趙振宇，張開加，董 宇

(1.中煤科工集團(tuán)沈陽設(shè)計(jì)研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.中煤科工集團(tuán)沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 撫順 113122)

煤炭開采過程產(chǎn)生的矸石嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境，成為實(shí)現(xiàn)煤炭綠色開采的主要制約因素。為解決矸石的污染問題，實(shí)現(xiàn)安全、高效、綠色開采，山西省委省政府2019年9月發(fā)布了《山西能源革命綜合改革試點(diǎn)行動(dòng)方案》：“結(jié)合煤炭無人智能開采、井下充填開采，開展井下矸石智能分選試點(diǎn)示范工程建設(shè)，2022年實(shí)現(xiàn)未達(dá)標(biāo)處置存量矸石回填礦井、新建礦井不可利用矸石全部返井，2025年新建礦井全部建成井下矸石智能分選系統(tǒng)”。鑫巖煤礦作為首批試點(diǎn)示范工程開展井下矸石分選與充填開采一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 基本情況

1.1 煤層賦存

鑫巖井田內(nèi)可采煤層共有8層，其中全區(qū)發(fā)育且主要可采煤層為5號(hào)煤層和10號(hào)煤層，兩層煤層間距為60m，其他可采煤層均為局部可采。5號(hào)煤層可采厚度為0.70～1.61m，平均1.04m，偶含一層夾矸，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。10號(hào)煤層可采厚度為3.20～5.40m，平均4.56m，含夾矸0～6層，一般2～3層，夾矸總厚0.10～1.60m，平均0.71m，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單至較簡(jiǎn)單。

1.2 開拓、開采及地面生產(chǎn)系統(tǒng)

鑫巖井田地處呂梁山西側(cè)，屬典型的黃土溝、梁、峁地貌。受地形影響，鑫巖煤礦沿朱趙公路兩側(cè)布置工業(yè)場(chǎng)地，工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)布置主斜井、副立井、1號(hào)回風(fēng)立井和2號(hào)回風(fēng)立井。井下布置1個(gè)薄煤層綜采工作面(年產(chǎn)量為90萬t/a)和1個(gè)大采高綜采工作面(年產(chǎn)量為150萬t/a)。

鑫巖礦井地面設(shè)有選煤廠，原煤經(jīng)過50mm預(yù)先篩分分級(jí)，50mm原煤經(jīng)手選后通過動(dòng)篩排矸，動(dòng)篩精煤經(jīng)破碎機(jī)破碎至50mm以下與分級(jí)篩篩下(-50mm)物料作為混煤運(yùn)至主廠房進(jìn)行洗選。主廠房?jī)?nèi)設(shè)置兩套獨(dú)立的脫泥無壓三產(chǎn)品重介旋流分選系統(tǒng)。

1.3 矸石量計(jì)算

根據(jù)選煤廠篩分試驗(yàn)確定礦井生產(chǎn)產(chǎn)生的矸石量，見表1。

表1 礦井生產(chǎn)產(chǎn)生的矸石量 萬t/a

2 井下煤矸分選技術(shù)選擇

目前，井下典型的煤矸分選技術(shù)包括重介淺槽分選、動(dòng)篩跳汰分選、新型跳汰分選和TDS智能干選4種技術(shù)[1-6]。結(jié)合鑫巖煤礦條件，進(jìn)行井下煤矸分選技術(shù)比選，見表2。

