吳 強(qiáng) 王思貴 張吉雄 黃艷利

（1.四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院煤礦所，四川省成都市，610045；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；3.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室，江蘇省徐州市，221008）

為解放 “三下”壓煤，提高煤炭資源的回采率，減少煤炭開采過程中的固體廢棄物排放，控制綜采工作面礦壓等，我國學(xué)者自主研發(fā)了綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)。該技術(shù)包括固體充填材料連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)，其中垂直投料系統(tǒng)為該系統(tǒng)的核心技術(shù)，另外還包括井下矸石制備系統(tǒng)。

為了能夠保障該技術(shù)在煤礦安全高效地得到實施應(yīng)用，需要將幾個系統(tǒng)進(jìn)行配合工作。首先是選擇合適的充填物料來源；其次是將固體充填物料連續(xù)運(yùn)輸?shù)骄?；第三是井下掘進(jìn)與煤流矸石制備固體充填材料。

1 固體充填材料來源分析

可以選用煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物作為固體充填材料，將材料從地表通過連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)到井下充填工作面，從而達(dá)到控制采空區(qū)頂板下沉、減少地表沉陷的目的。

（1）矸石來源。煤矸石是煤炭開采過程中產(chǎn)生的一種灰分高、含碳量低、排放量大的固體廢棄物。堆積的矸石山給環(huán)境帶來很大危害，因此矸石是一種合理的充填材料。因矸石來自井下，也可通過井下掘進(jìn)與煤流矸石制備固體充填材料系統(tǒng)，將掘進(jìn)與煤流矸石直接由井下回填到充填區(qū)。

（2）粉煤灰來源。粉煤灰是燃煤電廠等排出的主要固體廢物，其排放量大，利用率低，可選用粉煤灰作為固體充填材料。

（3）其他充填材料來源?？梢愿鶕?jù)煤礦開采的周邊條件選取，如風(fēng)積沙、建筑垃圾等固體廢棄物作為充填材料。

2 地面充填材料運(yùn)輸系統(tǒng)

固體充填材料保障系統(tǒng)包括地面充填材料運(yùn)輸系統(tǒng)、井下掘進(jìn)矸石與煤流矸石制備系統(tǒng)等，其中充填物料的運(yùn)輸是制約充填開采技術(shù)發(fā)展的瓶頸。系統(tǒng)主要包括洗選矸石制備系統(tǒng)、矸石山矸石制備系統(tǒng)以及固體充填物料垂直投放系統(tǒng)。因不同充填物料的運(yùn)輸系統(tǒng)基本相同，本文主要以矸石為例介紹其制備、運(yùn)輸系統(tǒng)。

2.1 洗選矸石制備系統(tǒng)

洗選矸石制備系統(tǒng)是指地面洗選廠分選出來的矸石轉(zhuǎn)移到投料井投放口處的具體工藝過程。其具體過程為矸石從洗選廠分選出來，通過運(yùn)矸車、梭式礦車運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)到運(yùn)矸帶式輸送機(jī)上，然后通過轉(zhuǎn)載機(jī)將矸石裝載到篩分破碎機(jī)，選出符合充填規(guī)格的充填材料，在投料控制臺的控制下通過帶式輸送機(jī)運(yùn)到投料井口。

2.2 矸石山矸石制備系統(tǒng)

矸石山矸石制備系統(tǒng)是指地面矸石山堆積的矸石經(jīng)過一系列運(yùn)輸至投料井投放口處的具體工藝過程。其具體過程為矸石山上的矸石通過推土機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板輸送機(jī)運(yùn)輸裝載到篩分破碎機(jī)上，通過篩分破碎機(jī)的篩分與破碎，篩選出符合充填規(guī)格的充填材料，在投料控制臺的控制下通過帶式輸送機(jī)運(yùn)到投料井口。

2.3 固體充填物料垂直投放系統(tǒng)

固體充填物料垂直投放系統(tǒng)是將固體充填物料從地面運(yùn)輸至井下的運(yùn)輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)在我國一些礦區(qū)成功應(yīng)用。

