李 衡，劉倫強(qiáng)，周雪軍

（烏魯木齊聚合創(chuàng)興技術(shù)咨詢有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

新疆作為我國(guó)能源戰(zhàn)略接續(xù)區(qū)和能源戰(zhàn)略儲(chǔ)備區(qū)，已探明預(yù)測(cè)資源儲(chǔ)量占比超過全國(guó)煤炭資源總量的40%。新疆煤炭資源總體稟賦條件好、煤層厚，煤種中長(zhǎng)焰煤、不粘煤和弱粘煤占資源總量的90.91%，是優(yōu)質(zhì)的煤化工用煤，是國(guó)內(nèi)煤炭資源的主產(chǎn)地之一[1-3]。隨著“一帶一路”倡議和新一輪西部大開發(fā)戰(zhàn)略的持續(xù)推進(jìn)，新疆煤炭資源的大規(guī)模高強(qiáng)度開采將進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展階段。新疆地處干旱半干旱的荒漠地區(qū)，煤炭資源在開采過程中不可避免地對(duì)環(huán)境造成損害，給礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護(hù)帶來(lái)壓力[4-5]。其中，作為煤礦洗選過程中的大宗固體廢物的煤矸石綜合利用問題已經(jīng)引起廣泛關(guān)注[6]。采用傳統(tǒng)方式在地表堆積的矸石山在占有大量土地資源的同時(shí)，還會(huì)對(duì)礦區(qū)空氣、地下水質(zhì)和區(qū)域生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重影響。另外，矸石山自燃引起的安全事故也多有報(bào)道[7]。按照噸煤矸石含量10%-15%計(jì)算，新疆每年排放的矸石超過2000萬(wàn)噸。大量矸石的無(wú)序堆積給新疆煤礦綠色可持續(xù)發(fā)展帶來(lái)了嚴(yán)重的危害。減少或者消除矸石排放對(duì)環(huán)境的損害，發(fā)展矸石充填開采技術(shù)是保證新疆煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的客觀要求[8-10]。

本文以新疆布爾堿礦區(qū)潤(rùn)田煤礦為研究對(duì)象，基于礦井生產(chǎn)地質(zhì)條件和開采現(xiàn)狀，提出包括綜合機(jī)械化矸石充填采煤、短壁干式充填采煤和短壁膠結(jié)充填采煤在內(nèi)的三種充填開采方案。通過對(duì)不同充填開采方案詳細(xì)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，最終確定科學(xué)合理的充填開采方法。本研究取得的相關(guān)成果不僅可以為布爾堿礦區(qū)的煤矸石利用提供參照，同時(shí)可以為新疆其他礦井矸石零排放技術(shù)的發(fā)展提供經(jīng)驗(yàn)。

1 礦井生產(chǎn)地質(zhì)條件

托克遜克布爾堿礦區(qū)的煤炭采掘及開采歷史可追溯到上世紀(jì)五六十年代。以2013年11月國(guó)家發(fā)展改革委批復(fù)的《新疆克布爾堿礦區(qū)總體規(guī)劃》為標(biāo)志，布爾堿礦區(qū)煤炭資源大規(guī)模開發(fā)利用進(jìn)入新的發(fā)展階段。潤(rùn)田煤礦位于布爾堿礦區(qū)中西部，南部為無(wú)煤空白區(qū)，北部為遠(yuǎn)景勘查區(qū)。井田總體位于克爾堿向斜南翼，為一向北傾斜的單斜構(gòu)造，地層傾角26～65°，平均45°。井田內(nèi)主要含煤地層為侏羅系中統(tǒng)西山窯組（J2x）和侏羅系下統(tǒng)八道灣組（J1b），共含煤28層，煤層總厚4.10-97.48m，平均總厚33.15m。礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力2.4Mt/a，礦井生產(chǎn)期間地面生產(chǎn)洗選矸石量約為16萬(wàn)t/a。

2 矸石充填開采方法概述

結(jié)合潤(rùn)田煤礦實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件，分別提出包括綜合機(jī)械化矸石充填采煤、短壁膠結(jié)充填采煤和短壁干式充填采煤在內(nèi)的三種充填開采方案。

