張峻源

（山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048027）

1 莒山礦及其9101 工作面概況

莒山礦目前所采的3 號(hào)煤剩余設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量不足1 000 萬(wàn)t。該煤層屬于低硫、高發(fā)熱量?jī)?yōu)質(zhì)無(wú)煙煤，屬稀缺資源，具有非常高的經(jīng)濟(jì)效益?，F(xiàn)階段正進(jìn)行底層復(fù)采，年產(chǎn)量維持在50 萬(wàn)t 左右，無(wú)法達(dá)到核定生產(chǎn)能力。下組9 號(hào)煤設(shè)計(jì)主要采區(qū)為901采區(qū)、902 采區(qū)和903 采區(qū)，共布置22 個(gè)工作面，該煤層屬高硫煤，煤層薄，單獨(dú)開(kāi)采9 號(hào)煤層無(wú)可觀的經(jīng)濟(jì)效益、達(dá)產(chǎn)困難，還將遺棄3 號(hào)煤層優(yōu)質(zhì)資源；單獨(dú)開(kāi)采3 號(hào)煤層，9 號(hào)煤層建成無(wú)法投產(chǎn)。為實(shí)現(xiàn)礦井高效可持續(xù)發(fā)展，在9 號(hào)煤工作面采用綠色開(kāi)采技術(shù)，保留3 號(hào)煤層回采工作面。采用充填技術(shù)，對(duì)9 號(hào)煤層綜采工作面進(jìn)行充填開(kāi)采，可以實(shí)現(xiàn)以下目標(biāo)：一是可以解決3 號(hào)煤層和9 號(hào)煤層矸石處理問(wèn)題；二是可回收更多的3 號(hào)煤棄滯資源，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限；三是響應(yīng)綠色開(kāi)采政策，達(dá)到以矸換煤、提高煤質(zhì)、生態(tài)創(chuàng)效的目的，實(shí)現(xiàn)資源開(kāi)發(fā)利用最優(yōu)化和生態(tài)環(huán)境影響最小化。

9101 工作面設(shè)計(jì)長(zhǎng)度200 m，推進(jìn)長(zhǎng)度為660 m，開(kāi)采高度1.5 m。煤層傾角6°～8°，采用綜采工藝，膏體充填采空區(qū)管理頂板。工作面所采的9 號(hào)煤層頂板以泥巖、砂質(zhì)泥巖、粉砂巖為主，據(jù)山西省煤炭工業(yè)局綜合測(cè)試中心2011 年4 月24 日對(duì)莒補(bǔ)3 號(hào)鉆孔煤層頂板測(cè)試資料，9 號(hào)煤層頂板為泥巖時(shí)，普氏硬度系數(shù)為2.3；抗壓強(qiáng)度為20.0～26.4 MPa，平均22.8 MPa，屬中等堅(jiān)硬巖石；抗拉強(qiáng)度0.7 MPa；凝聚力系數(shù)4.0，內(nèi)摩擦角31°34′。底板多為泥巖，局部為砂質(zhì)泥巖。

2 充填開(kāi)采技術(shù)確定

莒山煤礦采取充填開(kāi)采主要是以消化矸石、提高煤質(zhì)、減少頂板下沉、以矸換煤為主要目的綠色開(kāi)采方式。由于采用綜采工藝，所以應(yīng)用長(zhǎng)壁綜采架后充填技術(shù)。綜采架后充填方式主要有綜采密實(shí)固體矸石充填系統(tǒng)和綜采泵送膏體充填系統(tǒng)等方式[1-3]，莒山煤礦充填主要以消化地面矸石，以矸換煤，控制頂板下沉為目的，對(duì)于提出的密實(shí)固體充填和泵送膏體充填兩種綜采充填開(kāi)采方案，前者充填工藝及設(shè)備相對(duì)較為簡(jiǎn)單但井下矸石運(yùn)輸環(huán)節(jié)復(fù)雜，且占用空間較多；后者泵送膏體充填為在地面設(shè)置攪拌站對(duì)膠結(jié)料和矸石攪拌混合后通過(guò)管道輸送至采空區(qū)進(jìn)行充填，工藝及設(shè)備相對(duì)較復(fù)雜，但井下工序簡(jiǎn)單。結(jié)合莒山礦實(shí)際情況，考慮投資估算與經(jīng)濟(jì)效益綜合情況，確定采用綜采泵送膏體充填技術(shù)。

3 充填開(kāi)采技術(shù)

