212、12214工作面實(shí)施了綜采矸石充填開采實(shí)踐。煤層開采標(biāo)高-841～-749 m，傾角11°，煤厚4.6 m。開采區(qū)域位于蔡家屯和北康莊之間。充填工作面位于一水平二采區(qū)1200集中運(yùn)料巷以東，SF90斷層以南至井田邊界,工作面以西為1200集中運(yùn)輸巷。

12212工作面開始回采于2012年11月，結(jié)束于2015年7月，工作面推進(jìn)長度442 m，面寬55 m，累計(jì)出煤15.72萬t，累計(jì)充填矸石約10.5萬m3。12214工作面開始回采于2015年11月，結(jié)束于2019年4月，工作面推進(jìn)長度480 m，面寬63.5 m，累計(jì)出煤20.6萬t，累計(jì)充填矸石約13.4萬m3。12212工作面一刀出煤248 t，充滿一刀需要230罐矸石，工作面最大推進(jìn)量約26 m/月，充填矸石7 300罐，充填時(shí)支架搗實(shí)壓力為24 Mpa。邢東礦采深大、煤層厚，井下矸石量不大。首次采用綜采機(jī)械化矸石充填工藝時(shí)，以矸定產(chǎn)，充填能力為0.5萬t/月。受充填材料限制，開采效率偏低。矸石充填相比超高水充填，具有充填成本低、矸石不升井、節(jié)約環(huán)保等優(yōu)勢(shì)。充填工作面布置如圖1所示。

圖1 矸石充填工作面井上下對(duì)照?qǐng)D

2 充填開采工藝

矸石充填開采是將掘進(jìn)中產(chǎn)生的矸石和原煤中的夾矸，經(jīng)井下篩分和跳汰系統(tǒng)篩分后，由碎石機(jī)破碎后卸至矸石倉內(nèi)，將破碎后具有一定級(jí)配的矸石經(jīng)設(shè)備輸送至充填工作面。為提高充填率，在輸送管路的出口處添加料漿(水泥、粉煤灰或超高水材料漿液)，使其有效填充較大矸石粒徑間的空隙，同時(shí)對(duì)充填體起到膠結(jié)作用。使采空區(qū)得到密實(shí)充填，以控制上頂板下沉。矸石充填系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng)：儲(chǔ)裝運(yùn)系統(tǒng)、回采充填系統(tǒng)和注漿系統(tǒng)。

2.1 儲(chǔ)裝運(yùn)系統(tǒng)

由翻罐籠、40 t溜子、破碎機(jī)、梭車、臨時(shí)砟倉、650皮帶等組成。首先由運(yùn)輸區(qū)將篩分系統(tǒng)產(chǎn)生的矸石裝罐運(yùn)至1200集中運(yùn)料巷翻罐籠處，再經(jīng)翻罐籠翻砟進(jìn)入底部40 t溜子并運(yùn)往破碎機(jī)進(jìn)行破碎，破碎后的矸石儲(chǔ)存到梭車和臨時(shí)砟倉內(nèi)，最后用扒巖機(jī)將矸石扒至650皮帶，輸送至工作面進(jìn)行充填，矸石儲(chǔ)裝運(yùn)系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 矸石充填儲(chǔ)裝運(yùn)系統(tǒng)圖

2.2 回采充填系統(tǒng)

當(dāng)支架移直后，將充填輸送機(jī)移至支架尾部，從機(jī)尾向機(jī)頭充填。打開第一個(gè)卸料孔，卸料完成后打開下一個(gè)卸料孔，同時(shí)開啟第一個(gè)卸料孔下的夯實(shí)千斤頂推動(dòng)夯實(shí)板，對(duì)充填的矸石壓實(shí)2～3次，直至矸石充分接頂。當(dāng)每個(gè)卸料孔均充滿后，完成第一輪充填。此時(shí)將輸送機(jī)移動(dòng)一個(gè)步距，啟用夯實(shí)機(jī)構(gòu)把輸送機(jī)下的矸石推至支架后上部，使其充分壓實(shí)，開啟下一輪充填。充填工藝流程及設(shè)備如圖3～圖4所示。