2.1 綜合機(jī)械化矸石充填采煤

綜合機(jī)械化矸石充填開采技術(shù)是指在綜合機(jī)械化采煤的基礎(chǔ)上，通過設(shè)計(jì)專用的充填系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采煤和充填同步機(jī)械化。不同于傳統(tǒng)的采煤方法，綜合機(jī)械化矸石充填開采技術(shù)需要增加額外的矸石運(yùn)輸系統(tǒng)（如圖1所示）。通過在地面和井下建立一套矸石處理和運(yùn)輸系統(tǒng)，將地面洗煤廠洗選矸石和井下掘進(jìn)矸石通過帶式輸送機(jī)、礦車或充填管路等機(jī)械化設(shè)備輸送到井下，然后將兩部分矸石通過充填采煤技術(shù)充填至采煤工作面采空區(qū)或充填巷道中去。借助固體充填綜采液壓支架和底卸式刮板輸送機(jī)等關(guān)鍵設(shè)備實(shí)現(xiàn)采空區(qū)充填。

圖1 綜合機(jī)械化采煤方法示意圖

2.2 短壁膠結(jié)充填采煤

短壁膠結(jié)充填采煤技術(shù)以煤矸石為主要充填材料，利用粉煤灰、水泥等膠凝材料的固結(jié)作用，形成一種無(wú)需脫水處理的含煤矸石的高濃度漿液。通過大型充填工業(yè)泵，借助人工布設(shè)的管路系統(tǒng)，將上述高濃度漿液輸送至煤礦井下（技術(shù)路線見圖2）。短壁膠結(jié)充填開采通常利用綜掘機(jī)或連采機(jī)開掘工作面運(yùn)輸巷和回風(fēng)巷之間的聯(lián)絡(luò)巷進(jìn)行短壁掘進(jìn)采煤。在聯(lián)絡(luò)巷施工完畢之后，采用含有矸石的高濃度漿液進(jìn)行充填，實(shí)現(xiàn)工作面“掘巷出煤，巷內(nèi)充填”的循環(huán)作業(yè)方式。

圖2 短壁膠結(jié)充填采煤方法

2.3 短壁干式充填采煤

短壁干式充填采煤法又稱作巷式充填采煤法，通過在工廣煤柱、條帶開采留設(shè)的煤柱、大巷保護(hù)煤柱、三角煤及“三下”壓煤中布置充填巷，以巖巷、半煤巖巷掘進(jìn)過程產(chǎn)生的矸石或者洗選矸石等材料作為充填物料。在充填巷掘出后利用矸石充填輸送機(jī)、高速動(dòng)力拋?lái)窓C(jī)等設(shè)備將矸石充填于充填巷構(gòu)筑充填體，從而達(dá)到煤炭置換開采的目的。

3 矸石充填系統(tǒng)方案比較

結(jié)合托克遜潤(rùn)田煤礦具體工程地質(zhì)條件和生產(chǎn)條件，分別就各充填開采方案的技術(shù)優(yōu)勢(shì)與存在問題進(jìn)行系統(tǒng)比較。

方案1：綜合機(jī)械化矸石充填采煤的主要優(yōu)點(diǎn)在于：（1）充填工藝流暢、效率高、安全性好、機(jī)械化作業(yè)操作簡(jiǎn)單、充填設(shè)備適應(yīng)性好、充填技術(shù)成熟；（2）充填工作面面長(zhǎng)相對(duì)較短，有利于三角煤柱的開采，可以有效提高煤炭資源的回收率；充填材料取自本礦及附近固體充填材料，價(jià)格便宜，成本低。然而，該充填采煤方法由于充填工作面為新增工作面，因此項(xiàng)目前期投資較大。同時(shí)刮板輸送機(jī)卸矸充填對(duì)矸石破碎粒度要求較高，需要在井上增加破碎系統(tǒng)；根據(jù)托克遜潤(rùn)田煤礦初步設(shè)計(jì)，首采區(qū)為二采區(qū)，如若選擇刮板輸送機(jī)卸矸充填，則井巷工程移交量大，準(zhǔn)備時(shí)間較長(zhǎng)。

