矸石充填加高水材料注浆开采方式的实践应用研究_冯达文.pdf

92023 年第 2 期冯达文：矸石充填加高水材料注浆开采方式的实践应用研究冯达文：矸石充填加高水材料注浆开采方式的实践应用研究矸石充填加高水材料注浆开采方式的实践应用研究冯达文（山西焦煤华晋焦煤有限责任公司，山西 吕梁 033000）摘 要 为有效处理沙曲一号煤矿掘进施工中产生的矸石，在理论计算的基础上进行了矸石充填加高水材料注浆的应用研究。观测结果表明：煤矿地面最大下沉量 38 mm，最大倾斜值为 0.88 mm/m，下沉速度为 0.78 mm/d，地面下沉量对建筑物无破坏影响。关键词 矸石；充填；高水材料；注浆中图分类号 TD823.7 文献标识码 B doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.02.004Study on Practical Application of Grouting Mining Method of Gangue Filling and High Water MaterialFeng Dawen(Shanxi Coking Coal Huajin Coking Coal Co.,Ltd.,Shanxi Lliang 033000)Abstract:In order to effectively deal with the gangue produced in the excavation construction of Shaqu No.1 Coal Mine,the application study of gangue filling and high water material grouting is carried out on the basis of theoretical calculation.The observation results show that the maximum subsidence of the coal mine ground is 38 mm,the maximum inclination is 0.88 mm/m,the subsidence speed is 0.78 mm/d,and the ground subsidence has no destructive effect on the building.Key words:gangue;filling;high water material;grouting收稿日期 2022-07-09作者简介 冯达文（1986），男，山西文水人，2008 年毕业于山西大同大学煤炭深加工与利用专业，本科，工程师，现从事招投标管理工作，研究方向：工程项目管理和工程招标管理。冯达文：矸石充填加高水材料注浆开采方式的实践应用研究冯达文：矸石充填加高水材料注浆开采方式的实践应用研究1 工程概况山西焦煤华晋焦煤有限责任公司沙曲一号煤矿为煤与瓦斯突出矿井，4#煤层厚 1.35.4 m，均厚 4.2 m；煤层倾角 010，平均倾角 6；4#煤埋藏深度超过 550 m，内错尾巷+高抽巷和回风大巷布置在 4#煤层上方岩层中，便于日后对巷道进行维护管理。回风大巷采用 EQS3000 型盾构机机械化施工，平均日进尺 16 m，月平均矸石产量达到 1.6 万 t。针对排矸量大这一情况，实施了工业广场 4#煤巷掘进、矸石充填工艺1-7，就地处理井下矸石，4#煤巷净断面 5000 mm3500 mm，顶帮采用锚杆、索支护。2 充填方式的确定当 4#煤巷初期掘进结束后，可将中间煤柱的受力情况用作充填开采作业时充填体强度指标进行分析，可建立充填体力学模型，如图 1。图 1 充填开采时充填体受载分析示意图此时，充填体所需强度可根据公式（1）进行计算：()p=2 20.6h abbh+（1）式中：p为充填体所需强度，Pa；为顶板岩层密度，N/m3；h 为顶板下沉量，m；a 为充填体宽度，m；b 为两侧充填体宽度，m。