姚波

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺054000）

0 引 言

近年來，隨著“三下”采煤技術(shù)的發(fā)展，綠色采煤理念日趨重要，礦井排出的矸石直接堆放到地面，本文以冀中能源股份業(yè)有限公司邢東礦為工業(yè)背景，根據(jù)礦井實(shí)際條件，從井下洗選及矸石就地回填的思路出發(fā)，研究開發(fā)了一整套井下預(yù)排矸系統(tǒng)及矸石回填系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了回收建筑物下壓煤及保護(hù)耕地的雙贏局面，形成了完善的采煤、洗煤、矸石回填一體化的循環(huán)系統(tǒng)。

1 煤礦井下煤矸分離工藝研究

由于受到井下地質(zhì)條件、特殊環(huán)境及硐室空間等條件的限制，地面選煤廠的分選系統(tǒng)、工藝及關(guān)鍵設(shè)備不能直接應(yīng)用于井下，井下煤矸分選系統(tǒng)必須在滿足井下煤矸分選能力基礎(chǔ)上，簡化系統(tǒng)布置及分選工藝，優(yōu)化設(shè)計(jì)關(guān)鍵分選設(shè)備結(jié)構(gòu)，使其滿足井下特殊環(huán)境及有限空間的限制，并根據(jù)井下實(shí)際情況，盡可能采取模塊化設(shè)計(jì)。

根據(jù)上述要求，綜合考慮地面選煤廠現(xiàn)有的選擇性破碎工藝、跳汰選煤、重介質(zhì)選煤等方法，通過對工藝與設(shè)備的研究創(chuàng)新，研發(fā)了1套井下跳汰排矸選煤工藝。

該跳汰選煤系統(tǒng)入料粒度范圍較寬，處理能力也較大，工藝相對比較簡單，設(shè)備操作、維修比較方便，此外該工藝采用煤與矸石在水介質(zhì)中分選，符合井下安全防火要求，滿足煤炭井下分選的目標(biāo)。工作面出來的毛煤通過篩縫75 mm的篦子，將大塊送入分級破碎機(jī)進(jìn)行破碎，小于30 mm末煤直接落入末煤倉，落入刮板篩分機(jī)的原煤在運(yùn)輸過程中經(jīng)過篩分段（篩縫25 mm）進(jìn)一步篩分，小于25 mm的末煤經(jīng)刮板篩分機(jī)的下層返回末煤倉，上層刮板上的原煤（25～200 mm）經(jīng)機(jī)頭溜入排矸跳汰機(jī)進(jìn)行洗選，分選出合格的塊精煤產(chǎn)品和純矸石。經(jīng)由雙通道彎曲脫水鏈斗機(jī)脫水，脫水后所得精煤產(chǎn)品落入精煤皮帶，矸石經(jīng)由矸石轉(zhuǎn)載皮帶落入矸石刮板輸送機(jī)，運(yùn)至矸石倉，如圖1所示。

圖1 井下跳汰排矸系統(tǒng)工藝流程示意Fig.1 Underground jigging and gangue removal system process flow

2 井下矸石利用工藝研究

2.1 矸石利用方案的確定

近年來，利用矸石回填技術(shù)進(jìn)行三下煤開采主要有2種模式。一是采用巷采充填采煤技術(shù)，以巖巷、半煤巖巷掘進(jìn)過程中產(chǎn)生的矸石或者煤炭中的矸石等作為充填材料，通過在井巷保護(hù)煤柱、條帶開采留設(shè)煤柱等煤柱中掘進(jìn)充填巷，采出部分煤炭，再利用矸石充填輸送機(jī)將矸石充入充填巷，達(dá)到置換煤炭資源、控制地表沉陷、實(shí)現(xiàn)矸石不出井的目的。二是采用綜采工藝與矸石機(jī)械化充填工藝相結(jié)合的綜采矸石充填采煤方法，將煤礦“掘、采”二元開采技術(shù)體系提升為“掘、采、充”三元開采模式。為提高采區(qū)回采率和開采效率，綜合考慮煤炭資源回收率、礦井開采強(qiáng)度、地表沉降以及機(jī)械化開采的要求，我們選擇了矸石充填采空區(qū)綜合機(jī)械化采煤工藝為矸石利用方案。

2.2 矸石處理工藝

（1）矸石粒度選擇。

根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測、實(shí)驗(yàn)室與理論分析研究，確定充填矸石大小小于150 mm混合粒徑級配即可，作為充填矸石小于200 mm混合粒徑級配即可，同時(shí)要求破碎矸石不再進(jìn)行二次篩分。

（2）井下矸石充填運(yùn)輸系統(tǒng)。

為節(jié)約成本，該礦采用矸石倉裝罐，經(jīng)罐裝運(yùn)輸至翻罐籠，再由刮板輸送機(jī)運(yùn)輸至水平砟倉的方式，實(shí)現(xiàn)矸石由洗選系統(tǒng)運(yùn)輸至充填系統(tǒng)的目的，然后通過固定在工作面充矸水平機(jī)尾的耙?guī)r機(jī)，將水平砟倉中的矸石運(yùn)輸至充矸皮帶，再經(jīng)充矸皮帶運(yùn)輸至工作面充填。

洗選后的矸石運(yùn)輸系統(tǒng)平面圖如圖2所示。

圖2 洗選后的矸石運(yùn)輸系統(tǒng)平面示意Fig.2 Plane of gangue transport system after washing

在充矸皮帶機(jī)尾，設(shè)計(jì)了1個自移式轉(zhuǎn)載設(shè)備（圖3），可將充矸皮帶上的充填料運(yùn)輸?shù)匠涮铋_采輸送機(jī)的機(jī)尾上。自移式轉(zhuǎn)載機(jī)與充矸皮帶機(jī)尾有3 m的重疊長度，在這3 m距離內(nèi)只是移動自移式轉(zhuǎn)載機(jī)，而不移動充矸皮帶機(jī)尾，避免頻繁移動充矸皮帶機(jī)尾影響到充填采煤的效率。