圖3 綜采矸石充填工藝流程

圖4 綜采矸石充填工作面充填示意圖

2.3 注漿系統(tǒng)

為了最大限度的提高充填率，增加充填體的強(qiáng)度，有效控制覆巖移動(dòng)，在矸石充填后使用超高水漿液對(duì)采空區(qū)充填體進(jìn)行注漿。注漿既可充實(shí)矸石顆粒間空隙，又可使其很好的膠結(jié)，提高充填體強(qiáng)度。在支架后面沿底板每隔一段距離預(yù)埋一次管路，再隔一段距離進(jìn)行注漿。

3 矸石充填開采關(guān)鍵技術(shù)

3.1 充填體的力學(xué)作用

充填體對(duì)圍巖的作用可以看成一個(gè)側(cè)壓力，巖石的抗壓強(qiáng)度隨側(cè)壓力的增大而增大，當(dāng)圍巖被充填體充滿，即給圍巖形成一個(gè)側(cè)向壓力，使圍巖的抗壓強(qiáng)度增大，提高圍巖承載力。

(1)充填體力學(xué)作用：充填體在充入采空區(qū)后，改變了采空區(qū)兩側(cè)幫壁的受力狀態(tài)，使其由雙向受力變?yōu)槿蚴芰顟B(tài)。因此，充填體不僅對(duì)煤層頂板起到支撐作用，還能有效提高兩側(cè)圍巖體自身強(qiáng)度和自支撐能力。

(2)充填體結(jié)構(gòu)作用：開采煤層的上覆巖層因采動(dòng)產(chǎn)生移動(dòng)、變形與破壞。采空區(qū)用矸石充填后，雖然充填入矸石的強(qiáng)度低于原煤強(qiáng)度，承受頂板壓力時(shí)會(huì)產(chǎn)生形變，但其可以起到維持原巖體結(jié)構(gòu)的作用，避免圍巖結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)。

(3)充填體讓壓作用：充填體能夠使圍巖受到上覆巖層的壓力緩慢釋放，同時(shí)對(duì)圍巖施加的側(cè)向壓力對(duì)圍巖起到較好的支護(hù)作用。

3.2 影響充填效果的主要因素

充填開采地表沉陷的影響因素有：充填前頂板移近量、充填欠接頂量和充填體的壓縮量。

(1)充填前頂板移近量

充填開采過程中，因充填工作是滯后于開采的，頂板總暴露出來，支架難以阻止頂板的少量下沉。同時(shí)充填完成至其發(fā)揮支撐作用還需要一段時(shí)間，煤層被采出后至采空區(qū)充滿這段時(shí)間內(nèi)，頂板必然產(chǎn)生一定量的下沉，此下沉量是影響地表下沉量的主要因素。

(2)充填欠接頂量

充填時(shí)，充填體較難完全充分接頂，充填體與煤層頂板之間還會(huì)存在一定空間，這部分空間為充填欠接頂量，其會(huì)立即反應(yīng)到頂板下沉量上來。可在充填矸石內(nèi)加入料漿(如水泥、粉煤灰、超高水料漿)，對(duì)提高充填率有顯著效果。在充填過程中要加強(qiáng)對(duì)頂板下沉的控制，以保證充填率。同時(shí)優(yōu)化充填矸石級(jí)配(≤5、5～20、20～50、50～100 mm的配合比為1:2:5:2)和料漿配比(超高水料漿水灰比為8:1)，保證矸石加料漿充填體的不泌水性能。

(3)充填體壓縮量

矸石充填體相比原煤的抗壓強(qiáng)度低得多，以相對(duì)“軟”的材料充相對(duì)硬的煤，充填體在頂、底板的壓力作用下被壓縮，從而引起上覆巖層的移動(dòng)。