将沙曲一号煤矿 4#煤数据代入公式（1）可计算得出：4#煤回风大巷充填体所需强度为 3.25 MPa。如直接采用矸石进行散装充填，其矸石充填体强度必定小于 3.25 MPa，因此设计在完成矸石充填作业后，采用高水材料对其进行注浆补充填。注入102023 年第 2 期的高水材料对矸石进行胶结，此时矸石充填体强度可超过 3.25 MPa，可达到理论计算所需要的充填体强度。即 4#煤巷可采用“矸石充填+高水注浆”开采方案。3 充填作业3.1 巷道充填装备矸 石 运 输 设 备：充 填 矸 石 运 输 选 用DSP1010/650型带式输送机，机头布置在巷道口部，以机头端受料，机尾端卸料。将自移充填抛矸机的卸载滚筒作为 DSP1010/650 型带式输送机可移动的机尾，增加卸载滚筒的自动调平、调向和调偏装置。选用的 CTS37.5/83 型抛矸机，在 4#煤层巷道应用时发现存在下面问题：当抛矸机处于巷道凸起段时，因高度方面的原因，自移有一定困难，行走部驱动力略显不足；由于履带宽度较窄，当底板浮煤较厚且巷道积水较深时，容易出现“趴窝”现象。对 CTS37.5/83 型抛矸机进行了改造：（1）将抛矸机的前端改成可伸缩结构，加大其调整范围，增强其对巷道高度变化的适应性；（2）在驱动功率不变的情况下，增大行走部分的传动比，降低行走速度，提高行走驱动力；（3）增大履带宽度，提高行走装置对底板坡度陡、浮煤厚、积水深等各种恶劣条件的适应能力。经改进的 CTS37.5/83 型抛矸机具有矸石抛填、行走和转向、卸载滚筒调偏、调平和调向功能，与 DSP1010/650 型带式输送机配套使用。抛矸机输送带左右可摆动角度 14.5，摆动最大宽度为 4.5 m，带速为 2.5 m/s，摆动高度在2.84.0 m 之间，移动速度为 0.5 m/s。抛矸机的输送带及行走机构为电驱动，液压驱动调整矸石充填抛矸机状态，充填时，可前后左右上下移动。3.2 巷道充填运输系统及充填工艺矸石经破碎机破碎到 150 mm 粒径后运送至矸石仓，由给料机、DSP1010/650 型带式输送机运至充填巷迎头，经抛矸机充填，充填完成后再进行高水材料的注浆充填密实。充填工艺如图 2。（1）矸石仓的矸石经给煤机落到充填巷带式输送机上，由带式输送机运到充填巷。（2）矸石经卸载滚筒落到充填抛矸机上，当卸载滚筒水平方向发生变化及抛矸机需左右、高低调节时，设计并使用一个超宽（2.2 m）的导料槽，可以实现正常受料。（3）充填抛矸机向巷道迎头抛填矸石时，通过调高千斤顶、摆动千斤顶实现左右、高低调节，实现最佳充填效果。（4）迎头巷道填满后，充填抛矸机向后推移一个步距（约 500 mm），输送带自动张紧。当完成 8 个步距（即 4000 mm）时，松开输送带，游动小车复位，张紧液压缸重新伸出，这时，拆除一节中间架，形成下一个循环开始。（5）在充填抛矸机推移过程中，通过自动调偏、调向及水平调整，保证充填巷带式输送机正常运行。1.螺旋筛；2.导料槽；3.矸石注浆泵；4.浓料换向阀；5.矸石充填管；6.空腔封堵管图 2 4#煤巷充填工艺示意图3.3 高水材料注浆充填高水材料由 A、B 两种粉料按 1:1 的比例组成，可将高比例水凝结为固态结晶体，从而使充填料浆在采场不脱水而变成固体。高水材料注浆充填主要设备为：2ZBYSB-55 型液压注浆泵 2 台，JDW-1500S 型搅拌桶 4 台。高水材料注浆充填工艺流程如图 3，主要有搅拌制浆、浆液输送、停止注浆、管路清洗等步骤。图 3 4#煤巷高水材料注浆流程示意图4 应用效果在 4#煤巷的地表建立岩移观测站，利用 GPS技术对地表沉降进行监测，结果表明：在巷道掘进初期，地面下沉量较少，下沉速度缓慢；矸石充填+高水材料注浆后，地面下沉量最大 38 mm，最大倾斜值为 0.88 mm/m，地面下沉速度为 0.78 mm/d，地面下沉量对建筑物无影响和破坏。5 结论为有效处理沙曲一号煤矿掘进施工中产生的矸石，进行了矸石充填加高水材料注浆开采技术的实（下转第 14 页）142023 年第 2 期践应用研究。