王中亮 劉海泉 王振虹

（通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250031）

煤矸石為煤炭開采中產(chǎn)生的廢棄物，在地面堆存不僅占用大量土地資源，還對(duì)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境造成污染[1-2]。本文以金裕達(dá)煤礦充填工作面為研究對(duì)象，提出井下矸石充填方案，符合當(dāng)?shù)丨h(huán)保政策要求，研究結(jié)果可為類似礦井充填開采設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 概況

金裕達(dá)煤礦主采2、9 煤層，平均厚度為1.33 m、3.80 m，先采2 煤層，年產(chǎn)矸石量約22.1 萬(wàn)t/a。礦井開拓開采布置如圖1。為達(dá)到煤矸石綜合利用率100%的目的，需要對(duì)礦井二采區(qū)2 煤層充填開采方案進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 礦井開拓開采系統(tǒng)布置圖

2 充填開采技術(shù)

2.1 綜采架后矸石充填技術(shù)

綜采架后矸石充填技術(shù)是在綜采工作面回采時(shí)實(shí)現(xiàn)矸石充填，通過(guò)充填液壓支架、自壓式矸石充填機(jī)等充填設(shè)備，將矸石送入采空區(qū)并進(jìn)行壓實(shí)的充填開采方法[3]。該技術(shù)充填工序在支架掩護(hù)下進(jìn)行，無(wú)須在采空區(qū)內(nèi)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)了充填開采的機(jī)械化與快速化，已在新汶、邢臺(tái)等礦區(qū)進(jìn)行了推廣應(yīng)用。該技術(shù)矸石處理能力大，消耗矸石量多。

2.2 膏體充填技術(shù)

膏體充填是將煤矸石、粉煤灰、工業(yè)爐渣等制成膏狀漿體，利用充填泵經(jīng)充填管路輸送到井下采空區(qū)的充填開采方法[4]。該技術(shù)充填漿液密實(shí)度高，充填體強(qiáng)度高，對(duì)地表沉陷控制效果好，但存在著初期投資大、成本高、采充不協(xié)調(diào)、管道易堵塞等難題，已在新汶、濟(jì)寧、邯鄲、赤峰等礦區(qū)得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)可處理大量矸石。

2.3 短壁連采連充技術(shù)

短壁連采連充技術(shù)由相互獨(dú)立的采煤、充填系統(tǒng)組成，采煤系統(tǒng)包括回采支巷及煤炭運(yùn)輸，充填系統(tǒng)包括回采完畢后支巷的充填及充填物料的運(yùn)輸，兩套系統(tǒng)平行作業(yè)[5]。該技術(shù)避免了長(zhǎng)壁膏體充填采充干擾、效率低、控頂效果差等難題。礦井2 煤層厚1.33 m，工作面需割頂或切底，會(huì)造成礦井矸石量進(jìn)一步增加。因此，該技術(shù)不適用于本礦井。

3 充填開采設(shè)計(jì)方案

根據(jù)金裕達(dá)煤礦地質(zhì)采礦條件及上述充填方法的適用性，設(shè)計(jì)提出3 個(gè)充填開采方案，具體如下：

3.1 方案一

采用“地面洗選+綜采架后矸石充填”方式，井下矸石運(yùn)至地面選煤廠洗選，再依次經(jīng)物料鉆孔、采區(qū)膠帶上山等環(huán)節(jié)運(yùn)至井下充填工作面進(jìn)行架后原矸充填。該方案需在地面矸石棚附近增設(shè)1 個(gè)物料鉆孔，鉆孔深度約260 m。如圖2、圖3。

圖2 充填系統(tǒng)布置示意圖（m）

圖3 矸石運(yùn)輸流程圖

矸石充填工作面生產(chǎn)能力：

式中：AC1為工作面生產(chǎn)能力，萬(wàn)t/a；L為面長(zhǎng)，取200 m；h為采高，取1.33 m；r為原煤視密度，1.35 t/m3；b為日推進(jìn)度，3.2 m/d；n為年工作日數(shù)，330 d；N為正規(guī)循環(huán)作業(yè)系數(shù)，取0.9；c為工作面回采率，取97%。

因此，矸石充填工作面實(shí)際生產(chǎn)能力按A=30萬(wàn)t/a 計(jì)算，每年可形成采空區(qū)V空=A/r=22.2 萬(wàn)m3/a。矸石充填率取80%，要求礦井年充填能力V充=V空×80%=17.8 萬(wàn)m3/a。

矸石松散密度取r矸=1.6 t/m3，則礦井年可處理矸石約V矸=V充×r矸=28.4 萬(wàn)t/a ＞22.1 萬(wàn)t/a（礦井年矸石產(chǎn)量），可以滿足礦井處理矸石的要求。

3.2 方案二

采用“井下分選+綜采架后矸石充填”方式，煤流中經(jīng)井下煤矸分離系統(tǒng)分選后的矸石及掘進(jìn)矸石運(yùn)至井下矸石倉(cāng)臨時(shí)儲(chǔ)存，再依次經(jīng)采區(qū)膠帶上山等運(yùn)至充填工作面進(jìn)行架后原矸充填。