3.1 技術(shù)原理

綜采泵送膏體矸石充填通過(guò)專用充填支架實(shí)現(xiàn)架前開(kāi)采和架后充填同時(shí)進(jìn)行，以高強(qiáng)度充填體支撐頂板，降低采場(chǎng)地應(yīng)力和巷道支護(hù)成本[4-5]；根據(jù)情況可選用帶前移機(jī)構(gòu)的支架，在架后膏體凝固時(shí)間內(nèi)盡量不影響前方采煤，提高采煤效率。通過(guò)對(duì)開(kāi)采空間進(jìn)行高密度全部充填，避免采空區(qū)頂?shù)装蹇逅?，漿料跟矸石在地面混合攪拌后經(jīng)工業(yè)充填泵經(jīng)斜井或鉆孔下井，通過(guò)管道輸送至井下工作面上方充填至采空區(qū)。實(shí)現(xiàn)對(duì)地表及建構(gòu)筑物等進(jìn)行保護(hù)的目標(biāo)。

3.2 采煤工藝

9101 采區(qū)工作面開(kāi)采9 號(hào)煤層，選用薄煤層綜采工藝，泵送膏體矸石充填管理頂板。

充填工作面實(shí)行“采煤—充填（凝固/檢修）”交替進(jìn)行的高效作業(yè)方式，采用“四六”工作制度，兩班生產(chǎn)，兩班充填。循環(huán)進(jìn)尺0.8 m，生產(chǎn)班每班進(jìn)三刀，充填步距2.4 m。

工序流程為：割煤→移架、伸后掩護(hù)梁→推移輸送機(jī)→割煤→移架→推移輸送機(jī)→（重復(fù)上述工序）；重復(fù)上述采煤工序達(dá)到充填步距（2.4 m）后作充填準(zhǔn)備工作，準(zhǔn)備好后充填班充填，充填結(jié)束后清理工作面并作割煤準(zhǔn)備，一個(gè)大循環(huán)結(jié)束。

3.3 充填工藝

按照綜采工藝流程完成割煤、移架、推溜，達(dá)到充填步距后，進(jìn)入膏體充填工藝階段。其主要工藝過(guò)程如下：

1）充填準(zhǔn)備。工作面充填隔離墻的構(gòu)筑。為了保證充填的接頂效果，需要對(duì)充填區(qū)進(jìn)行密封隔離，使其完全是“封閉”的空間，為膏體充填提供前提。通過(guò)專用充填支架后掩護(hù)梁下自帶擋板配合木板、彩條布（編織袋）等進(jìn)行充填區(qū)域隔離。

工作面充填管布置。工作面充填管布置在充填支架的前、后立柱之間，鋪設(shè)在支架底座上，充填布料管頭要與充填支架處的專用充填布料閥口聯(lián)接，并用鐵絲綁牢。

2）檢查準(zhǔn)備。主要檢查充填管路的閘閥是否處于開(kāi)啟狀態(tài)；布料管閥是否處于關(guān)閉狀態(tài)；工作面布料閥（三通閥）門(mén)檢查（打開(kāi)）；報(bào)告充填站，確定是否進(jìn)行充填。

3）膏體充填階段。主要步驟為：管道充水→煤泥漿推水→矸石漿推煤泥漿→正常（輪流）充填。

4）煤泥漿推矸石漿。當(dāng)充填矸石漿達(dá)到設(shè)定充填量之后，配制少量的煤泥漿，將矸石漿推出管路，確保管路清洗時(shí)，清洗水不與矸石漿混合。

5）水推煤泥漿。當(dāng)煤泥漿量能夠確保將矸石漿全部排出管路后，向料漿斗中放入清水，當(dāng)工作面見(jiàn)到煤泥漿時(shí)，關(guān)閉所有布料管閘閥，打開(kāi)工作面管閘閥，通過(guò)排水管路，將管路清洗水排入排水巷。

6）壓風(fēng)推水管道清洗。排水管排出清水后，停止泵送清水，利用壓風(fēng)把管路內(nèi)的清水及其他遺留大顆粒吹出充填管，完成管道清洗工作。

3.4 運(yùn)輸系統(tǒng)

運(yùn)輸順槽設(shè)計(jì)選用兩部DSJ100型可伸縮帶式輸送機(jī)擔(dān)負(fù)煤炭運(yùn)輸任務(wù)。每部最大運(yùn)輸距離800 m，采區(qū)傾角-3°～-5°，平均-4°。配用2 臺(tái)功率為55 kW的電動(dòng)機(jī)。

膠帶運(yùn)輸大巷長(zhǎng)1 890 m，設(shè)計(jì)選用兩部DTL100/63/132×2型帶式輸送機(jī)運(yùn)輸煤炭，每部運(yùn)輸距離945 m，傾角0°～5°，平均3°，電機(jī)功率132 kW×2；集中運(yùn)輸巷長(zhǎng)221 m，傾角0°～2°，平均1°，設(shè)計(jì)選用1 部DTL100/63/55型帶式輸送機(jī)運(yùn)輸煤炭，電機(jī)功率55 kW。

