矸石充填采煤技术及矿压显现研究

刘丰春 郑 军

(山东省莱芜市高庄街道办事处鄂庄煤矿)

矸石充填采煤技术及矿压显现研究

刘丰春 郑 军

(山东省莱芜市高庄街道办事处鄂庄煤矿)

鄂庄煤矿1202工作面煤层平均埋深250 m，为保护地表构筑物,开展“绿色开采、以矸换煤”工程，采用矸石充填采煤工艺对工作面进行回采。观测分析充填工艺及回采期间巷道矿压及地表移动可知，工作面充填后，矿压明显降低，有利于沿空巷道维护；地表最大下沉值为240 mm，有效的控制了地表移动变形。

矸石充填 沿空留巷 矿压显现 地表观测

随着煤炭资源高强度开采，所造成的地表沉陷对地面建筑物、水体、堤坝等设施的破坏问题日益突出，且排放的矸石所含的金属离子对水资源、土资源造成污染，严重影响环境及矿区的可持续发展[1-4]。鄂庄煤矿1202工作面地面投影位置附近有宋家庄村、大汶河及农田，该工作面煤层平均埋深为250 m，如采用常规的开采工艺，回采后会对地面构筑物、河道等造成破坏。为此，根据工作面实际情况，开展“绿色开采、以矸换煤”工程，采用矸石充填采煤工艺对工作面进行回采，以最大限度地开采煤炭资源，降低对地表的破坏，确保大汶河水体下采煤的安全。

1 1202工作面概况

山东能源鄂庄煤矿1202工作面为102采区第2个工作面，位于-300 m水平。该工作面走向长度平均326 m，倾斜长度平均62 m，开采面积20 212 m2，平均标高-60 m。其东部为矿井东翼回风巷，南部1201工作面正在回采，北部1203工作面未开采，该面下伏其他煤层尚未开拓。煤层厚1.50～1.80 m，平均1.65 m，平均倾角5°，伪顶为0.5 m厚的灰黑色粉砂岩，易离层冒落，基本顶为厚约13 m 的灰白色中砂岩，较为稳定。

2 矸石充填采煤工艺

2.1 采煤工艺

根据1202工作面巷道布置，采用工作面高档普采，走向长壁后退式的采煤方法。工作面顶板运输巷上帮3 m全部矸石充填，采取预挂顶梁，柱梁同步升起的支护形式，运输巷采用沿空留巷。矸石充填采用“见六充三、边采边充”方式。工作面采用DY-150W 型单滚筒采煤机落煤、装煤，SGB-630/150型刮板输送机运煤，基本支护为DZ系列单体液压支柱配HDJA-1000型金属铰接顶梁。采高1.65 m，循环进度为1.0 m。当断层落差较大，顶板破碎难以支护时，需要采用炮采处理。运输巷采用沿空留巷，既可以节省一条巷道，降低生产成本，缓解矿井采掘接替紧张局面。1202工作面煤层顶板基本顶来压明显，如不采取充填工艺，在两次采动支撑压力重新分布期间，矿压显现剧烈，巷道难以支护，不利于工作面安全回采。

2.2 矸石充填工艺

用“见六充三，边采边充”，即当工作面推采控顶距达到6.6 m时，从切顶排算起，运输巷上帮以上3 m范围采用矸石袋充填接顶后，作为矸石充填的下边界，自第1～第4排3个支护空档内开始矸石充填。推采与充填平行作业，充填完一个循环后铺设运矸溜子继续下一个充填循环，实现不间断推采和充填(如图1所示)。在充填作业时，倾斜方向和回采方向分别采用自上而下、由采空区侧向煤墙侧充填的方式。掘进工作面排出矸石运至102采区卸入矸石仓，通过耙装机与胶带输送机转载，运至工作面由SGB/420-40B型刮板输送机转运至抛矸机抛入充填迎头，使用捣实机捣实。

