关汉杰

（长治市上党区应急管理局，山西 长治 047100）

雄山煤矿经过多年开采，地面矸石山堆积大量矸石，矸石外排问题日益突出。矸石外排不仅会污染环境，而且破坏了地表生态。为了解决矸石外排问题，同时保护和改善矿区生态环境，促进资源开发和生态环境协调发展，实施井下矸石充填利用势在必行[1-3]。

1 工程概况

雄山煤矿为资源整合矿井，生产能力120万t/a，目前开采15号煤层。煤层平均厚度为3.78 m，埋深约180 m，煤层大部含1层夹矸，局部含2层夹矸，夹矸厚度在0.6～1.0 m之间。煤层直接顶板为粉砂岩或K2石灰岩，底板为泥岩和砂质泥岩。15号煤含矸量较大，预计年产矸石量为16万t。为了解决矸石外排问题，在15号煤层风井保护煤柱内增加一个充填开采区域，不仅处理矸石提高煤质，而且可以提高矿井资源回收率，同时能够为后期村庄和工业场地地下开采提供依据。

2 矸石巷道充填工作面设计

2.1 工作面布置

矸石充填区域位于15号煤层一采区巷道和15号煤层南北大巷交汇处西北角，东西长310 m，南北长180 m。在15号煤层胶带大巷处开口，平行于15号煤层一采区巷道掘进集中进风巷，掘进约322 m后在北部平行于集中进风巷掘进一条集中回风巷，与15号煤回风大巷沟通，形成独立的通风系统。从集中进风巷开口，沿走向向南部东西向的15号煤层总回风巷布置支巷，支巷与15号煤总回风巷不贯通，留设6 m保护煤柱，通过局扇通风。各支巷之间留有5 m的保护煤柱。充填工作面布置如图1，开采区域共设计22条支巷，支巷回采顺序为支巷1、3、5、7、9、11、13、15、17、19、21，之后开采支巷2、4、6、8、10、12、14、16、18、20、22。

图1 充填工作面布置图

2.2 充填工艺

采用跳采间隔充填的方式[4-5]，先采奇数支巷，留设偶数支巷，开采奇数支巷时边掘边充，以此类推。奇数支巷回采充填完毕后再回采偶数支巷。单个支巷内采用分段充填工艺，每个分段长约50 m，矸石充填达到70%后，设临时挡墙，在上部铺设管路进行注浆充填，直到该段支巷充填密实，接顶率不小于95%。最后一段矸石充填后在支巷端头设密闭墙后，通过密闭墙上部预留注浆孔进行注浆充填。充填工艺流程如图2。

图2 充填工艺流程图

2.3 巷道宽度确定

在保护煤柱下方充填，需保证充填后地表沉降可控，地表建筑物不出现破坏。巷道充填开采，其顶板可看作是两侧煤柱支撑的“梁”结构，按简支梁模型进行计算，可知掘进巷道跨距小于直接顶的垮落步距即可，但考虑到掘进施工，综合确定充填支巷宽度以6 m为宜。考虑为充填矸石使用，巷道掘进高度以沿顶接底为宜，该区域初步极端巷道高度4 m。

2.4 资源回收率及充填量

（1）资源回收率

根据工作面布置及开采范围，结合矿井保护煤柱设定，本次充填区域占用可采储量约20.4 万t（不含保护煤柱储量）。填充工作面采用以掘代采，共布置集中进风巷、集中回风巷以及22条支巷进行开采，掘进断面均为6 m×4 m，为全煤巷道。计算可采出煤量约13.6 万t，回采率为66.7%。可采出煤炭量见表1。

表1 可采出煤炭量

（2）充填量

充填支巷可充填体积约为82 368 m3，矸石充填量包括矸石充填消耗量和膏体充填消耗量两部分，具体为：① 矸石充填量：支巷形成后，首先充填破碎后的矸石，充填率为70%，松散系数可取1.25，矸石松散干密度可取1.28 t/m3，计算矸石充填量为7.38万t；② 膏体充填量：矸石充填后，剩余空间采用膏体充填，膏体充填体积为剩余巷道的30%及矸石松散缝隙，计算充填体积为36 242 m3。根据材料配比，每立方膏体消耗矸石0.427 t，计算膏体消耗矸石总量为1.55万t。总计填充区域共填充矸石约8.93万t。

3 充填工艺系统及材料

3.1 充填工艺系统

本次充填采用破碎矸石抛掷充填和膏体充填相结合的技术工艺。

（1）破碎矸石抛掷充填工艺

地面洗选系统产生的矸石采用FP63AS型破碎机破碎，粒度不大于25 mm，破碎后的矸石通过溜矸井运输至井下。溜矸井垂直打设，直径650 mm，采用Ф529 mm×14 mm无缝钢管为套管。在井下溜矸眼布置一台GLW500/7.5型给料机，给料机下方采用一台2#带式输送机衔接，将矸石运输至井下矸仓。在每个工作面布置一台3#带式输送机和一台TCD80/30 型矸石填充机，将矸石运输至采空区。

（2）膏体充填工艺

膏体制备中的矸石来自井下矸石仓，在矸石仓南侧联络巷设一膏体制备硐室，膏体采用HBMD100/21-220S煤矿用混凝土泵经Ф159 mm×8 mm管路输送至填矸巷使用。

矸石仓内矸石落入下方梭式矿车内，梭式矿车前方布置一台双转子反转式破碎机，将矸石破碎至粒度不大于10 mm，之后再经4#带式输送机运至搅拌机，经添加粉煤灰、水、水泥等添加剂，在搅拌机内搅拌混合后经管路运输至填矸巷。膏体充填线路：井下矸石仓→给料机→梭式矿车→破碎机→4#带式输送机→搅拌机→充填泵→15号煤胶带大巷充填管路→15号煤集中进风巷充填管路→支巷。膏体充填线路布置如图3。

图3 膏体充填系统流程图

3.2 充填材料

本次巷道充填首先采用破碎矸石抛掷充填，占比70%，之后采用膏体充填。膏体充填材料采用胶结料、煤矸石、粉煤灰为主材料进行配比制作，胶结料采用水泥，煤矸石粒度不大于10 mm。水泥、粉煤灰、煤矸石和水之间的比例为1:4:5:5，质量浓度为67%。膏体坍落度为240±20 mm，可泵时间不小于2～4 h，28 d单轴抗压强度不小于1 MPa。材料配比见表2。

表2 膏体材料配比

4 充填效果分析

4.1 地表岩移

在充填回采区域按煤层倾向和走向分别设置地表岩移观测站，建好后首先进行连接测量，之后进行全面测量，最后在充填期间进行日常测量。通过近一年的观测，充填开采区域地表最大垂直位移为13 mm，最大水平位移2 mm。表明采用间隔巷道充填开采后，地表位移控制良好，能够满足地表构筑物安全使用要求。

4.2 经济效益分析

本次充填区域可采出煤炭资源13.6万t，原煤售价为480元/t，掘进吨煤成本为215元/t，矸石充填总造价为2 934.55万元，膏体充填材料成本为247万元。综合计算本区域采用充填开采可盈利422.45万元，采用矸石充填可以节约矸石外排处理费用，实现矿井矸石不出井，保护生态环境，实现绿色开采。

5 结语

通过矸石充填开采技术，回收矿井保护煤柱，不仅可以提升矿井煤炭资源回收率，延长矿井服务年限，而且可以处理矸石，减少矸石地面排放，保护和改善矿区生态环境，促进资源开采与生态环境协调发展，同时为矿井实现绿色开采和“三下”开采提供参考借鉴。