1）輔助運(yùn)輸：井下軌型30 kg/m，軌距600 mm，設(shè)計(jì)選用調(diào)度絞車和無(wú)極繩連續(xù)牽引車和調(diào)度絞車相互配合完成井下輔助運(yùn)輸任務(wù)。設(shè)計(jì)軌道運(yùn)輸大巷輔助運(yùn)輸方式采用無(wú)極繩連續(xù)牽引車牽引系列礦車運(yùn)輸，運(yùn)輸距離2 000 m，傾角0～5°，平均3°。設(shè)計(jì)選用一部SQ-80型礦用無(wú)極繩連續(xù)牽引車（單軌運(yùn)輸），擔(dān)負(fù)全礦井材料、設(shè)備等輔助運(yùn)輸任務(wù)。

2）膏體輸送：膏體自地面制備站通過(guò)地面管道到主斜井下井，自主斜井至9 號(hào)煤軌道大巷至9201面回風(fēng)順槽至采空區(qū)。

3.5 管道防堵措施

為防止充填過(guò)程中管路擁堵而影響充填效率，設(shè)計(jì)了長(zhǎng)距離管道滿管自流清洗系統(tǒng)、充填干線管自動(dòng)排污系統(tǒng)、管道流量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。

1）長(zhǎng)距離管道滿管自流清洗系統(tǒng)。由于充填管道有垂直段，可以利用垂直段高壓水流成為清洗管道的動(dòng)力，滿管自流自動(dòng)控制工藝閥原理主要利用垂直段水的壓力與液壓泵站的關(guān)系設(shè)計(jì)，系統(tǒng)可自動(dòng)或人工開(kāi)啟。

2）充填干線管自動(dòng)排污系統(tǒng)。干線管排污閥在充填干線管需要沖洗時(shí)可切換到排污管口，使充填干線管里的廢棄物從排污管口排走；在正常充填時(shí)切換到充填管口，完成充填工作。膏體充填干線管排污閥包括閥體，閥體的上部和下部設(shè)置有與充填干線管相連通的進(jìn)料口和出料口，進(jìn)料口與出料口之間的閥體內(nèi)部設(shè)置有可橫向移動(dòng)的閥塊，閥塊上并排設(shè)置有充填管口和排污管口，進(jìn)料口與充填管口或和排污管口相連通。閥體的兩側(cè)對(duì)稱設(shè)置有兩個(gè)液壓缸，液壓缸內(nèi)的活塞桿朝向同一側(cè)，活塞桿的端部與固定在閥塊端部的連接桿相連接。充填管口靠近連接桿設(shè)置，充填管口的上端口可與進(jìn)料口密封連接，下端口可與出料口密封連接；排污管口呈直角形，排污管口的上端口可與進(jìn)料口密封連接，下端口的朝向與活塞桿的朝向相反。

3）管道流量自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)。膏體充填管道清洗流量調(diào)節(jié)控制閥包括液壓缸，液壓缸體中部開(kāi)設(shè)有進(jìn)料口與出料口，進(jìn)料口與出料口相對(duì)應(yīng)，進(jìn)料口和出料口兩側(cè)的缸體長(zhǎng)度大于進(jìn)料口和出料口的內(nèi)徑。液壓缸內(nèi)設(shè)置有活塞，活塞將液壓缸隔成大腔和小腔兩個(gè)腔室，活塞桿位于小腔內(nèi)并穿出液壓缸端部，活塞的長(zhǎng)度為進(jìn)料口和出料口內(nèi)徑的2 倍，活塞的一端為活塞柱結(jié)構(gòu)，另一端開(kāi)設(shè)有與進(jìn)料口和出料口相適配的通孔，大腔和小腔開(kāi)設(shè)有液壓油口，液壓油口通過(guò)管路與液壓系統(tǒng)相連接?；钊系耐卓拷∏灰粋?cè)，活塞柱位于大腔一側(cè)；當(dāng)活塞位于液壓缸的左端時(shí)，活塞上的通孔正好將進(jìn)料口和出料口連通，當(dāng)活塞位于液壓缸的右端時(shí)，活塞柱正好將進(jìn)料口和出料口堵死。液壓系統(tǒng)包括油箱，油箱通過(guò)管路與油泵連接，油泵通過(guò)管路與三位四通電磁閥的第一接口相連通，三位四通電磁閥的第二接口通過(guò)管路與液壓缸的大腔相連通，三位四通電磁閥的第三接口通過(guò)管路與液壓缸的小腔連通，三位四通電磁閥的第四接口通過(guò)管路與油箱相連通。

4 結(jié)語(yǔ)

莒山礦9101 綜采工作面充填技術(shù)的研究，主要涉及泵送膏體充填技術(shù)的選用，充填開(kāi)采技術(shù)原理、采煤工藝、充填工藝、運(yùn)輸系統(tǒng)，防堵系統(tǒng)等，在后期的開(kāi)采中，應(yīng)該根據(jù)實(shí)際情況制定詳細(xì)的開(kāi)采技術(shù)措施，以滿足工作面綠色、安全、高效開(kāi)采要求。