陳 程

(大同煤礦集團(tuán) 設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，山西 大同 037003)

1 基本概況

麻家梁礦井三采區(qū)、四采區(qū)北部有大量地面建筑物，井田范圍中部貫通有高壓線纜，“三下”壓煤極為嚴(yán)重[1-3]?！叭隆背涮铋_采區(qū)域?yàn)?號(hào)層四采區(qū)，4號(hào)層壓煤量為4 573.9萬(wàn)t，9號(hào)層壓煤量為16 191.6萬(wàn)t，其資源儲(chǔ)量占總資源儲(chǔ)量的85%以上。4號(hào)煤層厚度為1.75～6.44 m/4.57 m，下距5號(hào)煤層5～10 m，可采系數(shù)100%，煤層結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，一般含1～4層夾矸，厚度變化較大，個(gè)別夾矸大于最低可采厚度，夾矸層位不穩(wěn)定。老頂為中粉砂巖、中砂巖，平均厚度為16.10 m；直接頂為泥巖或各類砂巖互層，平均厚度為3.10 m；直接底為泥巖、高嶺質(zhì)泥巖，平均厚度為5.50 m；老底為中、細(xì)、粉砂巖或泥巖，平均厚度為5.00 m。據(jù)現(xiàn)有資料分析，四采區(qū)西中南部揭露1條古河流沖刷帶，受沖刷影響煤層變薄，最薄處煤厚 1.75 m，沖刷帶寬1 km左右，沖刷帶走向北偏東40°延伸，沖刷幅度最大可達(dá)5 m左右，沖刷帶巖性為灰白色細(xì)砂巖，厚度為1.75～12.48 m/7.57 m。

2 巷道布置

根據(jù)井田內(nèi)開拓布局及開拓現(xiàn)狀，14402工作面已于2019年回采1 069 m后封閉，工作面面長(zhǎng)272 m，可采剩余走向長(zhǎng)969 m，煤厚3.47 m，預(yù)計(jì)可采儲(chǔ)量130萬(wàn)t。4號(hào)層四采區(qū)的充填開采仍利用現(xiàn)有二采區(qū)大巷作為開采四采區(qū)的采區(qū)大巷，14402膏體充填工作面主要巷道包括：14402膠帶巷道、14402輔運(yùn)巷道、14402切巷。根據(jù)已經(jīng)開采的14101和14102綜采工作面，回采過程中的煤層瓦斯涌出量情況，確定工作面巷道布置采用雙巷布置[4-5]，通風(fēng)采用一進(jìn)一回，即工作面進(jìn)風(fēng)側(cè)沿煤層底板布置膠帶巷道，用于煤炭運(yùn)輸兼進(jìn)風(fēng)；回風(fēng)側(cè)沿煤層底板布置輔運(yùn)巷道，用于輔助運(yùn)輸兼回風(fēng)。巷道布置如圖1所示。

圖1 膏體充填巷道布置示意(mm)

3 膏體充填開采系統(tǒng)設(shè)計(jì)

工作面回采進(jìn)入“三下”壓煤開采區(qū)域后，采用正規(guī)膏體架后充填方式，注漿膏體采用高強(qiáng)度充填，充填材料由矸石1.2 t/m3、粉煤灰、水泥等和礦井水按一定配比制成充填材料，如果膏體膠結(jié)料用量50 kg/m3，質(zhì)量百分比2.5%，粉煤灰250 kg/m3，質(zhì)量濃度82%，則膏體料漿凝結(jié)28 d的抗拉抗壓強(qiáng)度為1.9 MPa，平均彈性模量為3 517 MPa[6]。

膏體充填開采系統(tǒng)主要包括地面充填系統(tǒng)和井下充填系統(tǒng)兩部分，井上下系統(tǒng)相互配套，協(xié)同運(yùn)行。地面充填站由四大工程模塊組成，其中包括矸石破碎加工模塊、充填料倉(cāng)儲(chǔ)模塊、配比攪拌及泵送模塊和智能化充填系統(tǒng)控制模塊。井下充填系統(tǒng)主要包括井下的管路輸送系統(tǒng)、采煤系統(tǒng)、隔離充填系統(tǒng)[7-9]。

3.1 矸石破碎加工模塊

矸石破碎系統(tǒng)主要包括細(xì)破車間、篩分車間及轉(zhuǎn)運(yùn)膠帶等部分。細(xì)破車間布置在現(xiàn)矸石倉(cāng)西南側(cè)、西北側(cè)布置篩分車間，原矸采用矸石倉(cāng)配合給料機(jī)、膠帶上料，矸石運(yùn)至矸石倉(cāng)進(jìn)行存儲(chǔ)，通過帶式給料機(jī)運(yùn)至破碎機(jī)進(jìn)行粗破，再經(jīng)轉(zhuǎn)運(yùn)膠帶機(jī)運(yùn)至高細(xì)破碎機(jī)進(jìn)行細(xì)破，最后通過膠帶機(jī)運(yùn)至篩分車間進(jìn)行篩分，成品矸石經(jīng)上倉(cāng)膠帶機(jī)和分倉(cāng)膠帶機(jī)運(yùn)至成品矸石倉(cāng)，將篩上物運(yùn)至細(xì)破車間進(jìn)行二次破碎。

