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大倾角煤层巷内矸石膏体充填置换煤柱技术探讨

2024-08-14 74 上传者：管理员

摘要：为使孟家窑煤业尽可能实现矸石零排放的目标，并提高煤炭资源采出率，以孟家窑煤业21202工作面为工程背景，提出了大倾角煤层巷内矸石膏体充填方法。重点介绍了巷内矸石膏体充填空间的隔离墙构筑、柔性膜袋支设和空间维护的技术，阐述了充填工艺流程和充填过程安全管控措施。孟家窑煤业若采用该方法充填巷道，可取消区段平巷煤柱，实现以矸换煤，保护矿区环境，且可年增收节支6 018.5万元，具有显著的经济和社会效益。该技术可为条件类似的矿井推广应用提供参考。

关键词：
以矸换煤
大倾角煤层
巷内充填
柔性模袋
矸石膏体
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孟家窑煤业每年在掘进、采煤和原煤洗选过程中排出的矸石大约30万t。煤矿矸石必须依据《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》和《中华人民共和国环境保护税法》等规定进行排放，矸石排放费用较高，且排放矸石会对环境造成污染[1-2]。大倾角煤层巷内矸石膏体充填技术可以最大化地利用矸石置换区段煤柱，消耗矿井矸石，实现无煤柱开采[3-6]。

为了减少孟家窑煤业矸石排放量，降低矸石处理费用，保护矿区生态环境，提高煤炭资源回收率，改善采掘紧张关系，基于孟家窑煤业煤层赋存情况，开展了大倾角煤层巷内矸石膏体充填技术探讨，提供了巷内矸石膏体充填置换煤柱技术实施方案，将在孟家窑煤业21202工作面实施。

1、工程概况

孟家窑煤业设计生产能力1.20 Mt/a，矿井服务年限100.9 a，矿井采用斜井单水平开拓方式。矿井工业场地内开凿主斜井、副斜井。全井田划分一个水平开拓，水平标高+1 300 m，井下布置一组南北向的大巷开拓全井田，划分三个上山采区以及两个下山采区，分采区布置上山。

孟家窑煤业21202工作面（试验面）位于21采区下山北侧，工作面北侧为F12断层，南侧为主斜井保护煤柱，西侧为北翼大巷保护煤柱，东侧为未开采地工作面。试验面倾斜长度180 m，走向长度792 m。工作面主采2#煤层，煤层厚度2.10～4.59 m，平均3.65 m；煤层倾角平均23°；煤层总体呈西部厚东部薄，属中厚—厚煤层。2#煤层夹矸0～4层，结构为简单—复杂；顶板多为中—细粒砂岩和砂质泥岩，局部为泥岩；底板为砂质泥岩和泥岩，局部为细粒砂岩和粗粒砂岩。工作面运输巷沿2#煤底板掘进，巷道断面为梯形断面，巷道净宽4.8 m，净高3.3 m；上帮高4.4 m，下帮高2.2 m。巷道支护方式采用锚梁网和锚索补强型的组合支护方式。

2、巷内矸石膏体充填空间构筑方法

巷内矸石膏体充填无煤柱开采方法是指在工作面开采的过程中，通过敷设充填管路及时向采空区一侧的工作面运输巷内充填矸石膏体，待工作面回采结束一段时间后，再沿矸石膏体墙一侧掘进下一个工作面的回采巷道，实现无煤柱开采。工作面详情如图1所示。

图1 巷内矸石膏体充填体无煤柱开采技术

2.1 隔离墙构筑

试验面运输巷为全巷道充填施工，按设计的配比制成矸石膏体后直接由管路泵送充填至巷道内。根据巷道实际情况合理设置隔离墙（单体模板），为充填施工做好准备。因巷道充填要为以后无煤柱开采创造条件，故对充填体强度、初凝时间有一定要求。矸石膏体充填材料配比根据凝结情况适量添加水泥和缓凝剂，减少堵管概率和堵管后处理难度。由于矸石膏体流动性较差，被充填的巷道又为梯形，巷道顶部难以充填密实，必要时采用高水充填材料进行接顶。