3.3 矸石充填的關(guān)鍵技術(shù)

試驗(yàn)表明，充填前頂板移近量、充填欠接頂量和充填體壓縮量是影響地表下沉的主要因素。因此，為了使充填體能有效控制地表下沉，其關(guān)鍵技術(shù)是有效提高充填體的強(qiáng)度和充填率。

為了提高充填體的強(qiáng)度，在具有一定粒度的矸石中添加料漿，使其很好的膠結(jié)。矸石的粒度、矸石與漿體的配比、膠結(jié)的時(shí)間和膠結(jié)充填體強(qiáng)度，均影響充填體支撐上覆巖層的效果。

由于充填工作是在形成采空區(qū)以后進(jìn)行的，因此充填前頂板下沉不可避免，充填體壓縮量與充填體的強(qiáng)度有直接關(guān)系，壓縮也是不可避免的。這樣，充填體與頂板間的充填欠接頂量的大小直接影響充填率，因此為了充滿采空區(qū)，充填率極為關(guān)鍵，在實(shí)際充填過程中可通過俯角充填、優(yōu)化矸石粒徑級(jí)配、增加夯實(shí)機(jī)械壓力等措施來提高充填率。

4 充填體力學(xué)試驗(yàn)

為了驗(yàn)證矸石充填效果，對(duì)矸石充填材料進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，包括壓實(shí)、容重、流變等特性試驗(yàn)。

4.1 壓實(shí)試驗(yàn)

壓實(shí)度是指充填體在外力作用下被壓實(shí)的程度，用壓實(shí)后的體積與松散狀態(tài)下的體積比表示，并最終可以簡(jiǎn)化為應(yīng)變?chǔ)诺谋磉_(dá)式，其計(jì)算公式為：

(1)

現(xiàn)場(chǎng)取樣的充填材料k-σ曲線如圖5所示。

圖5 充填材料壓實(shí)度隨壓實(shí)力變化曲線

充填體的壓實(shí)度隨壓力值的增大而減小。在初始加壓階段，因充填材料松散，表現(xiàn)出壓縮量較大，壓實(shí)度變化快。在0～2 MPa壓力時(shí)，壓實(shí)度值迅速降低；當(dāng)壓力增加至2～10 MPa時(shí)，壓實(shí)度變化速度放緩；當(dāng)應(yīng)力達(dá)到20 MPa時(shí)，壓實(shí)度k逐漸趨于穩(wěn)定，基本停留在0.87左右。試驗(yàn)結(jié)果表明，充填體經(jīng)加壓至20 Mpa時(shí)，充填體體積基本不再減小，能夠較好的控制煤層頂板，以達(dá)到控制覆巖移動(dòng)的目的。

4.2 容重試驗(yàn)

在對(duì)充填體的加壓過程中，同時(shí)計(jì)算充填體的容重，分析容重與壓力之間的規(guī)律。充填體容重隨壓力變化曲線如圖6所示。

圖6 充填材料容重隨壓實(shí)力變化曲線

試驗(yàn)表明，充填體的容重隨壓力的增加而增大。壓力值在0～2 MPa時(shí)，容重增幅較快。隨著壓力的增加，充填體容重變化趨于平緩。充填材料在自然狀態(tài)下容重為1.42 t/m3，加壓至1.5 MPa時(shí)容重增至1.50 t/m3，加壓至20 MPa時(shí)容重基本穩(wěn)定在1.65 t/m3左右，說明充填體在加壓至20 Mpa以上時(shí)，壓實(shí)效果較高。

4.3 流變特性試驗(yàn)

將充填體在垂直方向施加壓力，觀察其應(yīng)變量。試驗(yàn)時(shí)，垂直方向壓力7.5 Mpa，持續(xù)加壓2 min，繪制的流變特性曲線如圖7所示。