在理论计算的基础上确定了矸石充填工艺参数。观测结果表明地面下沉量对建筑物无影响和破坏，矸石充填加高水注浆开采技术为矸石的处置提供了有效途径。【参考文献】1 潘明亮.煤矿矸石充填开采技术的研究与应用 J.煤炭与化工，2022，45（03）：41-44.2 徐慧刚.矸石充填开采及地表沉陷变形特征研究J.煤炭工程，2022，54（03）：131-135.3 刘小军.新元矿巷道矸石充填技术研究与应用 J.煤炭与化工，2021，44（12）：31-34.4 马云龙.前湾矿膏体材料连采连充技术研究与应用 J.山东煤炭科技，2021，39（06）：18-20+23.5 冉隆河，邵强，王翠清.井下巷道矸石充填输送机的开发与研制 J.煤矿机械，2010，31（09）：137-139.6 王中亮，刘海泉，王振虹.金裕达煤矿井下充填开采方案设计J.山东煤炭科技，2022，40（07）：60-63.7 窦晓峰.煤矿井下矸石充填工艺系统研究 J.河北煤炭，2007（06）：12-13.（上接第 10 页）围为 0.81.5 kg/m，取 0.9 kg/m。每孔共计 120.9=10.8 kg 炸药，炸药规格 300 g/卷，共 36 卷炸药。6 根聚能管，每根内安装 6 卷。装药封孔结构采用孔底不耦合连续装药，聚能药包定向预裂爆破。孔深 19 m，装药长度 12 m，封孔长度 6 m，孔径 55 mm，开孔距煤柱帮 200 mm，向采空区方向倾斜，与水平方向夹角 75，与巷道倾向方向垂直。单孔炸药量 10.8 kg，导爆索 12 m，雷管 2 发。装药结构见图 6 所示。每次起爆 1 组钻孔，每组 12 个，钻孔间距 1 m，爆破巷道长度 12 m，共需炸药 10.812=129.6 kg；导爆索 1212=144 m，雷管 24 发。图 6 装药封孔结构示意图（m）3.3 囊袋灌浆快速封孔工艺爆破效率取决于封孔速度，常规的炮泥封孔方式效率低下，10 个爆破钻孔封孔需要约 5 h，严重制约了爆破进度，且炮泥封孔多存在填塞不实现象，导致爆破时冲孔，影响了爆破质量。采用囊袋灌浆封孔工艺，聚能管装药后，将封孔囊袋塞入封孔段，连接注浆泵开始灌浆封孔。采用集中封孔方式，单孔封孔时间仅 5 min，1 h 以内完成 8 个爆破钻孔的封孔工作，然后连线、撤人，即可起爆，封孔效率提高了 400%以上。4 现场实施情况（1）在 1309（上）工作面回采之前，自切眼开始往外实施顶板预裂爆破，开始每天三班爆破，每日爆破巷道长度36 m。爆破5 d后，工作面开始回采，日回采进度约 3 m。爆破超前工作面进行，每日检修班一班爆破，每日爆破巷道长度 12 m，13092 巷全长 974 m，用时 90 d 完成整条巷道爆破工作。（2）A 段和 B 段在 1309（上）工作面回采前130 d 已经开始掘进，共用时 205 d。1309（上）工作面回采75 d、回采进度187.5 m时，C段开始掘进。D 段在爆破全部完成后开始掘进，此时 C 段已经掘进 90 m，剩余 884 m，C 段和 D 段对掘，累计进度12 m/d，用时 90 d 贯通，13111 巷形成。此时 1309（上）工作面剩余约 110 d 回采结束，超前 50 d 完成“1311（上）工作面要在 1309（上）工作面回采结束前 60 d 形成回采系统”的要求。（3）13111 巷形成后，对小煤柱侧和顶板进行了长期的矿压观测。巷道形成后，在 1309（上）工作面回采期间，煤柱帮鼓出量不足 60 mm，顶板下沉量不足 30 mm；在 1311（上）工作面回采期间，13111 巷超前段煤柱帮鼓出量不超过 300 mm，顶板下沉量不超过 120 mm。巷道变形量在可控范围内，完全满足了巷道安全使用要求。【参考文献】1 董传宝，田强，李金桥.赵家山窄煤柱沿空掘巷巷道布置与支护设计 J.山东煤炭科技，2022，40（05）：44-47.2 殷帅峰，左安家，马丽洁，等.中厚煤层窄煤柱沿空掘巷围岩稳定性研究 J.煤炭工程，2022，54（05）：90-96.