表2 井下煤矸分選技術(shù)比選

從分選技術(shù)處理能力角度分析，按年生產(chǎn)時(shí)間為330d，每日生產(chǎn)時(shí)間為16h，薄煤層綜采工作面生產(chǎn)能力為170t/h，大采高綜采工作面生產(chǎn)能力為285t/h，四種分選技術(shù)均滿足要求。從分選效率角度分析，除動(dòng)篩跳汰分選效率低于95%，其他技術(shù)分選效率均大于95%，因此，排除動(dòng)篩跳汰分選技術(shù)。從運(yùn)行成本角度分析，重介淺槽分選技術(shù)采用的介質(zhì)為鐵磁粉，需增加介質(zhì)回收系統(tǒng)，造成其成本為33.8元/t，是新型跳汰分選技術(shù)成本的兩倍，因此，排除重介淺槽分選技術(shù)。從硐室工程量角度分析，TDS智能干選系統(tǒng)較新型跳汰分選減少硐室工程量15m，節(jié)約硐室工程量費(fèi)用為37.5萬元?？紤]利用地面已建有的選煤廠處理50mm以下原煤，井下主要分選50mm以上的原煤量為46.7萬t，采用TDS智能干選技術(shù)可節(jié)省運(yùn)行成本為298.88萬元/a。綜上所述，設(shè)計(jì)選用TDS智能干選技術(shù)分選井下煤矸。

3 綜采工作面充填工藝選擇

目前，綜采工作面充填工藝主要包括固體充填工藝、膏體充填工藝和連采面充填工藝[7-12]。結(jié)合鑫巖煤礦條件，進(jìn)行綜采工作面充填工藝比選，見表3。

表3 綜采工作面充填工藝比選

從適用條件分析，連采面充填工藝適用于中厚煤層，開采范圍為邊角煤、不規(guī)則煤體，而5號(hào)煤層平均厚度為1.04m，屬于薄煤層且全區(qū)發(fā)育，開采范圍為規(guī)則煤體；10號(hào)煤層平均厚度為4.56m，屬于厚煤層且全區(qū)發(fā)育，開采范圍為規(guī)則煤體。從資源回采率角度分析，10號(hào)煤層屬于厚煤層，使得煤柱寬，煤柱量大，造成連采面充填開采資源回采率低于75%，而固體和膏體充填開采資源回采率達(dá)到85%以上，同時(shí)連采面充填工藝通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，控風(fēng)難度大，因此，排除連采面充填工藝。受鑫巖煤礦工業(yè)場(chǎng)地限制，采用膏體充填工藝增加配料系統(tǒng)和泵送系統(tǒng)，需新購工業(yè)場(chǎng)地用地范圍，增加工業(yè)場(chǎng)地填挖方量，施工工期長(zhǎng)，投資成本高。從噸煤增加充填成本角度分析，膏體充填成本是固體充填成本2倍或3倍，按處理矸石量為47.4萬t/a計(jì)算，年增加充填成本2370～4740萬元/a，同時(shí)鑫巖井田地表村莊零星分布，采用膏體充填經(jīng)濟(jì)效益低。綜上所述，設(shè)計(jì)選用綜采工作面固體充填工藝。

4 地面矸石返井系統(tǒng)

根據(jù)井下煤矸分選技術(shù)比選，確定采用TDS智能干選系統(tǒng)，井下分選系統(tǒng)主要處理50mm以上原煤，分選出的矸石直接排至充填工作面。50mm以下原煤利用鑫巖煤礦地面已建有的選煤廠進(jìn)行處理，分選出的矸石需要返回井下。結(jié)合鑫巖煤礦工業(yè)場(chǎng)地布置和井下運(yùn)輸系統(tǒng)，受工業(yè)場(chǎng)地建筑的影響，選煤廠分選出的矸石難以布置帶式輸送機(jī)至主斜井井口，同時(shí)改造工程將影響礦井生產(chǎn)；利用現(xiàn)有輔助運(yùn)輸系統(tǒng)將矸石運(yùn)輸至井下，地面分選矸石量達(dá)到23.2萬t/a，增加了輔助運(yùn)輸提升量，造成輔助運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)力緊張，同時(shí)矸石運(yùn)輸不具有連續(xù)性，難以保證綜采工作面充填矸石處理量，因此，設(shè)計(jì)采用垂直投料系統(tǒng)。在地面選煤廠矸石倉下垂直掘進(jìn)一條投料井至井下，并安裝雙金屬復(fù)合耐磨管作為固體充填材料的輸送通道。垂直投放系統(tǒng)主要包括地面生產(chǎn)系統(tǒng)和井下生產(chǎn)系統(tǒng)，其中地面生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括矸石倉；井下生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括投料井、緩沖器、儲(chǔ)料倉及裝載硐室等[13-16]，垂直投料系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 垂直投料系統(tǒng)

