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(shù)就是將掘進(jìn)過程中的矸石、黃土、粉煤灰等通過綜合機(jī)械化設(shè)備充填到采空區(qū)內(nèi)，防止地表發(fā)生下沉與塌陷。針對不同的地質(zhì)條件與生產(chǎn)要求，研究人員對固體充填采煤技術(shù)進(jìn)行了進(jìn)一步研究與分析。文獻(xiàn)1提到的“條采留巷充填法”采煤技術(shù)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(xiàn)2提到的“采-充-留”協(xié)調(diào)開采技術(shù)，則需要針對中厚傾斜煤層的地質(zhì)條件，對地表形變量與控制機(jī)理進(jìn)行研究[2]。結(jié)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(xiàn)降本增效，提高企業(yè)生產(chǎn)效率。

1 地質(zhì)概況

西曲煤礦于二十世紀(jì)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(xì)砂巖，厚度17.5 m；直接頂為灰色條帶狀中、細(xì)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(xì)砂巖,厚度5.2 m。在工作面掘進(jìn)過程中，會出現(xiàn)某些區(qū)域俯采仰充的場景，此時進(jìn)行固體充填時矸石會發(fā)生側(cè)涌，從夯實擋板上方向工作面滑動，矸石堆積高度無法到達(dá)多孔底輸送機(jī)下沿，固體填充效果差，無法達(dá)到設(shè)計預(yù)期，故對西曲煤礦固體充填工藝進(jìn)行優(yōu)化研究。

2 充填工藝分析

2.1 采煤工藝

在18406工作面掘進(jìn)初期采用俯采仰充的開采方式，因無法滿足生產(chǎn)要求，引進(jìn)了仰斜充填開采方式，如圖1所示。將采煤設(shè)備順著煤層方向掘進(jìn)，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(jī)進(jìn)一步壓實，適應(yīng)工作面環(huán)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(chǎn)生裂隙與破碎；②頂板與支架在重力作用下存在向采空區(qū)滑動趨勢，給頂板維護(hù)與支架移動帶來一定困難；③采煤機(jī)機(jī)體轉(zhuǎn)動過程中出現(xiàn)的側(cè)翻可能也需要考慮在內(nèi)。

針對頂板巖層拉力作用產(chǎn)生裂隙與碎片的問題，頂板巖層應(yīng)力達(dá)到極值以后，容易發(fā)生漏頂、冒頂與煤壁片幫等情況，故在頂板形變嚴(yán)重區(qū)域可壓注馬麗散，對頂板及煤壁進(jìn)行強(qiáng)化加固。

針對頂板維護(hù)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(jī)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(jìn)行移架，可進(jìn)一步保證頂梁與底座的移動量無偏差。

針對采煤機(jī)機(jī)體轉(zhuǎn)動過程中可能出現(xiàn)的側(cè)翻情況，通過調(diào)整運輸機(jī)與煤機(jī)角度的方式，保證運輸機(jī)傾斜角與煤層角度無偏差，采煤機(jī)底座均勻受力。使用支架伸縮梁千斤頂，減小運輸機(jī)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(yōu)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(jī)的壓強(qiáng)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(jìn)行填充時，首先將刮板輸送機(jī)移直，并將多孔底卸式輸送機(jī)移動到支架的后頂梁后側(cè)。從多孔底卸式輸送機(jī)的機(jī)尾向機(jī)頭方向充填物料，將卸料口全部開啟，由機(jī)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(dá)到夯實頭的三分之二處，夯實機(jī)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(huán)2～3次后停止。當(dāng)工作面完成充填，多孔底卸式輸送機(jī)將會移動一個步距，移動到支架的后頂梁前側(cè)，由多孔底卸式輸送機(jī)將矸石運送到支架上部，待其接頂后進(jìn)行夯實，并將卸料孔關(guān)閉。至此，第一輪充填完成，將多孔底卸式輸送機(jī)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(hù)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(hù)方式，工作面采用人工砌筑矸石帶的巷旁支護(hù)方式。