2.3.1 固體物料垂直投放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

充填采煤固體物料垂直投放系統(tǒng)可將地面的固體物料連續(xù)運(yùn)輸至井下，它主要由地面控制臺、投料管道、維護(hù)硐室、緩沖器、儲料倉等組成。地面控制臺是固體物料垂直投放系統(tǒng)的控制中心，擔(dān)負(fù)控制投料工作；投料孔是固體物料運(yùn)輸至井下的主要通道，它擔(dān)負(fù)了固體物料最長距離的運(yùn)輸，其深度一般為50～800m；由于投料過程中具有很大的沖擊力，為了保護(hù)井下設(shè)備和工作人員的安全，在儲料倉上口設(shè)置緩沖器，以緩減投料沖擊力。充填采煤固體物料垂直投放系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 充填采煤固體物料垂直投放系統(tǒng)布置圖

2.3.2 固體物料垂直投放系統(tǒng)的工作原理

將地面的固體物料通過垂直投放系統(tǒng)運(yùn)輸至井下是一個連續(xù)化的過程，其工作原理是通過地面控制臺將不同的固體物料從支管道連續(xù)給入主管道，并利用地面控制系統(tǒng)控制固體物料的配比及投料速度，不同的固體物料在主管道內(nèi)自動混合后垂直下落，當(dāng)混合物料接近井底時，首先經(jīng)儲料倉上部的緩沖器緩沖后，進(jìn)入呈斜錐狀的儲料倉向下滑落并堆積，當(dāng)混合物料堆積高度達(dá)到滿倉報警位置時，通過信號傳感器的信號輸出傳至地面控制臺，由地面控制臺控制停止投料工作，當(dāng)井下充填開采工作面將儲料倉內(nèi)的混合物料用完后，進(jìn)行下一循環(huán)的投料工作。

3 井下掘進(jìn)矸石與煤流矸石制備系統(tǒng)

3.1 井下掘進(jìn)矸石制備系統(tǒng)

井下掘進(jìn)矸石制備系統(tǒng)是指將井下掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的矸石通過矸石制備系統(tǒng)以及輸送、轉(zhuǎn)載等工序直接在井下充填到工作面的系統(tǒng)。

井下掘進(jìn)矸石的制備系統(tǒng)主要工藝為運(yùn)輸、篩分、破碎、儲存等，其工藝過程根據(jù)不同礦區(qū)的實際工程而不同。一般而言，掘進(jìn)工作面的矸石經(jīng)破碎機(jī)破碎后轉(zhuǎn)載到帶式輸送機(jī)上運(yùn)到矸石倉，再用帶式輸送機(jī)運(yùn)到工作面運(yùn)輸巷，再由充填物料轉(zhuǎn)載輸送機(jī)運(yùn)到充填工作面進(jìn)行充填開采工作。

3.2 煤流矸石制備系統(tǒng)

煤流矸石制備系統(tǒng)是指將井下洗選出來的矸石直接到充填工作面的過程。其主要工藝有篩選、運(yùn)輸、破碎、充填等。具體過程就是將井下洗選出來的矸石通過破碎機(jī)破碎后轉(zhuǎn)載到輸送機(jī)上運(yùn)到矸石倉或直接運(yùn)到充填工作面，從而實現(xiàn)矸石井下直接利用。這個系統(tǒng)與掘進(jìn)矸石制備系統(tǒng)一樣，可以減少矸石排出量，能夠解放 “三下”壓煤，降低煤礦開采成本。

上述兩套系統(tǒng)可以將采煤矸石井下直接充填，不僅節(jié)省礦井的運(yùn)輸費(fèi)用，還能減少矸石排放，很好地實現(xiàn)巖層控制，是礦山綠色開采的一個發(fā)展方向。

4 工程應(yīng)用

濟(jì)寧花園煤礦隸屬于濟(jì)寧能源發(fā)展集團(tuán)，井田全部為 “三下”壓煤，為了提高采出率，采用了固體充填開采方法進(jìn)行開采。

4.1 投料井地面運(yùn)輸系統(tǒng)布置

基于簡單、高效、低故障率的原則和對運(yùn)輸系統(tǒng)的性能要求，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和分析，確定地面運(yùn)輸系統(tǒng)方案。矸石山矸石由推土機(jī)和裝載機(jī)推至刮板輸送機(jī)上，經(jīng)轉(zhuǎn)載機(jī)投入破碎機(jī)，破碎后的矸石進(jìn)入帶式輸送機(jī)走廊，經(jīng)帶式輸送機(jī)運(yùn)送至投料井投放到井下，其工藝流程如圖2地面部分所示。

