文/公 軍

在煤炭開(kāi)采中，為減少固體廢物排放、開(kāi)采沉陷危害，提高資源回收率，采用短壁連采密實(shí)充填工藝，通過(guò)資源置換,能夠取得最佳的經(jīng)濟(jì)效益、環(huán)境效益和社會(huì)效益。山東能源新礦集團(tuán)孫村煤礦在-400二層充填區(qū)采用矸石充填開(kāi)采技術(shù)，通過(guò)采用全負(fù)壓連采連充分步置換“三下”采煤法，實(shí)現(xiàn)壁式開(kāi)采、全采全充，充采比和充實(shí)率均達(dá)到100%，置換煤量108363t，取得了明顯的經(jīng)濟(jì)、環(huán)境和社會(huì)效益。

一、充填工作面情況

-400二層短壁聯(lián)采密實(shí)充填區(qū)位于-400m水平，巷道西鄰原三采區(qū)3208工作面、3209工作面已開(kāi)采完畢，東臨原二采區(qū)2208工作面、2209工作面已開(kāi)采完畢。該區(qū)域可充填開(kāi)采的二層煤，走向長(zhǎng)455～528m，平均走向長(zhǎng)491.5m，傾斜寬為69～204m，平均傾斜寬為136m，水平面積為62030m2，傾斜面積為66844m2，剩余可采儲(chǔ)量約為21萬(wàn)t。開(kāi)采范圍內(nèi)標(biāo)高為-265.12～-360.22m。

中期開(kāi)采-400m水平原皮帶機(jī)井煤柱，開(kāi)采范圍：東至2408及2409工作面采空區(qū)，西至3409及3410工作面采空區(qū)，南至-210水平大巷，北至-400風(fēng)井及水平大巷。該區(qū)域部分四層煤已開(kāi)采，上覆二層煤未開(kāi)采，平均走向長(zhǎng)215m，平均傾斜寬為325m，傾斜面積為69875m2。二層剩余儲(chǔ)量約35萬(wàn)t、四層剩余儲(chǔ)量約18萬(wàn)t。該區(qū)域地面標(biāo)高為-233.0～-329.4m。

充填開(kāi)采推廣區(qū)為北立井工業(yè)廣場(chǎng)保護(hù)煤柱，開(kāi)采范圍：北至-1100二采集運(yùn)巷，南至F10斷層分支F7斷層，東至-1100二采區(qū)運(yùn)煤上山，西至-1100管子井。該區(qū)域走向長(zhǎng)為1150m，傾斜寬為630m，面積為724500m2，可采儲(chǔ)量合計(jì)976.5萬(wàn)t，其中二層可采儲(chǔ)量232萬(wàn)t，四層可采儲(chǔ)量230.6萬(wàn)t，十一層可采儲(chǔ)量158.3萬(wàn)t。井下標(biāo)高-750～-1100m。地面標(biāo)高為+201.54m。

二、充填開(kāi)采技術(shù)應(yīng)用

礦井采用全負(fù)壓連采連充分步置換“三下”采煤法。連采連充采煤法，即通過(guò)優(yōu)化改造旺格維利（短壁連采）采煤法，發(fā)揮其連續(xù)采煤優(yōu)勢(shì)，采用壁式布置形成全負(fù)壓通風(fēng)工作面，增加新型充填法管理頂板，實(shí)行壁式開(kāi)采、全采全充。

1.充填工藝流程

（1）充填工作原理。充填工作主要是將洗選矸石和水泥漿通過(guò)輸矸皮帶和輸漿管路共同完成。洗選廠洗選出來(lái)的矸石經(jīng)皮帶運(yùn)輸至矸石山，由汽運(yùn)將洗選矸石與破碎的矸石運(yùn)輸至大洛溝矸石充填工業(yè)廣場(chǎng)，通過(guò)工業(yè)廣場(chǎng)矸石輸送皮帶轉(zhuǎn)載到新施工的充填鉆孔，經(jīng)充填鉆孔自溜至-210m水平，與原似膏體矸石充填管路系統(tǒng)中的水泥漿在充填支巷上端匯合后，輸送至充填支巷進(jìn)行充填。

（2）充填工藝流程。該充填工藝采用洗選矸和漿體混合方式充填。將水泥、粉煤灰、水嚴(yán)格按比例進(jìn)行科學(xué)配比，經(jīng)地面攪拌后形成充填泥漿，然后通過(guò)鉆孔管道輸送至井下，最終通過(guò)井下管道輸送至充填支巷上口；洗選矸石經(jīng)鉆孔管道輸送至井下緩沖倉(cāng)，然后使用皮帶等設(shè)備運(yùn)輸至充填支巷上口；泥漿與洗選矸石在支巷內(nèi)混合凝固，形成堅(jiān)硬的充填體。

具體充填施工采取“采3充1，采5充3”的工作法。即：工作面連續(xù)開(kāi)采3個(gè)支巷或煤柱巷時(shí)，必須充填，不得連續(xù)開(kāi)采超過(guò)3個(gè)支巷或煤柱巷不充填；連續(xù)開(kāi)采5個(gè)支巷或煤柱巷時(shí)必須有3個(gè)支巷或煤柱巷完成注漿。上巷充填與下巷采煤實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)。工作面采用水泥漿加洗選矸管理頂板，根據(jù)地質(zhì)及開(kāi)采技術(shù)條件，采用水泥漿蠕動(dòng)沖推洗選矸進(jìn)行充填。充填時(shí)，采取二次填灌的方式進(jìn)行接頂充填。充填工藝流程圖如圖1所示。