2.2 柔性模袋支设

试验面运输巷采用柔性模袋进行充填。即在工作面推采前巷道支护未受到破坏时进行充填，充填柔性模袋与工作面端头支架平行布置，液压支架A和支架B维护充填空间，如图2所示。模袋长度根据工作面推进度定为3.6 m，模袋紧靠巷道下帮布置，与端头支架A间距1.0 m，以满足支模和拆模作业需要，充填体（模袋）宽度3.8 m。膜袋由顶部锚索和帮部锚杆固定，两个自由面用单体支柱支撑，单体支柱单排布置，间距0.6～0.8 m。充满模袋形成稳定的充填体后再进行生产作业，支架尾梁末端接近充填体外沿时，进行下一循环的充填施工。

图2 膜袋、支架布置平面

2.3 充填工作空间维护

为防止充填体初凝前受压破坏，需提前在工作面下出口放置一备用支架A，原工作面端头支架B不随推采移动，空出区域由备用支架A补充，支架B滞后在采空区内进行支护，为充填体凝固和拆模施工创造安全条件，如图3所示。

图3 膜袋、支架布置侧面

3、巷内矸石膏体充填工艺

3.1 充填工艺流程

充填工艺系统分为地面和井下两个部分。试验面运输巷内矸石膏体充填工艺流程如图4所示，在地面充填站把充填材料按配比制备好，矸石膏体通过充填管路→主斜井→井底车场接力充填站→充填管路→21采区回风下山（或胶带运输下山）→21采区中部车场→试验面运输巷→充填地点。由于输送线路较长，在井底车场联络巷（或新掘巷道）布置接力充填站。

图4 巷内矸石膏体充填工艺流程

3.2 充填过程安全管控措施

根据工作面充填开采工艺特点，结合工作面所在位置地质情况，对试验面工作面进行专项安全风险辨识评估。工作面潜在的重大灾害因素有：充填系统堵管、爆管；充填空间瓦斯等有害气体超限；支巷隔离墙搭设不牢固；支巷掘进过程中顶板破碎。

根据试验充填工作面风险辨识评估结果，在工作面充填作业过程中，针对存在有安全风险的地点及风险类型，提出以下几方面的管控措施：

(1）充填系统预防爆管安全技术措施

①充填站各岗位严格按程序进行操作，充填膏体严格按规定进行配比，特别是水量的控制，严禁过稠或过稀的不合格膏体下井。②对各物料进行筛选，保证不含铁块等杂物。③管道沿程设置多组压力检测装置并将信号远传至中控室计算机，当管道压力超过设定值时能及时报警，充填站即刻停泵并采取相应处理措施。

(2）井下预防堵管安全技术措施

①充填前必须详细检查干线充填管路的连接是否稳固，管路是否有渗漏等现象；必须详细检查待充填区的密封是否可靠，只有检查合格后才可以进行充填。②充填前检查充填管路沿线管阀操作是否灵活、可靠；阀门操作工必须按照充填程序进行操作。③如因工作面问题或其他原因需要停止泵送，停泵时间不得超过2 h。若超过2 h，则按正常程序进行清洗管路。如出现突然停电，若超过2 h，则需打开充填管路沿线泄浆阀，将管道内的膏体卸出。

(3）处理充填管路堵塞技术措施

①根据测压泄浆阀在线监测的压力显示及时判断出堵管位置，确定后及时向矿调度室及有关领导汇报。②在拆卸充填管路前，必须与集控室联系好，确认反泵泄压后方可进行拆管施工；在拆管时现场必须统一指挥。③在对管道进行锤击过程中应单人轮换进行锤击震动，严禁两人或两人以上作业；其他人员远离现场5 m以外，并负责照明；在锤击前，操作人员要清理好后退路，防止膏体突然喷出，人员躲避不及，造成事故。④用高压水反向冲洗管路时，操作人员必须戴好防护头盔，高压管必须固定在长度不小于5 m的长柄工具上进行冲洗；除操作人员外，其他人员严禁在堵塞管路附近逗留，须躲避到安全地点。⑤在用高压水反向冲洗管路时，操作人员时刻注意管路内膏体情况，严禁正对着充填管管口方向进行操作。