4.2 固體充填物料垂直投料輸送系統(tǒng)

地面矸石等固體物料經(jīng)篩分、破碎等前期工序后運(yùn)輸至垂直投料輸送系統(tǒng)井口，物料被投放至投料井內(nèi)經(jīng)緩沖裝置緩沖后進(jìn)入儲料倉，工作面充填時將其通過給料機(jī)放出，再經(jīng)帶式輸送機(jī)運(yùn)至工作面，垂直投料輸送系統(tǒng)的主要設(shè)備包括地面運(yùn)輸裝置、緩沖裝置、滿倉報警裝置、清倉裝置、控制裝置等。

4.3 井下掘進(jìn)矸石制備系統(tǒng)

花園煤礦井下矸石產(chǎn)出地點有東翼大巷的掘進(jìn)頭與二采區(qū)下山掘進(jìn)頭，其中主要產(chǎn)矸地點為東翼大巷的掘進(jìn)頭位置。

井下掘進(jìn)矸石制備系統(tǒng)使井下掘進(jìn)矸石不需要提升至地面，直接進(jìn)入充填矸石運(yùn)輸系統(tǒng)用于工作面充填。因為掘進(jìn)矸石的產(chǎn)出量不穩(wěn)定，產(chǎn)出地點不斷變化，因此需要在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置矸石倉，用于掘進(jìn)矸石的臨時存儲。同時，由于掘進(jìn)矸石粒徑較大不能直接用于充填，需要用破碎機(jī)對其進(jìn)行破碎，當(dāng)矸石粒徑過大，不能進(jìn)入破碎機(jī)時，采取布置密集炮眼爆破破碎或者人工破碎的方式減小矸石粒徑。運(yùn)矸聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)設(shè)備布置如圖3所示。

圖2 花園煤礦固體充填物料垂直投料輸送系統(tǒng)布置圖

圖3 運(yùn)矸聯(lián)絡(luò)巷設(shè)備布置示意圖

4.4 應(yīng)用效果

綜合機(jī)械化固體密實充填采煤技術(shù)在花園煤礦推廣應(yīng)用以來，解放了大量 “三下”壓煤，提高了礦井資源采出率，大大增加了礦井服務(wù)年限；解決了矸石、建筑垃圾等在地面堆放造成的環(huán)境污染與破壞問題；實現(xiàn)了將掘進(jìn)矸石直接井下處理，減輕了礦井輔助提升的壓力，大大提高了充填的效率。根據(jù)現(xiàn)場井田條件，通過采用該技術(shù)，預(yù)計可以多采出煤炭資源2700 萬t，利用固體廢棄物超過3000萬t，大大延長了該礦井的礦井服務(wù)年限。綜合機(jī)械化固體密實充填采煤技術(shù)在花園煤礦的應(yīng)用達(dá)到了預(yù)期效果，取得了較大的經(jīng)濟(jì)、社會與環(huán)境效益。

5 結(jié)論

（1）固體充填材料可以選用矸石、粉煤灰以及建筑垃圾等固體廢棄物。使用這些材料來源充足，可以減少環(huán)境污染，同時可以降低充填成本，還可以達(dá)到安全開采 “三下”壓煤的目的。

（2）固體充填材料安全高效的連續(xù)運(yùn)輸技術(shù)是制約固體充填開采技術(shù)發(fā)展的瓶頸難題，針對該問題，提出了將洗選矸石制備系統(tǒng)、矸石山矸石制備系統(tǒng)以及固體充填物料垂直投放系統(tǒng)相結(jié)合可以安全高效地將固體充填材料從地面運(yùn)輸至井下。

（3）通過井下掘進(jìn)矸石與煤流矸石制備系統(tǒng)可以將井下掘進(jìn)回采過程中產(chǎn)生的矸石直接通過矸石制備系統(tǒng)制成充填材料，減少了矸石排量，減輕了輔助提升壓力，解放了大量的 “三下”壓煤。

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