圖3 自移式轉(zhuǎn)載設(shè)備結(jié)構(gòu)原理示意Fig.3 Self-moving transfer equipment structure principle

（3）矸石充填系統(tǒng)及工藝。

采空區(qū)矸石充填工作主要由矸石運(yùn)輸機(jī)及充填搗實(shí)機(jī)構(gòu)共同完成。矸石經(jīng)充矸皮帶及自移式轉(zhuǎn)載機(jī)運(yùn)至工作面架后矸石充填運(yùn)輸機(jī)上，再通過SGZ-730/132X2型填矸輸送機(jī)將矸石運(yùn)輸至待填充區(qū)域，通過卸料孔將矸石卸載至采空區(qū)，最后通過搗實(shí)機(jī)構(gòu)將矸石充分搗實(shí)并完全接頂。

為提高矸石充填的自動化程度和矸石充填的質(zhì)量，節(jié)省人力成本，在矸石充填工作面安裝充填支架電液自動控制系統(tǒng)，通過自動協(xié)調(diào)匹配或人工遠(yuǎn)程干預(yù)方式，在工作面現(xiàn)場操作無人條件下實(shí)現(xiàn)“矸石回填自動控制”生產(chǎn)工藝流程，通過支架壓力傳感器，角度傳感器，行程傳感器以及落料高度檢測傳感器將數(shù)據(jù)傳回中央控制器，依靠控制程序?qū)崿F(xiàn)對矸石充填率和壓實(shí)度的條件判斷，保證了充填效果達(dá)到設(shè)定要求。充填之間電液系統(tǒng)不僅提高了充填作業(yè)效率和工作面整體推進(jìn)速度，同時(shí)也減輕了操作工人的勞動強(qiáng)度，節(jié)約了用工成本，提高了充填效果。

3 工程應(yīng)用

邢東礦將礦井工作面采出的毛煤通過井下洗選系統(tǒng)篩選，跳汰出的矸石經(jīng)罐裝運(yùn)輸至1200采區(qū)矸石充填工作面集中回填，整套系統(tǒng)在井下形成了“采煤—洗選—充填—采煤”的循環(huán)閉合體系，形成了邢東礦特有的采選充一體化系統(tǒng)。自2012年11月開始，在1200采區(qū)東翼實(shí)施矸石充填工作面回采，至今共布置2個工作面，均完成充填回采。實(shí)現(xiàn)平均每月出煤4 500 t，處理矸石5 400 t，實(shí)現(xiàn)降低毛煤灰分4%。

邢東礦1200采區(qū)共布設(shè)AN、BW兩條觀測線，158個觀測點(diǎn)的地表移動觀測站，從觀測結(jié)果來看，隨著采空區(qū)范圍擴(kuò)大，采動影響對地表的破壞程度也逐漸加強(qiáng)，截至2016年6月28日，地表各觀測點(diǎn)的移動變形對建筑物破壞等級屬于Ⅰ級破壞程度。

3.1 觀測結(jié)果

（1）下沉量，AN線最大下沉點(diǎn)AN33、下沉量-301.8 mm，BW線最大下沉點(diǎn)BW61、下沉量-301.9 mm。

（2）傾斜變形，AN線傾斜變形極值正向+1.142 mm/m（AN28～AN29）、負(fù)向-1.172 mm/m（AN47～AN48）。BW線傾斜變形極值正向+1.603 mm/m（BW100～BW101）、負(fù)向-1.184 mm/m（BW44～BW45）。

（3）水平變形，AN線拉伸變形極值1.124 mm/m（AN59～AN60），壓縮變形極值-1.521 mm/m（AN36～AN37）。BW線拉伸變形極值0.193 mm/m（BW83～BW84），壓縮變形極值-1.521 mm/m（BW58～BW59）。

3.2 地表巖移特征

（1）下沉，AN各觀測點(diǎn)下沉未呈明顯全盆地形狀。BW線各觀測點(diǎn)的下沉曲線近似成直線狀，下沉近似呈全盆地形狀。

（2）傾斜變形，AN、BW線各觀測點(diǎn)的傾斜變形規(guī)律性較差、傾斜變形的方向不穩(wěn)定、零值點(diǎn)很難確定。

（3）水平變形，AN、BW線各觀測點(diǎn)的水平變形隨井下采空區(qū)的變化而不停變化，其規(guī)律性較差。

在邢東礦1200東翼工作面附近建立了2條觀測線充填工作面回采至今，通過對各觀測站的持續(xù)觀測，各觀測點(diǎn)的最大下沉量為-301.9 mm，下沉速度值較小，傾斜變形、曲率變形、水平移動及水平變形對地面建筑物的破壞程度基本屬于Ⅰ類破壞程度，保證地面建（構(gòu)）筑物的正常使用。

4 結(jié) 語

煤礦井下采選充一體化技術(shù)研究是一項(xiàng)將矸石處理、三下壓煤回收、耕地保護(hù)等多種矛盾有效協(xié)調(diào)的手段，通過這項(xiàng)技術(shù)，可以把煤礦生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的矸石全部填入井下，實(shí)現(xiàn)矸石不升井、地面不建矸石山，并利用矸石換取煤炭資源，得到綜合的經(jīng)濟(jì)、社會效益。該技術(shù)為類似的礦井提供了一條可供借鑒的有效模式，具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。