王庄矿矸石混凝土间隔充填连续采煤工艺研究

魏小东

(潞安环能股份公司王庄煤矿，山西长治 046031)

王庄煤矿经过四十多年开采，煤炭资源已经成为制约该矿长远发展的重要因素，开采“三下”压煤［1］是有效解决该问题的主要方法之一，经统计，目前王庄矿3号煤层三下压煤共有21个块段，总储量6 193.4 万 t。矸石混凝土充填采煤［2，3］是将矸石、水、水泥及添加剂以一定的比例混合，利用混凝土输送泵充填到采空区，待混凝土凝固后形成支撑覆岩的结构体系，从而控制覆岩下沉，实现安全开采三下压煤。本文根据王庄煤矿煤层赋存条件及顶底板岩石物理力学性能，提出了利用矸石混凝土间隔充填，连续采煤机短壁机械化［4，5］开采三下压煤的采煤方法。

1 采煤系统

1.1 巷道布置

工作面胶带顺槽与轨道顺槽沿大巷垂直布置，两条顺槽间留联络巷，顺槽间留15 m煤柱。在区段内顺槽将工作面分为左右两翼，工作面宽度可根据实际开采条件确定，考虑到通风条件一般单翼开采不超过150 m，双翼开采不超过300 m，走向长度不受限制，煤房沿着顺槽联络巷方向向左右两翼布置，也可单翼布置，煤房长度不超过150 m，宽度为5 m，高度根据履带行走式液压支架的支撑高度确定为5 m，煤房间的煤柱宽度为10 m～15 m。顺槽和煤房均采用矩形断面，宽5 m，采用树脂锚杆支护。开采及充填巷道布置见图1。

1.2 采煤方法

采用旺格维利采煤法，首先开采煤房(图1中A巷)，煤房高为煤层厚度，宽为5 m，树脂锚杆支护，煤房间留煤柱，宽度为10 m～15 m，王庄矿3号煤的平均厚度为6.5 m，煤房的高度较大，所以在开采煤房时可分层开采，先开采上分层，采高3.5 m，并对煤房进行支护，然后开采下分层，采高3 m。当煤房掘进到设计位置以后，开始用矸石混凝土充填系统充填煤房，充填完两个煤房后，后退回收两个煤房间的煤柱。

图1 开采及充填巷道布置图（单位：m）

回收煤柱时需要在煤柱中间重新开掘煤房(图1中B巷)，树脂锚杆支护，此时煤房的高度根据履带行走式液压支架的最大支撑高度确定，煤房高度为5 m，当煤房掘进到位后，开始回收两侧煤柱，采用双侧回收。连续采煤机从煤房内两侧依次以45°角斜切进刀回收煤柱，斜切进刀深度决定于所留煤柱的宽度，如采用煤柱宽度为15 m，除去中间新掘煤房宽度5 m，两侧各剩余5 m的煤柱，此时则斜切进刀深度为7 m，宽度为3.3 m，连续采煤机每回收一刀，两台履带式液压支架迈步后退，及时支护交点处的空顶面积。回收煤柱时工作面及设备布置见图2。

图2 煤柱回收方式及设备布置图

1.3 顶板管理

采用履带行走式液压支架支护交叉点区顶板，采空区煤柱除连续采煤机切割死角的三角煤柱不能回收外，煤房内的绝大部分煤柱将会被回收，直接顶为泥岩，强度低，因而直接顶将随采随冒，老顶会在充填的条带状矸石混凝土支撑下保持稳定。

1.4 采煤工作面设备选型

1)采煤机。依据王庄煤矿煤层的赋存条件，选用美国九益公司12CM27连续采煤机，该机型主要技术特征如下:采高2.6 m～5.5 m;生产能力15 t/min～27 t/min;总装机功率459 kW;截煤滚筒:宽度3.3 m，直径915 mm;装载机构形式为扒爪式;自重55.384 t。

2)履带行走式液压支架。履带行走式液压支架主要随连续采煤机跟机工作，对顶板及时支护，为采煤设备及人员提供安全的作业空间。通过对技术参数的比较，选用太原煤科院研制的XZ7000/25.5/50型履带行走式液压支架两台。

3)梭车。采用SC15/182型梭车两台，作为运输设备与连续采煤机配套使用，该机型主要适用于矿井边角煤回收、残采煤回收、三下采煤等不适合进行长壁工作面开采的区域，同时也可作为巷道快速掘进的配套运输工具。

2 充填系统

2.1 系统构成

充填系统由矸石破碎系统、搅拌系统、输送系统、控制系统和防尘系统构成。充填系统见图3。

图3 充填系统图

2.2 充填工艺

1)煤房充填工艺。当煤房掘进到位后进行充填。矸石混凝土在胶结凝固的过程中会出现体积收缩的现象，充填高度越高，矸石混凝土凝固后收缩量就越大，这会严重影响充填的质量，而且一次充填高度过高，也会增加充填施工的难度。所以为了提高充填质量，充填煤房采用分层充填:首先充填下分层，一次充填高度为4.0 m，充填长度可根据现场的实际情况确定，等下分层的充填完成后，再充填上分层，充填高度2.5 m，但要注意上下两个分层之间充填间隔时间不能小于7 d，因为混凝土在凝固的前7 d内，强度会达到其强度的80%左右，收缩变形也会完成总变形的80%～90%。

2)充填接顶工艺。充填接顶质量的好坏直接决定了上覆岩层的变形，所以这是整个充填过程中最重要的一项工序，用以下工艺措施来保证充填体的接顶质量:在充填煤房上分层时，紧贴煤房顶板，在顶板中间预留一路注浆管，等煤房上分层充填完毕并等混凝土初凝时间达到7 d后，用预留的注浆管对充填体收缩后产生的间隙进行注浆。通过这一工艺就可防止充填体欠接顶而影响充填效果。

3 结语

利用煤矸石制备矸石混凝土进行充填开采，是一种矿产资源绿色开采方法，既解决了环境问题，又提高了煤炭资源采出率，是采煤技术的发展方向，本文提出了一种矸石混凝土间隔充填并使用连续采煤机进行开采的采煤方法，该法用充填体支撑煤层上覆岩层控制其下沉，并利用连续采煤机机动性能好的特点来开采充填体之间的煤，是一种回采率高、机械化程度高的采煤工艺。

［1］张华兴，郭惟嘉.“三下”采煤新技术［M］.徐州:中国矿业大学出版社，2008.

［2］刘同有.充填采矿技术与应用［M］.北京:冶金工业出版社，2001.

［3］孙恒虎，黄玉诚，杨宝贵.当代胶结充填技术［M］.北京:冶金工业出版社，2002.

［4］胡炳南，张玉卓，王明立.连续采煤机房柱式分层开采厚煤层技术研究［J］.煤炭科学技术，2000，28(10):46-48.

［5］魏学全.星村煤矿连续采煤机房柱式开采设计探讨［J］.煤矿现代化，2004，61(4):53-55.