圖7 現(xiàn)場(chǎng)充填材料壓實(shí)流變時(shí)間特性曲線

試驗(yàn)表明，充填體的變形量主要發(fā)生在加壓初期，變形量為8.7%，最終總變形量穩(wěn)定在11.5%。結(jié)合容重試驗(yàn)結(jié)果，認(rèn)為若要達(dá)到較理想的充填率，每采1 t煤至少需要充填0.83 t的固體矸石。

5 充填開采減沉效果分析

為了獲取大采深厚沖積層綜采矸石充填開采條件下地表移動(dòng)規(guī)律，邢東礦在1200采區(qū)東翼充填工作面附近建立了地表移動(dòng)觀測(cè)站。觀測(cè)地表最大下沉值為115 mm，下沉曲線平緩，地表移動(dòng)符合隨機(jī)介質(zhì)理論，符合概率積分法分布規(guī)律。地表下沉值較垮落法開采大幅減小，地表移動(dòng)速度較平緩。結(jié)合觀測(cè)數(shù)據(jù)反演出垮落法開采和綜采矸石充填開采概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)，如表1所示。

表1 反演概率積分法預(yù)計(jì)參數(shù)

充填法開采可以用等價(jià)采高理論來解釋。等價(jià)采高可以理解為工作面實(shí)際采高減去充填體壓實(shí)后的高度，即充填壓實(shí)后頂板最終下沉量，其與充填率成反比關(guān)系。根據(jù)邢東礦對(duì)12212、12214實(shí)際充填情況，通過采充比反算出充填率為91%。而基于等價(jià)采高的概率積分法數(shù)學(xué)模型，結(jié)合實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，可計(jì)算出其實(shí)際充填率約為82%左右。因根據(jù)采充比反算出的充填率未考慮充填壓實(shí)因素。

為了體現(xiàn)矸石充填的減沉效果，如表2所示，列出了12212、12214工作面矸石充填開采后地表的最大移動(dòng)、變形值。

表2 工作面矸石充填開采地表變形極值

綜采工作面矸石充填開采后，地表最大下沉值為115 mm，最大傾斜變形為0.34 mm/m，最大水平移動(dòng)為59 mm，最大水平拉伸變形為0.21 mm/m，最大壓縮變形為-0.46 mm/m。遠(yuǎn)小于《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》規(guī)定的建筑物允許變形值要求，地表民房未出現(xiàn)明顯損壞。采用綜采機(jī)械化矸石充填開采，地表減沉效果顯著，可有效保護(hù)地表各類建(構(gòu))筑物。

6 結(jié) 論

(1)綜采機(jī)械化矸石充填開采地表移動(dòng)特征表現(xiàn)為地表下沉值大幅降低、下沉速度平緩，影響范圍略有增大。邢東礦12212、12214兩個(gè)工作面開采后，地表最大下沉值為115 mm，地表下沉速度緩慢，減沉效果好，地表建(構(gòu))筑物未受損壞。

(2)為了使充填體能有效控制地表下沉，其關(guān)鍵技術(shù)是有效提高充填體的強(qiáng)度和充填率。在實(shí)際充填過程中通過俯角充填、優(yōu)化矸石粒徑級(jí)配(≤5、5～20、20～50、50～100 mm的配比為1:2:5:2)、加大夯實(shí)機(jī)械行程和壓力來提高充填率。通過對(duì)充填體內(nèi)注入水泥漿、高水料漿等膠結(jié)材料提高充填體強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)高效密實(shí)充填。

(3)通過力學(xué)實(shí)驗(yàn)及計(jì)算分析，每采1 t煤至少需要充填0.83 t的固體矸石。夯實(shí)機(jī)械壓力≥20 Mpa時(shí)，可達(dá)到較理想的充填率。

(4)在矸石充填時(shí)需加強(qiáng)對(duì)充填前頂板的控制，優(yōu)化充填矸石級(jí)配和料漿配比，保證矸石加料漿充填體的不泌水性能。