5 井下煤矸分選與充填開采一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)

5.1 一體化系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則

鑫巖煤礦在采用TDS智能干選系統(tǒng)、綜采工作面固體充填工藝和地面矸石垂直投料系統(tǒng)基礎(chǔ)上，確定以下設(shè)計(jì)原則：①為減少設(shè)備投資，簡(jiǎn)化管理，井下選用一套智能分選系統(tǒng)；②為避免大巷內(nèi)帶式輸送機(jī)瞬時(shí)煤量過大，導(dǎo)致井下智能分選系統(tǒng)過載，布置1座原煤倉；③為避免井下智能分選處理矸石量過大，導(dǎo)致充填工作面處理矸石量與之不匹配，布置1座矸石倉；④為保證礦井產(chǎn)生的矸石能夠有足夠的空間進(jìn)行充填，在厚煤層10煤布置綜采充填工作面。

井下煤矸分選與充填開采一體化系統(tǒng)平面布置如圖2所示。

圖2 井下煤矸分選與充填開采一體化系統(tǒng)平面

5.2 系統(tǒng)流程

在5煤北一上盤區(qū)南翼運(yùn)輸大巷增加滾軸篩，50mm以下原煤經(jīng)滾軸篩篩分后落入原有帶式輸送機(jī)，50mm以上原煤轉(zhuǎn)載至5煤原煤倉上口轉(zhuǎn)載斜巷，經(jīng)轉(zhuǎn)載溜槽落入10煤原煤倉上口轉(zhuǎn)載斜巷。在10煤北一下盤區(qū)南翼集中運(yùn)輸大巷增加滾軸篩，50mm以下原煤經(jīng)滾軸篩篩分后落入原有帶式輸送機(jī)，50mm以上原煤轉(zhuǎn)載至10煤原煤倉上口轉(zhuǎn)載斜巷，與5煤篩分后50mm以上原煤混合經(jīng)破碎機(jī)控制原煤粒度在300mm以下，再匯入原煤倉內(nèi)，卸載硐室至原煤倉剖面如圖3所示。原煤通過原煤倉下口給煤機(jī)硐室，經(jīng)原煤倉下口轉(zhuǎn)載平巷進(jìn)入TDS智能干選系統(tǒng)，分選后煤炭落入北一下盤區(qū)南翼集中運(yùn)輸大巷，煤倉下口至轉(zhuǎn)載平巷剖面如圖4所示，轉(zhuǎn)載平巷至分選硐室剖面如圖5所示。分選后的矸石經(jīng)矸石倉上口轉(zhuǎn)載斜巷落入矸石倉內(nèi)，經(jīng)矸石倉下口給煤機(jī)，運(yùn)至北一下盤區(qū)南翼集中運(yùn)輸大巷內(nèi)增設(shè)的矸石帶式輸送機(jī)。地面選煤廠分選出的矸石經(jīng)投料井落入井下儲(chǔ)料倉內(nèi)，通過儲(chǔ)料倉下口給煤機(jī)和矸石運(yùn)輸聯(lián)絡(luò)巷運(yùn)至北一下盤區(qū)南翼集中運(yùn)輸大巷內(nèi)增設(shè)的矸石帶式輸送機(jī)，與井下分選矸石混合經(jīng)矸石運(yùn)輸順槽落入充填工作面后方的采空區(qū)，分選硐室至矸石倉剖面如圖3所示。