2.主要充填材料

孫村煤礦充填物料分漿體與洗選矸石兩大部分。

漿體為普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、水的混合體，采用科學(xué)配比試驗(yàn)，確保漿體凝固抗壓強(qiáng)度及性價(jià)比的合理性。在充填料中加入粉煤灰，進(jìn)行等比例置換水泥，主要是為提高水泥漿體性價(jià)比，改善管道輸送性能，降低管道磨損、堵塞概率。漿體密度為1.3g/cm3。

圖1 充填工藝流程圖

充填骨料主要來(lái)源于煤礦井下回采和掘進(jìn)工作面所產(chǎn)生的矸石。一是經(jīng)洗選后顆粒均勻的矸石，一般顆粒直徑不大于5～6cm；二是地面矸石破碎后的小顆粒粉狀矸石。將兩種矸石按一定比例混合后，經(jīng)輸矸孔落體破碎后進(jìn)入井下運(yùn)輸系統(tǒng)，最終通過(guò)皮帶將矸石輸送至充填面上巷。

3.充填工藝系統(tǒng)

（1）充填料的運(yùn)輸與儲(chǔ)存系統(tǒng)。水泥、粉煤灰用散裝罐車(chē)運(yùn)送，通過(guò)高壓氣卸入立式水泥倉(cāng)和粉煤灰倉(cāng)內(nèi)，經(jīng)倉(cāng)底插板閥、星型給料機(jī)、沖板流量計(jì)計(jì)量后，通過(guò)單螺旋輸送機(jī)輸送至同一個(gè)攪拌桶內(nèi)，攪拌形成水泥粉煤灰漿體，然后轉(zhuǎn)運(yùn)至主攪拌桶內(nèi)。

（2）攪拌系統(tǒng)。普通攪拌很難破壞微細(xì)顆粒固體和水產(chǎn)生的聚凝集合體，因此需用強(qiáng)力機(jī)械攪拌裝置。

（3）供水系統(tǒng)。為保證供水能力，需設(shè)置高位水池或安設(shè)加壓水泵。

（4）檢測(cè)系統(tǒng)。高濃度料漿具有良好性能的濃度范圍很小，料漿濃度的變化對(duì)充填料漿特性的影響極為敏感，為順利實(shí)現(xiàn)全尾砂高濃度膠結(jié)充填，必須建立可靠完善的充填監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)料漿濃度、流量及各種物料配比的監(jiān)測(cè)和調(diào)節(jié)。

（5）地面系統(tǒng)。接到需要進(jìn)行充填的通知后，地面制備站要備足充填所需的水泥漿。充填時(shí)，按下料順序，先下水沖洗管路，待管路暢通，接到下料通知后下粉煤灰、水泥。充填期間，隨充填流量變化，適當(dāng)調(diào)節(jié)出口閥門(mén)，控制攪拌槽內(nèi)液位保持在1.5m以上。接到停料通知后，下水沖洗管路，井下充填負(fù)責(zé)人確認(rèn)管路內(nèi)無(wú)余料后，用專(zhuān)用電話通知地面停水，地面制備站停止下水。

4.建立大垂深直投式下矸系統(tǒng)

根據(jù)礦井實(shí)際情況選取最佳位置，施工地面下矸鉆孔，建立大垂深固體充填物料直投系統(tǒng)。在柴汶河?xùn)|岸大洛溝村重新選址建立地面洗選矸輸送站，施工直徑為550mm鉆孔，垂深382m，落地位置位于-210水平以矸換煤充填工作面上平巷附近，矸石通過(guò)鉆孔自溜至-210水平上平巷后，需通過(guò)以矸換煤充填上平巷運(yùn)矸皮帶運(yùn)送至充填支巷。

矸石轉(zhuǎn)載的方案是，施工大坡度輸矸通道，采用搪瓷溜子搭接皮帶自溜運(yùn)矸。

（1）溜子道。巷道采用矩形斷面，錨網(wǎng)帶支護(hù)，巷道凈寬為3.0m，凈高為2.5m，傾角為35°。

（2）搪瓷溜子。為確保充填鉆孔自溜下來(lái)的大矸石及時(shí)破碎、滿足充填配比需要，在充填鉆孔下方安裝破碎桿，斜溜子道內(nèi)敷設(shè)搪瓷溜子，搪瓷溜子中心位于充填鉆孔正下方。為了方便固定搪瓷溜子，靠巷道東幫搭設(shè)基礎(chǔ)固定搪瓷溜子，巷道西幫作為溜子道檢修人行道。

（3）皮帶聯(lián)動(dòng)。為避免出現(xiàn)輸矸孔下方淤堵，井上輸矸皮帶與井下輸矸皮帶必須實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)。當(dāng)井下皮帶停運(yùn)前，必須先將井上皮帶停止運(yùn)行、停止輸矸，確保無(wú)矸石擠壓。當(dāng)井上皮帶停止輸矸時(shí)，井下皮帶應(yīng)滯后3min停運(yùn)，確保立孔矸石輸送完成。

三、充填開(kāi)采效果

自2020年1月至2020年11月，孫村煤礦在-400二層充填區(qū)實(shí)施了矸石充填開(kāi)采，開(kāi)采煤層為2煤層，煤層平均厚度為2.8m。根據(jù)實(shí)際開(kāi)采情況，-400二層充填區(qū)充填回采率為95%，充填矸石130996t，矸石充填采空區(qū)體積為3萬(wàn)m3，充采比為100%，充實(shí)率為100%，置換煤量108363t，經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境效益顯著。