進(jìn)行煤炭開采固體充填時，矸石被夯實在采空區(qū)域，此時會在頂板上產(chǎn)生裂隙帶與下沉帶，充填物體承擔(dān)了較多的壓力，巷道兩側(cè)的支護(hù)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(cè)放置夯實機(jī)，將采空區(qū)內(nèi)的矸石進(jìn)行夯實，壓強(qiáng)達(dá)2 MPa。夯實機(jī)發(fā)力過程中會對矸石作用側(cè)向壓力，這部分側(cè)向壓力最終傳導(dǎo)在了砌筑的矸石帶上，容易引發(fā)矸石帶垮塌。所以矸石帶的主要作用是提供抵抗側(cè)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(hù)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(hù)方式選用錨網(wǎng)梁聯(lián)合支護(hù)，巷旁支護(hù)方式選用錨帶與矸石墻結(jié)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(hù)。工作面軌道順槽支護(hù)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(jìn)行臨時支護(hù)，臨時支護(hù)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(jìn)行支護(hù)作業(yè)[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(wǎng)，鋪網(wǎng)需覆蓋靠近巷道的3個支架上方的頂板，即鋪網(wǎng)不能小于4.5 m的寬度。

2）矸石墻加固支護(hù)。矸石墻設(shè)定寬度為3 m，步距0.6 m，墻體為梯形，接底接頂。在進(jìn)行矸石墻壘砌前，需要提前鋪設(shè)金屬網(wǎng)。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(shè)金屬網(wǎng)，金屬網(wǎng)要求覆蓋因矸石墻向采空區(qū)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(hù)

3 開采效果分析

將充填工藝優(yōu)化方法應(yīng)用在18406工作面，并進(jìn)行指標(biāo)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(shù)據(jù)，可以推算出充實率。頂板下沉根據(jù)不同的距離范圍，可分為：快速沉降、緩慢沉降、相對穩(wěn)定、長期流變4個階段。對工作面進(jìn)行為期45 d的監(jiān)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(qū)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(jìn)一步可計算出充實率為79%。

可見，在適當(dāng)降低充實率的情況下，踩空區(qū)下沉量可控，可達(dá)到對地表建筑物的保護(hù)目的。

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3.2 采充質(zhì)量比

為了保證充填矸石的效果良好，西曲礦引進(jìn)了物料輸送和計量系統(tǒng)、膠帶輸送機(jī)集控系統(tǒng)，借助這2個系統(tǒng)可實現(xiàn)矸石量化統(tǒng)計，得到更加準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)。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(zhì)量比為1∶1.29，完成企業(yè)利潤6 600余萬元。

3.3 充填體應(yīng)力與彈性模量

對工作面的填充體應(yīng)力進(jìn)行統(tǒng)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(yīng)力傳感器，計算監(jiān)測期間的充填體應(yīng)力變化，隨著推進(jìn)距離的增加，充填體應(yīng)力逐步增加，并穩(wěn)定在2.8 MPa左右。與充填體應(yīng)力對應(yīng)的還有彈性模量的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)記錄如圖4所示。

圖4 充填體應(yīng)力與彈性模量監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計圖

0～9.5 m的推進(jìn)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(dāng)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(yīng)力變化幅度比較小，增幅不明顯；

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

69～133 m的推進(jìn)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(yīng)力均無較大變化；

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

4 地表變形分析

對礦井工作面進(jìn)行效果分析之后，還在西曲礦地表建立監(jiān)測點，對工作面采動之后的地表運移變化情況進(jìn)行統(tǒng)計，得到表1與圖5數(shù)據(jù)。

表1 地表形變預(yù)測量與監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計

圖5 地表下沉對比曲線

圖6所示為充填作業(yè)面與同類型地質(zhì)條件下非充填作業(yè)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(qū)域還是壓力峰值，充填回采作業(yè)面均明顯低于非充填回采作業(yè)面，其中支撐壓力峰值僅為非充填回采時的20%左右。同時，現(xiàn)場實測還顯示充填回采的巷道變形情況也優(yōu)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(jié)論

通過對西曲煤礦固體充填工藝的研究與應(yīng)用效果分析，結(jié)合18406工作面實際情況，提升開采充填效率，優(yōu)化支護(hù)方案，改善地表下沉量與水平行變量，提升直接的經(jīng)濟(jì)效益，經(jīng)濟(jì)實用，具有一定推廣借鑒價值。結(jié)論如下：

1）針對18406工作面的地質(zhì)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(jìn)行研究，設(shè)計了沿空留巷支護(hù)與矸石墻臨時支護(hù)措施，有效改善液壓支架穩(wěn)定性、采煤機(jī)穩(wěn)定性與裝煤率。

2）通過工作面與地表監(jiān)測數(shù)據(jù)對實用效果進(jìn)行分析，使用固體充填采煤工藝后地表下沉由Ⅱ級破壞變?yōu)檩p微下沉，共回收煤炭資源16.4萬t，充填矸石21.1萬t，在監(jiān)測期間，最大下沉量為390 mm，最大水平變形量為0.46 mm，創(chuàng)造企業(yè)收益6 600余萬元。