圖3 卸載硐室至原煤倉剖面

圖4 煤倉下口至轉(zhuǎn)載平巷剖面

圖5 轉(zhuǎn)載平巷至分選硐室剖面

圖6 分選硐室至矸石倉剖面

5.3 滾軸篩設(shè)備選型及布置

5煤北一上盤區(qū)南翼運(yùn)輸大巷選用帶式輸送機(jī)型號(hào)為DTL100/50/2×200，10煤北一下盤區(qū)南翼集中運(yùn)輸大巷選用帶式輸送機(jī)型號(hào)為DTL120/120/2×250，在既有帶式輸送機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，選用的滾軸篩與既有帶式輸送機(jī)能力相匹配。5煤北一上盤區(qū)南翼運(yùn)輸大巷選用的滾軸篩型號(hào)為FZS5050-18/10°，給料能力500t/h，5煤卸載硐室設(shè)備布置如圖7所示。10煤煤北一下盤區(qū)南翼集中運(yùn)輸大巷選用的滾軸篩型號(hào)為FZS20050-40/9°，給料能力1500t/h，10煤卸載硐室設(shè)備布置如圖8所示。

圖7 5煤卸載硐室設(shè)備布置

圖8 10煤卸載硐室設(shè)備布置

5.4 矸石倉和原煤倉容量計(jì)算

矸石倉和原煤倉設(shè)計(jì)如圖9所示，矸石倉和原煤倉有效容量可按下列公式計(jì)算：

Q=(0.15～0.35)A

(1)

式中，Q為煤倉或矸石倉有效容積，m3；A為井下分選每日原煤或矸石量，m3；V1為煤倉漏斗容積，m3；H1為給煤機(jī)硐室底板至煤倉漏斗口的高度，取5m；H2為斗嘴高度，取0.5m；H3為煤倉漏斗高度，m；H4為煤倉有效高度，m；H5為煤倉滿載位置至倉帽的高度，取2m；D為直立煤倉凈直徑，m；b1為斗嘴寬度，取2m；α為漏斗斜面與水平的夾角，一般不小于50°，取60°。

已知井下分選50mm以上原煤量為46.7萬t/a，井下分選50mm以上矸石量為24.2萬t/a，按年330天計(jì)算，每日井下分選原煤量為1415t/d，每日井下分選矸石量為733t/d。圓形直立煤倉直徑與高比宜為0.22～0.42。代入式(1)—式(4)內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，當(dāng)原煤倉凈直徑D=6m，煤倉有效高度H4=12m時(shí)，V原煤總=425m3，考慮原煤倉空隙密實(shí)度，原煤容重按1.0t/m3計(jì)算，則原煤倉有效容積為1415×0.15=212.25t<425t<1415×0.35=495.25t，煤倉直徑與高比為0.33，滿足要求。當(dāng)矸石倉凈直徑D=5m，煤倉有效高度H4=7.5m時(shí)，V矸總=205m3，考慮矸石倉空隙密實(shí)度，矸石容重按1.2t/m3計(jì)算，則矸石倉有效容積為733×0.15=109.95t<246t<733×0.3=256.55t，煤倉直徑與高比為0.4，滿足要求。

圖9 矸石倉和煤倉設(shè)計(jì)

5.5 綜采工作面固體充填能力計(jì)算及關(guān)鍵設(shè)備選型

5.5.1 充填工作面生產(chǎn)能力

設(shè)計(jì)充填工作面布置在10號(hào)煤層中，工作面分別布置矸石運(yùn)輸巷和原煤運(yùn)輸巷。采用U型通風(fēng)，原煤運(yùn)輸巷進(jìn)風(fēng)，矸石運(yùn)輸巷回風(fēng)。充填工作面采用以矸定產(chǎn)，分別計(jì)算充填工作面充填能力和采煤能力。

充填工作面年處理矸石量：

A1=330N1LBHγ矸

(5)

式中，A1為充填采煤工作面日處理矸石能力，t/d；N1為每日進(jìn)刀數(shù)，取5刀；L為循環(huán)進(jìn)尺，取0.8m；B為工作面長(zhǎng)，取70m；H為充填高度，取3.0m；γ矸為矸石的容重，取2.0t/m3；

代入式(5)內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，充填工作面年處理矸石能力為55萬t/a。

充填工作面年采煤能力：

A2=330N2LBHγC

(6)

