呂鯤

（山西潞安化工集團，山西長治 046000）

0 引言

我國2022 年生產(chǎn)原煤45.0 億t，同比增長9%，2023 年全國原煤產(chǎn)量預(yù)計將達到46.5 億t。隨著原煤產(chǎn)量的增加，煤炭矸石產(chǎn)量也逐年增長。目前，我國地面矸石堆積量超過60 億t，形成矸石山近2000 座。大量的矸石對地表生態(tài)環(huán)境造成了嚴(yán)重的影響[1-4]。許多專家學(xué)者開展了矸石處理技術(shù)的研究。高登云[5]等詳細(xì)闡述了神東礦區(qū)矸石處理和利用技術(shù)；代君偉[6]等將矸石破碎后制成漿體，利用管路輸送到井下采空區(qū)中，解決了矸石地面污染和采空區(qū)地表沉陷的問題；張健[7]等在邢東礦建設(shè)了井下采選充一體化的矸石處理系統(tǒng)，保證了地表建筑物的穩(wěn)定，實現(xiàn)了礦井的可持續(xù)發(fā)展；劉煒震[8]等將矸石制成膏體，寬巷掘進，置換煤炭資源，達到了矸石零排放的目的；李曉磊[9]等在實驗室內(nèi)分析了矸石膠結(jié)充填體不同配比下的單軸抗壓強度，為井下應(yīng)用提供了參考。潞安集團余吾煤礦為提高巖巷掘進速度，采用盾構(gòu)機掘進。在調(diào)研國內(nèi)外相關(guān)矸石處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，采用巷道充填的方式井下就地處理矸石，取得了較好的效果。

1 工程概況

1.1 存在的問題

余吾煤礦井田面積為161.205 km2，主采3 號煤層，平均厚度6.02 m，傾角一般3°～11°，屬近水平緩傾斜煤層。煤種為貧煤，其特點為中灰、特低硫、低磷、高發(fā)熱量、高熔灰份，是優(yōu)質(zhì)的動力和化工用煤，煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

為滿足礦井采掘銜接規(guī)劃，余吾礦選用護盾式TBM 盾構(gòu)機進行南六、南七采區(qū)1 號、2 號回風(fēng)下山及聯(lián)絡(luò)巷施工。

施工巷道設(shè)計圓形斷面，直徑6.3 m，斷面面積31.16 m2，掘進矸石總量約為26 萬m3，矸石粒徑以30～100 mm 居多。由于施工進度快，排矸量大，矸石進入煤流運輸系統(tǒng)，將對煤質(zhì)產(chǎn)生較大影響。同時也增加了主運系統(tǒng)無效運輸量，提升的矸石地面堆積，也會增加治理費用。為此，需要采用一種經(jīng)濟合理的方式對矸石進行井下處理。

1.2 處理方式的選擇

當(dāng)前常用的矸石井下處理方式主要有3 種：膏體材料充填、綜采矸石充填和巷道矸石充填。不同方式的對比見表2[10-11]。

表2 不同矸石處理方式的對比Table 2 Comparison of different gangue treatment methods

余吾礦處理的矸石主要來源是巖石巷道的掘進，巖巷施工結(jié)束后，矸石量大幅降低。并且充填的目的僅僅是為了處理矸石，無地表控制要求，因此選用巷道矸石充填的方式。

1.3 充填區(qū)域確定

為縮短運輸距離，充填區(qū)域應(yīng)優(yōu)先考慮靠近掘進的巷道。盾構(gòu)機施工的巷道附近有S3102 工作面停采線與三條大巷間大巷煤柱、石料環(huán)保廠和綠康牛羊養(yǎng)殖社的保護煤柱，可在兩處區(qū)域掘進巷道充填矸石，如圖1 所示。

圖1 矸石巷道充填區(qū)域Fig.1 Filling area of gangue roadway

2 充填方案設(shè)計

2.1 煤柱寬度的計算

采用極限強度理論確定條帶煤柱的寬度[12]。掘進巷道將煤炭資源采出后，巷道周邊煤體內(nèi)的應(yīng)力重新分布，在淺部形成應(yīng)力集中，邊緣部分承載能力急劇降低，形成塑性區(qū)，塑性區(qū)中部為彈性核區(qū)，如圖2 所示（圖中σ為煤柱極限強度）。

圖2 煤柱內(nèi)分區(qū)破壞示意Fig.2 Damage of the partitionin coal pillar

煤柱的留設(shè)寬度L按下式計算：

式中：Y為塑性區(qū)寬度，m；C為彈性核區(qū)寬度，m。

根據(jù)A.H.Wilson 的研究，塑性區(qū)寬度Y與埋深、煤層采高之間存在一定關(guān)系，如式（2）所示。

式中：M為煤層采高，m；H為煤層埋深，m。

由于巷道掘進后采用進行了充填，矸石可以承擔(dān)頂板巖層的部分載荷，造成礦壓顯現(xiàn)的明顯改變。因此，式（2） 中煤層的采高M用等效采高計算[13-14]。