图1 工作面充填和支护

2.3 充填配套设备

2.3.1 抛矸机

抛矸机是整个充填系统中的关键设备，经过不断改进，其传动已升级为电滚筒传动，整机结构稳固性强，适应现场的条件变化，抛矸速度稳定，能确保矸石被抛出一定距离，减少设备移动的频率。主要技术参数如表1所示。

表1 抛矸机主要技术参数

2.3.2 捣实机

自主研发的液压捣实机，具备自移全方位行走、捣实充填矸石的功能，主要有履带行走机构和推移捣实机构组成。推移千斤顶前端安装的铲板，对充矸石捣实作用明显。铲板采用锥形设计，降低了推移千斤顶阻力。主要技术参数如表2。

2.4 生产组织

1202工作面循环作业方式为“见六充三、边采边充”，生产出煤速度快，受充填设备自身高度限制，顶板破碎、过断层期间，需合理控制工作面采高，以便于设备通过。当控顶距达到6.6 m时，充填区按柱距0.7 m支设7架π型钢代替正规支护，自老空侧至煤壁按3 m宽度自下而上开始充填。因抛矸机抛出矸石水平角度固定，抛矸机两侧为盲区，矸石受自重滑落，不能接实顶板。投入捣实机，实现了前后行走、左右调头、自动升降和捣实过程的自动化控制，操作灵敏，行走速度快，爬坡能力大，减少了工人的繁重体力劳动，提高了充填效率及密实度。

表2 捣实机技术参数

3 矿压显现及地表变形观测分析

3.1 巷道变形观测

现场回采过程中，对运输巷深部位移和表面位移进行观测。表面位移采用十字法布点观测，深部位移分别在巷道顶板和两帮打1,2,3 m钻孔观测。如表3、表4所示。通过对数据分析可知：在本工作面回采期间，尤其是在工作面煤壁前方约20 m范围内，受2次采动支承压力重新分布的影响，巷道表面位移仍有明显变化：顶板下沉15%，两帮移近位移量占到30%以上。巷道两帮受采动影响变形集中在煤壁前方30～40 m，而顶底板变形主要集中在煤壁前方25～30 m。运输巷深部位移观测数据表明，3 m以上范围顶板基本不发生移动，整体性较好，说明工作面采取充填工艺后，矿压显现明显降低，有利于巷道维护。

表3 回采期十字法布点观测运输巷表面位移

表4 运输巷深部位移观测

3.2 地表移动变形观测

在1202工作面对应地表沿走向与倾斜方向各设置一条观测线，整个回采期间的观测数据，地表最大下沉值为240 mm，为煤层平均厚度的14.5%。通过计算：工作面回采后最大曲率变形-0.02×10-3m-1，最大水平变形-1.0 mm/m，最大倾斜变形-0.5 mm/m。根据“三下”采煤规程,可进行简单维修或不修。

4 结 论

(1)工作面充填采用 “见六充三，边采边充”的方式，空顶距小，有利于安全生产，回采与充填平行作业，实现不间断回采和充填，保证生产效率。

(2)捣实机的使用减少了工人的繁重体力劳动，提高了充填效率、密实度。

(3)运输巷道3 m以上范围顶板基本不发生移动，整体性较好，表明工作面采取充填工艺后，矿压显现明显降低，有利于巷道维护。

(4)地表最大下沉值为240 mm，表明地下开采对地面构筑物基本没有影响。

[1] 郭文兵,柴华彬.煤矿开采损害与保护[M].北京:煤炭工业出版社,2008.

[2] 国家煤炭工业部.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[S].北京:煤炭工业出版社,2000.

[3] 耿德庸,仲惟林.用岩性综合评价系数P确定地表移动的基本参数[J].煤炭学报,1980,12(4):13-24.

[4] 邹友峰.开采沉陷预计参数的确定方法[J].焦作工学院学报,2001,20(4):253-256.

2014-11-06)

刘丰春(1968—)，男，工程师，副总工程师，271100 山东省莱芜市。