式中，A2為充填采煤工作面日生產(chǎn)能力，t/d；N2為每日進(jìn)刀數(shù)，取5刀；L為循環(huán)進(jìn)尺，取0.8m；B為工作面長(zhǎng)，70m；H為采高，取4.56m；γ為煤的容重，取1.40t/m3；C為工作面采出率，取0.93。

代入式(6)內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，充填采煤工作面長(zhǎng)度70m，每日進(jìn)5刀，充填采煤工作面年采煤能力為55萬t/a。充填工作面年處理矸石能力為55萬t/a，礦井需求的矸石處理量為47.4萬t/a，充填工作面的矸石處理能力滿足需求。

5.5.2 綜合機(jī)械化固體充填關(guān)鍵設(shè)備

綜合機(jī)械化充填技術(shù)在綜合機(jī)械化采煤的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，與普通綜采相比較，綜合機(jī)械化固體充填采煤可實(shí)現(xiàn)在同一液壓支架掩護(hù)下采煤與充填并行作業(yè)。在綜合機(jī)械化固體充填采煤工作面，充填矸石通過充填物料運(yùn)輸系統(tǒng)輸送至懸掛在充填支架后頂梁的多孔底卸式輸送機(jī)上，再由多孔底卸式輸送機(jī)的卸料孔將充填材料充入采空區(qū)[17，18]。工作面關(guān)鍵設(shè)備主要包括充填采煤液壓支架和多孔底卸式輸送機(jī)，固體充填采煤工作面布置如圖10所示。

圖10 固體充填采煤工作面布置

5.5.3 充填采煤液壓支架選型設(shè)計(jì)

支架高度與調(diào)高范圍的選擇。支架最大支撐高度Hmax和最小支撐高度Hmin應(yīng)盡量適應(yīng)煤層的厚度變化。10煤可采厚度為3.20～5.40m，選擇支架最大支撐高度Hmax為5.6m，最小支撐高度Hmin為2.8m。

液壓支架支護(hù)強(qiáng)度與工作阻力的計(jì)算。采用倍重系數(shù)估算法計(jì)算支架支護(hù)強(qiáng)度：

Pt=(4～8)×9.8H′γη

(7)

式中，H′取等價(jià)采高，按最大采高5.40m，充實(shí)率0.7，計(jì)算得出1.62m；γ為頂板巖石容重，取2.5t/m3；η為安全系數(shù)，取1.3。

代入式(7)內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，支架支護(hù)強(qiáng)度為0.206～0.413MPa。

根據(jù)支護(hù)強(qiáng)度、配套設(shè)備尺寸、支架頂梁長(zhǎng)度和空頂距計(jì)算支架工作阻力：

P=nBp(LK+LD)

(8)

式中，n為安全系數(shù)，取1.1；LK為端面距，取0.27m；LD為頂梁長(zhǎng)度，取7.8m；B為架間距，取1.75m；p為支架支護(hù)強(qiáng)度，取413kN/m2。

代入式(8)內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，工作面液壓支架的支護(hù)阻力應(yīng)不小于6416kN。鑫巖煤礦充填采煤液壓支架選用ZC8000/28/56型四柱支撐式，主要由頂梁、立柱、底座、四連桿機(jī)構(gòu)、后頂梁、全采高夯實(shí)系統(tǒng)等構(gòu)成。后頂梁由后部千斤頂支撐，以增加支架后頂梁的支護(hù)強(qiáng)度和穩(wěn)定性，支架后頂梁懸掛的多孔底卸式輸送機(jī)用于充填材料的運(yùn)輸，全采高夯實(shí)系統(tǒng)安裝在支架底座上，對(duì)矸石充填材料進(jìn)行壓實(shí)。當(dāng)后頂梁下部設(shè)備拆除后，后頂梁下降能形成支撐掩護(hù)式支架隔離采煤工作區(qū)與采空區(qū)。

5.5.4 多孔底卸式刮板輸送機(jī)選型設(shè)計(jì)

鑫巖煤礦采用“四六”制作業(yè)方式，每班工作6h。工作面二班半充填采煤，每天割5刀，每刀進(jìn)尺0.8m。每班需要充填空間：

V1=KNLSMmax

(9)