等效高計算式為：

式中：h為巷道高度，m；ω 為充填率，%；η 為壓縮率，%。

充填巷道的高度為6.0 m，充填率和壓縮率按90%計算，代入式（3） 可得等效采高為1.14 m。巷道的埋深為520 m，代入式（2） 可得，塑性區(qū)寬度為2.92 m。根據(jù)實測資料，彈性核區(qū)寬度為8.4 m，代入式（1） 可得，煤柱寬度為14.24 m。考慮一定的富余系數(shù)，實際取15 m。

2.2 巷道支護

與其他掘進巷道不同，充填巷道主要作為矸石的運輸通道和充填矸石用，維護時間短，服務(wù)期限一般在1 a 以內(nèi)，支護要求相對較低，充填過程中不出現(xiàn)掉渣及大面積幫臌即可。根據(jù)圍巖條件，確定充填巷的支護參數(shù)，如圖3 所示。

圖3 矸石充填巷支護Fig.3 Gangue filling roadway support

斷面為矩形斷面，寬6.0 m，高6.0 m，支護排距0.9 m，錨索3-2-3 布置，錨索間距1800 mm，規(guī)格為φ22 mm×6300 mm；頂錨桿每排7 根，間距900 mm；幫錨桿每排每幫8 根，巷道二次成巷，上部間距850 mm，下部間距700 mm；頂采用雙鋼筋托梁，頂規(guī)格為φ16-5600×100-7-900，幫采用井字形托盤；頂金屬網(wǎng)規(guī)格為40×40-6400×840，幫金屬網(wǎng)規(guī)格為40×40-3800×840、40×40-2400×840。

當(dāng)頂板破碎或遇地質(zhì)構(gòu)造帶時，根據(jù)實際情況，編制專項安全技術(shù)措施，縮小錨桿、錨索支護排距，提高支護強度。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 矸石物料運輸路線

矸石的運輸路線為TBM 盾構(gòu)機施工工作面—南六采區(qū)2 號聯(lián)絡(luò)巷—南六采區(qū)進風(fēng)下山—南六采區(qū)等候室—進風(fēng)大巷—大巷5 號聯(lián)絡(luò)巷—膠帶大巷—s3102 膠帶順槽—填矸巷，如圖4 所示。

物料車輛由中央?yún)^(qū)副立井（南風(fēng)井） 下井，由電機車運輸至南三軌道大巷1 號車場，經(jīng)單軌吊換裝后，運輸至各充填巷口。運輸設(shè)備為CTL12/9GP型電機車、DZ18003+3 型柴油單軌吊機車。

3.2 充填能力及設(shè)備

余吾礦所選TBM 盾構(gòu)機月平均進尺400 m/月，日進尺13.3 m，出矸量為68.5 t/h。充填系統(tǒng)中，運輸機選用DSJ800 型皮帶運輸機，最大運輸能力400 T/h，拋矸機選用TCJ-D80/30/67 型，最大充填能力為350 t/h，充填系統(tǒng)與TBM 系統(tǒng)同步運行、同步檢修。巷道矸石充填系統(tǒng)的主要設(shè)備見表3。

表3 巷道充填主要設(shè)備Table 3 Main equipment of roadway filling

3.3 效益分析

3.3.1 經(jīng)濟效益

巷道矸石充填處理了井下矸石，節(jié)省了矸石提升和地面處理費用，同時提高了煤炭資源的回收率，但掘巷及充填本身也產(chǎn)生一定的費用。

（1） 巷道掘進費用。2 個區(qū)域巷道進尺8164 m，成本按8500 元/m 計算，總計6939 萬元。

（2） 矸石充填費用。矸石運輸及充填所需的動力費及人工費等，按150 元/t 計算，總計3750萬元。

（3） 設(shè)備購置費用。矸石巷道充填需要購置拋矸機等設(shè)備，合計1246 萬元。

（4） 節(jié)省提升費用。矸石井下充填，避免了提升到地面，預(yù)計節(jié)約輔助運輸各項費用263萬元。

（5） 節(jié)省矸石處理費用。升井后的矸石需要進行覆蓋、綠化治理，按5 元/t 計，總計可節(jié)約矸石治理費用210 萬元。

（6） 回收煤炭資源。矸石巷道充填可置換煤柱資源40 萬t，可創(chuàng)造經(jīng)濟效益約2 億元。

綜上可得，將矸石采用掘巷的方式進行井下處理，預(yù)計可產(chǎn)生經(jīng)濟效益8538 萬元。

3.3.2 社會效益

矸石井下處理，可減少礦井主運輸系統(tǒng)的壓力，提高有效提升率。同時矸石置換了井下綜采工作面無法回收的煤炭資源，提高了回收率，延長了礦井的服務(wù)年限。隨著國家環(huán)保的不斷加強，矸石井下處理可有效保護地面的生態(tài)環(huán)境，社會效益顯著。

4 結(jié)論

（1） 余吾煤礦采用盾構(gòu)機掘進巖巷，產(chǎn)生大量矸石。在綜合對比的基礎(chǔ)上，確定采用巷道充填的方式井下就地處理。

（2） 通過理論計算，確定充填區(qū)域充填巷道之間的煤柱尺寸為15 m，可保護地面建筑物的穩(wěn)定。

（3） 將矸石井下處理，可產(chǎn)生經(jīng)濟效益8538萬元，提高煤炭資源的回收率，延長礦井的服務(wù)年限，經(jīng)濟社會效益顯著。