在設(shè)計(jì)系統(tǒng)時(shí)，考慮洗矸水分和洗矸破碎的影響，經(jīng)調(diào)研和矸石取樣破碎，選用適合洗矸水分的高細(xì)破碎機(jī)，破碎能力為200 t/h，破碎粒度能滿足配料要求。雖然高細(xì)破碎機(jī)的出料粒度小于15 mm，隨著破碎機(jī)錘頭的磨損，仍有大顆粒物料排出破碎機(jī)，因此在系統(tǒng)中配置1臺(tái)篩分機(jī)，確保進(jìn)倉(cāng)物料的粒度滿足要求，篩分機(jī)能力與破碎系統(tǒng)能力相匹配。由于洗矸的矸石粒徑小于200 mm，在破碎前，先進(jìn)行除雜和除鐵，避免各類異物對(duì)破碎的影響[10]。矸石破碎系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

3.2 充填料倉(cāng)儲(chǔ)模塊

礦井洗矸利用礦井現(xiàn)有成品矸石倉(cāng)進(jìn)行原矸存儲(chǔ)。利用鋼板圓筒倉(cāng)存儲(chǔ)成品矸石，目前矸石日消耗最大量為3 270 t/d，共設(shè)計(jì)4個(gè)700 t的矸石倉(cāng)，經(jīng)破碎篩分加工后，使用膠帶機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)分倉(cāng)，堵倉(cāng)問題通過安設(shè)破拱裝置進(jìn)行解決。

圖2 矸石破碎系統(tǒng)工藝流程框圖

3.3 配比攪拌及泵送模塊

為了縮短充填的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)充采平衡，按照雙攪拌機(jī)設(shè)計(jì)配比攪拌系統(tǒng)，兩套雙攪拌系統(tǒng)同時(shí)工作，設(shè)計(jì)能力達(dá)到240 m3/h，其中一個(gè)攪拌系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，另一個(gè)可以正常工作，不會(huì)影響充填安全[11]。配比攪拌系統(tǒng)采用雙系統(tǒng)平行布置[12]，工藝流程框圖如圖3所示。采用鋼板筒倉(cāng)存儲(chǔ)粉煤灰倉(cāng)和膠結(jié)料，分別布置在充填車間的兩側(cè)，通過螺旋輸送機(jī)將料運(yùn)送到充填車間稱量系統(tǒng)，在充填車間內(nèi)設(shè)置沉淀池，布置2臺(tái)充填泵，配比攪拌平臺(tái)與充填車間獨(dú)立設(shè)計(jì)，考慮充填車間起吊設(shè)備最大重量為8.5 t的攪拌機(jī)，在充填車間布置1臺(tái)10 t行車和提升通道。

圖3 配比攪拌系統(tǒng)工藝流程框圖

3.4 管路輸送系統(tǒng)

麻家梁煤礦充填管路初步考慮通過鉆孔進(jìn)入井下充填系統(tǒng)，充填泵出口至鉆孔距離120 m，管路布置在充填站內(nèi)，且地面水平管線短，便于維護(hù)。

4 效果分析

在麻家梁礦搭建礦井充填開采地面巖移觀測(cè)站，觀測(cè)站建在14402工作面地表上方，觀測(cè)日期至2021年11月20日，共設(shè)計(jì)20個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)地表下沉結(jié)果如圖4所示。

從圖4可以看出，14402工作面采用膏體充填開采后，地表上方各觀測(cè)點(diǎn)的最大下沉量為14 mm，最大下沉量點(diǎn)在18號(hào)測(cè)點(diǎn)位置，月度最大下沉量為6 mm，下沉量點(diǎn)在11號(hào)測(cè)點(diǎn)位置。根據(jù)觀測(cè)資料，得出如下結(jié)論：區(qū)域內(nèi)煤層埋藏較淺，地表顯現(xiàn)較快，采用膏體充填工藝后頂板未出現(xiàn)垮落，地面出現(xiàn)微小彈性變形，曲線形態(tài)符合充填開采地表一般巖移規(guī)律，地表沉陷控制較好，達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

圖4 膏體充填開采地表下沉曲線對(duì)比圖

5 結(jié) 語(yǔ)

1) 以14402工作面為研究對(duì)象，采用膏體充填工藝進(jìn)行開采，詳細(xì)介紹地面充填系統(tǒng)和井下充填系統(tǒng)，工作面的充實(shí)率高、膏體強(qiáng)度可調(diào)，地表沉陷較小。

2) 根據(jù)麻家梁礦的實(shí)際情況，通過現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，采用膏體充填開采后，頂板未出現(xiàn)垮落，地面只出現(xiàn)微小的彈性變形，地表沉陷效果控制較好，提高了矸石回收率，延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限。