方案2：短壁膠結(jié)（膏體）充填采煤的主要優(yōu)點(diǎn)包括：（1）膠結(jié)充填開采技術(shù)工作面布置比較靈活，工作面形狀可以不規(guī)則。（2）膠結(jié)充填采煤充實(shí)率可以達(dá)到90%以上，對(duì)巖層移動(dòng)控制效果較好。（3）工作面準(zhǔn)備時(shí)間短，投產(chǎn)速度快。但是，膠結(jié)充填需要先掘巷道，撤出掘巷設(shè)備后在巷道內(nèi)進(jìn)行充填，因此工藝流暢性較差；膠結(jié)充填的膠結(jié)材料原料種類較多，要求配比精確，需要混合攪拌泵送，泵送過程中還可能會(huì)發(fā)生堵管事故，工藝復(fù)雜；且托克遜潤(rùn)田煤礦附近無(wú)工業(yè)園區(qū)，水泥、石灰等充填材料需要長(zhǎng)距離運(yùn)輸至工業(yè)場(chǎng)地，原材料成本高、運(yùn)輸費(fèi)用高；泵送系統(tǒng)對(duì)矸石粒徑要求較高（20mm以下），地面系統(tǒng)復(fù)雜，前期生產(chǎn)系統(tǒng)投入較大。

方案3：短壁干式充填采煤方案具有充填系統(tǒng)簡(jiǎn)單，對(duì)矸石破碎粒度要求不高，洗選矸石和掘進(jìn)矸石均可直接充填的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)，巷式充填方案可充分發(fā)揮托克遜潤(rùn)田煤礦現(xiàn)有設(shè)備，項(xiàng)目投資較?。还ぷ髅鏈?zhǔn)備時(shí)間短，投產(chǎn)速度快。但是，巷式充填方案在充填時(shí)需要頻繁移動(dòng)拋?lái)窓C(jī)、矸石轉(zhuǎn)載機(jī)，因此工藝的流暢性有待于進(jìn)一步加強(qiáng)。

4 最終矸石充填開采方案的確定

采用綜合機(jī)械化矸石充填采煤方法時(shí)，地面需新增矸石破碎站，土建工程約300萬(wàn)元，井下充填首采區(qū)為11采區(qū)4-3煤，礦建工程約為2200萬(wàn)元，充填液壓支架需設(shè)計(jì)定制，設(shè)備購(gòu)置及安裝費(fèi)用約為3000萬(wàn)元，工程建設(shè)及其他費(fèi)用約為800萬(wàn)元，合計(jì)6300萬(wàn)元。

采用短壁膠結(jié)充填采煤方法時(shí)，地面需新增矸石破碎站、矸石、粉煤灰、石灰、水泥、料倉(cāng)、攪拌站和配電室等，土建產(chǎn)生費(fèi)用約為600萬(wàn)元，井下充填首采區(qū)為11采區(qū)4-3煤，礦建工程約為1200萬(wàn)元，工業(yè)充填泵、破碎機(jī)等設(shè)備購(gòu)置及安裝約為2100萬(wàn)元，工程建設(shè)及其他費(fèi)用約為400萬(wàn)元，合計(jì)4300萬(wàn)元。

采用短壁干式充填采煤方法時(shí)，地面利用現(xiàn)有建筑及運(yùn)輸系統(tǒng)，土建不產(chǎn)生費(fèi)用，井下充填首采區(qū)為11采區(qū)4-3煤，礦建工程約為1300萬(wàn)元，高速動(dòng)力拋?lái)吩O(shè)備需設(shè)計(jì)定制，購(gòu)置及安裝費(fèi)用約為1800萬(wàn)元，工程建設(shè)及其他費(fèi)用約為300萬(wàn)元，合計(jì)3400萬(wàn)元。

從技術(shù)角度而言，本研究提出的三種充填采煤方法均為可行的。從經(jīng)濟(jì)效益角度而言，短壁干式充填采煤方法初期資金投入較小。綜合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，結(jié)合潤(rùn)田煤礦實(shí)際開采能力，最終確定采用短壁干式充填采煤法，實(shí)現(xiàn)礦井矸石零排放。

5 結(jié)束語(yǔ)

為實(shí)現(xiàn)新疆托克遜礦區(qū)潤(rùn)田煤礦矸石零排放的目標(biāo)，本論文基于潤(rùn)田煤礦實(shí)際生產(chǎn)地質(zhì)條件，提出包括綜合機(jī)械化矸石充填采煤、短壁膠結(jié)充填采煤和短壁干式充填采煤在內(nèi)的三種充填采煤方法。分別從技術(shù)效益和經(jīng)濟(jì)效益兩個(gè)方面對(duì)三種充填采煤方法進(jìn)行比較分析，最終確定以短壁干式充填采煤方法作為潤(rùn)田煤礦的充填開采方法。