式中，V1為每天充填空間，m3；N為刀數(shù)；L為工作面長(zhǎng)度，取70m；S為每刀進(jìn)尺，取0.8m；Mmax為工作面最大采高，取5.40m；K為備用系數(shù)，取1.15。

代入式(9)內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，10煤工作面每天充填體積為1738.8m3，每班充填體積為696m3。設(shè)計(jì)每班充填時(shí)間為4h，底卸式刮板輸送機(jī)運(yùn)輸量應(yīng)大于174m3/h，充填材料的容重按1.5t/m3計(jì)，相當(dāng)于261t/h。設(shè)計(jì)選用SGBC764/400型多孔底卸式輸送機(jī)，卸料孔的形狀設(shè)計(jì)為長(zhǎng)方形，其尺寸為345×460mm，卸料孔間距設(shè)計(jì)為1.75m。

5.6 地面矸石垂直投料系統(tǒng)管徑選型計(jì)算

5.6.1 投料流量計(jì)算

每年所需充填物料量決定平均投料流量，根據(jù)下式計(jì)算：

Q=A/(330×t)

(10)

式中，Q為平均投料流量，t/h；A為地面矸石投入量，取23.2萬t/a；t為每天投料時(shí)間，取12h。

代入式(10)內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，平均投料流量為59t/h。據(jù)大量工程實(shí)踐，取1.5的不穩(wěn)定系數(shù)，平均投料流量大于88.5t/h，設(shè)計(jì)平均投料流量取整為100t/h。

5.6.2 物料下落截面積計(jì)算

充填物料經(jīng)地面矸石倉投至井口，忽略碰撞等過程中的能量損失，則機(jī)械能守恒：

式中，m為充填物料質(zhì)量，t；vb為充填物料初始速度，取0m/s；g為重力加速度，取9.8m/s2；h為地面矸石倉下口到井口的垂直高度，取1m；v0為充填物料至投料井口的速度，m/s。

代入式(11)—式(12)內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，v0=4.43m/s。

根據(jù)充填物料投料井口初速度，計(jì)算出物料下落截面積等效直徑：

式中，d0為物料下落截面積等效直徑，m；v0為充填物料至投料井口的速度，取4.43m/s。ρ為充填物料平均密度，取2.0t/m3；γ為投料流量不均衡系數(shù)，取1.5；Q為平均投料流量，取100t/h。

代入式(13)內(nèi)進(jìn)行計(jì)算，d0=0.077m=77mm。據(jù)大量工程實(shí)踐，投料孔直徑需大于物料下落截面積等效直徑的3倍。因此，投料管應(yīng)不小于231mm?？紤]一定富余系數(shù)，確定鑫巖煤礦垂直投料輸送系統(tǒng)投料管內(nèi)徑為500mm。垂直投料系統(tǒng)投料管選用新型三層金屬耐磨管，包括外管、中間層和內(nèi)部高耐磨層，其中高耐磨層厚度選為26mm，中間管厚度設(shè)計(jì)為12mm，高耐磨層離心澆筑在耐磨層上，外層管厚度選為12mm，則投料管總厚度為50mm，投料管內(nèi)徑為500mm，即投料管選用D500mm×50mm耐磨管。

6 結(jié) 語

結(jié)合鑫巖煤礦井上、下生產(chǎn)系統(tǒng)和開采條件，確定鑫巖煤礦井下煤矸分選與充填開采一體化系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)系統(tǒng)具有巷道及硐室工程量省，設(shè)備投資少、管理簡(jiǎn)化的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)利用原煤倉和矸石倉的緩沖作用，可保障井下分選系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。在厚煤層10煤布置綜采充填工作面，可確保礦井產(chǎn)生的矸石量有足夠的空間進(jìn)行充填，能夠有效解決矸石排放污染的問題，為鑫巖煤礦實(shí)現(xiàn)綠色開采提供了技術(shù)保障，為類似條件礦井井下分選與充填開采設(shè)計(jì)提供借鑒。