煤矸分離工藝流程：在上組煤煤倉(cāng)上口位置布置TDS 干選系統(tǒng)（TDS14-300 型干選機(jī)），利用1#原煤轉(zhuǎn)載皮帶將原煤轉(zhuǎn)載至滾軸篩，進(jìn)行50 mm 篩分，-50 mm 末煤通過(guò)2#塊末皮帶轉(zhuǎn)載返回至上組煤煤倉(cāng)，+50 mm 以上塊原煤進(jìn)入TDS 干選系統(tǒng)，選后塊精煤進(jìn)入2#塊末皮帶轉(zhuǎn)載入上組煤煤倉(cāng)，矸石通過(guò)3#矸石轉(zhuǎn)載皮帶至矸石倉(cāng)儲(chǔ)存。如圖4。

圖4 井下煤矸分選系統(tǒng)布置位置圖（m）

式中各參數(shù)同公式（1）。

同理，可計(jì)算出礦井年矸石處理量V矸=28.4 萬(wàn)t/a ＞22.1 萬(wàn)t/a（礦井年矸石產(chǎn)量），可滿足礦井處理矸石的要求。

3.3 方案三

采用“地面洗選+膏體充填”方式，井下產(chǎn)生矸石運(yùn)至地面，在地面充填站將矸石、粉煤灰、水等材料按比例配好、攪拌均勻后經(jīng)充填管道輸送至井下采空區(qū)進(jìn)行充填。工作面采用長(zhǎng)壁膏體充填方式，按綜采工藝完成割煤、移架、推溜，達(dá)到充填步距后進(jìn)行膏體充填，工作面實(shí)行“采煤—充填—凝固/檢修”作業(yè)方式。如圖5。

圖5 膏體充填示意圖

膏體充填工作面生產(chǎn)能力：

式中：L為工作面長(zhǎng)度，170 m；b為日推進(jìn)度，2.4 m/d，其余參數(shù)同公式（1）。

膏體充填工作面實(shí)際生產(chǎn)能力按A=21.1 萬(wàn)t/a計(jì)算，每年可形成采空區(qū)V空=A/r=15.6 萬(wàn)m3/a。取充填率95%、矸石占比85%，要求礦井年充填能力V充=V空×90%×85%=12.6 萬(wàn)m3/a。

礦井年可處理矸石量V矸=V充×r矸=20.2 萬(wàn)t/a ＜22.1 萬(wàn)t/a（礦井年矸石產(chǎn)量），不能滿足礦井處理矸石的要求，剩余1.9 萬(wàn)t/a 矸石需另尋廢棄巷道進(jìn)行充填。

3.4 方案比選

各方案簡(jiǎn)要技術(shù)、經(jīng)濟(jì)對(duì)比見表1。

表1 方案對(duì)比表

方案一工作面仰斜開采、俯斜充填，適應(yīng)性較好；原矸充填投資少，運(yùn)行成本低，但矸石需升井后再處理，能耗有所增加；方案二在井下直接處理矸石，但分選硐室斷面大，支護(hù)難度大，且矸石充填減沉效果較膏體差；方案三膏體充填運(yùn)輸環(huán)節(jié)少，充填效果好，但矸石處理能力小、系統(tǒng)投資大、充填工序復(fù)雜。經(jīng)綜合對(duì)比，設(shè)計(jì)推薦方案一，即“地面洗選+綜采架后矸石充填”方式。

4 充填工藝與設(shè)備

4.1 采煤工藝

二采區(qū)采用綜采采煤、充填法管理頂板，采用“四六”工作制，每班工作6 h。工作面采用一采一充方式，每天進(jìn)4 刀，每刀進(jìn)尺0.8 m。使用采煤機(jī)雙向截割煤體，采煤機(jī)截割裝煤和前刮板機(jī)前移配合裝煤，前刮板機(jī)將煤運(yùn)到轉(zhuǎn)載機(jī)，經(jīng)順槽膠帶輸送機(jī)將煤運(yùn)出。

4.2 矸石充填工藝

矸石從矸石倉(cāng)通過(guò)膠帶輸送機(jī)等運(yùn)至后刮板機(jī)上，工作面后刮板機(jī)懸掛在支架后頂梁上，在工作面前刮板機(jī)移直后，通過(guò)卸料孔將充填物料卸放至架下的采空區(qū)內(nèi)，然后利用夯實(shí)系統(tǒng)將充填物料壓實(shí)并接頂，完成充填作業(yè)。工作面充填工藝流程圖如圖6。

圖6 工作面充填工藝流程圖

4.3 充填設(shè)備

設(shè)備選型詳見表2。

表2 充填設(shè)備技術(shù)參數(shù)表

5 結(jié)論

根據(jù)實(shí)際條件，以矸石的處理為主要考量因素，對(duì)比分析了不同充填方案，提出了“矸石地面洗選+綜采架后矸石充填”方式，確定矸石充填開采工藝及設(shè)備選型?！绊肥孛嫦催x+綜采架后矸石充填”方案能夠完全消耗矸石，做到礦井地面不存矸，助推綠色生態(tài)礦山建設(shè)。