(4）待充填区安全技术措施

①充填工作人员进入待充填区作业前，待充填区内的瓦斯含量不能超限，且待充填区内的氧气含量和温度达到适合工作人员进行作业的条件。②人员在待充填区作业时，待充填区内必须保持正常通风，施工负责人应携带瓦斯、氧气两用便携检测仪，并随时检测作业地点的瓦斯、氧气浓度。③工作人员进入待充填区内作业时要严格执行“敲帮问顶”制度，及时将顶板、煤壁和支柱间松动的煤或岩石块全部清除。④顶板破碎或裂隙发育时，对待充填区内空顶区域须加强支护。

(5）隔离安全技术措施

①隔离前必须确保隔离区域内人员全部撤离，设备等全部撤出。②在隔离工作进行时，所有人员必须在顶板支护完好条件下作业，严禁空顶作业。③在隔离工作完成前，必须确保隔离模板稳固牢靠；隔离完成后，在充填工作开始之前，不得对已经隔离好的隔离模板进行任何操作。

(6）顶板安全技术措施

对冒顶高度超过支柱最大高度，且没有有效支护的区域，可采取下列措施：①对超高区挂网、打锚杆锚索、垫木垛/木棚，在木垛/木棚支护下完成隔离充填工作，后期再对木垛/木棚区域进行补充充填。②对超高区支柱上方袋式充填发泡材料，在该假顶支护下搭设木棚，完成隔离充填工作。

4、充填体制备

4.1 充填材料选择

膏体材料是一种细颗粒固体物料脱水浓缩或细颗粒与水混拌而成，含水量低，形成似牙膏的浆体。考虑到孟家窑煤矿充填开采的需求，为有效缓解矿区矸石堆放造成的环境污染压力，决定采用破碎后的煤矸石作为充填体的组骨料，用附近电厂的粉煤灰为细骨料，普通硅酸盐水泥为胶结材料。

4.2 充填体材料配比

根据不同配比把所有材料充分混合之后取得浆料，先开展坍落度、泌水率、凝结时间测试，残留浆料装至10 cm3的正方形模具当中，用震荡台将浇筑的材料震荡均匀后等待凝固，初凝后放入养护箱，在温度为20±2℃，相对湿度95%的环境下进行养护。

通过对不同配比的充填体力学性能进行测试了解到，水泥与矸石质量比1∶4，粉煤灰与水泥质量比1∶2，料浆质量浓度为80%，早强剂添加量为1.6%的材料配比下，膏体试件28 d的单轴抗压强度可以达到14 MPa左右，能够满足要求。（下转12页）

5、巷内矸石膏体充填效益

5.1 经济效益

孟家窑煤业21202工作面按采高3.65 m，区段煤柱10.0 m，年推进度1 584.0 m，煤的容重1.44 t/m3计算，则巷内矸石膏体充填可多回收煤柱8.33万t。吨煤售价按790元计算，则每年可多创收6 580.7万元。矸石充填系统总投资为5 622.2万元，按10年折旧计算，则矿井每年增收节支为6 018.5万元。若技术成果在全矿井工作面中推广应用，其经济效益会更加显著。

5.2 社会效益

矸石膏体充填无煤柱开采除具有显著经济效益外，还有以下社会效益：

(1）保护资源，实现持续开采。采用巷内矸石膏体充填控制顶板，工作面无明显的压力显现，从而降低顶板、水等自然灾害的发生概率，提高开采安全系数。

(2）提高煤炭资源采出率，延长矿井服务年限。

(3）保护环境，实现绿色开采。作为一种绿色采矿方法的矸石充填开采技术，能够保护水资源不受煤矸石污染。

6、结论

1）针对孟家窑煤业的实际生产情况，提出了“大倾角煤层巷内矸石膏体充填方法”，该方法可使矸石得到资源化利用，既提高了煤炭资源回收率，又保护了矿区生态环境，实现了真正意义上的无煤柱开采。

2）“巷内矸石膏体充填开采技术”可以置换工作面区段煤柱，改善采掘关系紧张的局面。

3）巷内矸石膏体充填技术在孟家窑煤业应用后，矿井每年将可增收节支约6 018.5万元，经济效益显著。该技术对于实现矿区经济效益、社会效益和生态效益最大化，具有重要的现实意义。

参考文献:

[1]张重阳.综采面运输巷机械化原巷充填采煤工艺研究[J].江西煤炭科技,2022(4):34-37.

[2]李春.高河能源E1302工作面分层充填开采技术分析[J].江西煤炭科技,2021(1):12-15.