高 峰

(煤炭工業(yè)太原設(shè)計(jì)研究院集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

礦山充填開(kāi)采最早起步于金屬礦，以加拿大、澳大利亞、波蘭等國(guó)為代表。2000年以后河北、山東、河南等地區(qū)開(kāi)展了矸石固體充填開(kāi)采技術(shù)。目前，矸石固體充填開(kāi)采技術(shù)已在國(guó)內(nèi)多個(gè)礦區(qū)進(jìn)行了成功試驗(yàn)，邯邢礦區(qū)開(kāi)展最早也更為成熟，山西華晟榮煤礦、山東曲礦、陽(yáng)煤新元礦等礦企順利推廣實(shí)施，山西垚志達(dá)煤礦、山西蘭花唐安礦、陽(yáng)煤七元礦等礦企也在開(kāi)展矸石固體充填開(kāi)采方案論證，該技術(shù)的成功實(shí)施已在眾多礦區(qū)的煤炭生產(chǎn)中發(fā)揮著重要的作用，成為提高煤炭資源安全、綠色、高效生產(chǎn)的重要技術(shù)手段之一。

金谷煤礦為山西省兼并重組礦井，達(dá)產(chǎn)后每年產(chǎn)生矸石39.9萬(wàn)t左右，由于環(huán)保政策要求，地面排矸受到嚴(yán)重限制，迫切需要通過(guò)技術(shù)創(chuàng)新開(kāi)發(fā)一種綠色、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保的矸石處理方法，既能滿足礦井即將達(dá)到設(shè)計(jì)排放量的矸石堆場(chǎng)，又能滿足當(dāng)務(wù)之急礦井的開(kāi)采工作面布置。基于此，金谷煤礦通過(guò)大量的調(diào)研工作后，擬在礦井嘗試推行矸石返井充填開(kāi)采，以取代矸石地面排棄、填埋工藝。

1 礦井概況

金谷煤業(yè)有限公司為兼并重組整合，井田面積8.5062km2，核定生產(chǎn)能力為90萬(wàn)t/a。礦井采用斜井開(kāi)拓方式，布置有3個(gè)井筒，分別為主斜井、副斜井和回風(fēng)斜井，全井田設(shè)一個(gè)主水平，一個(gè)輔助水平，主水平劃分為3個(gè)采區(qū)，輔助水平設(shè)一個(gè)采區(qū)。批準(zhǔn)開(kāi)采2#—11#煤層，目前在9+10#煤層布置一個(gè)工作面進(jìn)行回采，礦井配套洗煤廠矸石產(chǎn)量為16.3萬(wàn)t/a。

金谷煤礦矸石場(chǎng)總占地面積為18.09hm2，矸石容量為28.72萬(wàn)m3，約48.8萬(wàn)t，按目前洗煤廠矸石產(chǎn)量，金谷煤礦矸填場(chǎng)僅滿足洗煤廠3年的矸石存量，待中厚煤層開(kāi)采后礦井每年要產(chǎn)生矸石量為39.9萬(wàn)t，僅滿足礦井1.223年存量。由于環(huán)保政策要求，金谷煤礦未來(lái)地面排矸將受到嚴(yán)重限制，為此，金谷煤礦嘗試推行矸石返井充填開(kāi)采，以取代矸石地面排棄、填埋工藝。同時(shí)，根據(jù)山西省能源局《關(guān)于在全省煤炭行業(yè)推行綠色開(kāi)采試點(diǎn)工作有關(guān)事項(xiàng)的通知》(晉能源煤技發(fā)[2019]535號(hào))的文件要求，金谷煤業(yè)實(shí)施充填開(kāi)采后，礦井可以同時(shí)布置一個(gè)9+10號(hào)煤層工作面和一個(gè)11號(hào)煤層充填開(kāi)采工作面，增加了礦井產(chǎn)能。

2 煤矸石返井充填開(kāi)采系統(tǒng)設(shè)計(jì)

金谷煤業(yè)煤矸石返井充填技術(shù)是將地面洗選矸石運(yùn)輸至工作面，充填入采空區(qū)，同時(shí)進(jìn)行沿空留巷，實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采，達(dá)到井下處理矸石、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。該矸石充填系統(tǒng)主要包括地面矸石返井加工運(yùn)輸環(huán)節(jié)、井下矸石運(yùn)輸環(huán)節(jié)、工作面矸石采充環(huán)節(jié)和沿空留巷環(huán)節(jié)。矸石返井充填開(kāi)采系統(tǒng)如圖1所示。

1)地面返井矸石加工運(yùn)輸環(huán)節(jié)：礦井洗煤廠的煤泥、中矸及經(jīng)破碎后的篩分車間揀矸，全部經(jīng)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸至矸石混料倉(cāng)儲(chǔ)存。

2)井下矸石運(yùn)輸環(huán)節(jié)：矸石混料倉(cāng)倉(cāng)下給料至主斜井運(yùn)矸帶式輸送機(jī)，運(yùn)至回采工作面巷道。

3)工作面矸石采充環(huán)節(jié)：充填矸石經(jīng)運(yùn)矸帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載至工作面充填刮板輸送機(jī)上，通過(guò)刮板輸送機(jī)上卸料孔將充填物料充填入采空區(qū)內(nèi)，然后利用推壓裝置將矸石材料反復(fù)推實(shí)并接頂。

4)沿空留巷環(huán)節(jié)。在工作面回采過(guò)程中，通過(guò)巷旁充填體注漿加固技術(shù)，將該工作面的1條工作面巷道沿充填體保留下來(lái)，作為下一個(gè)工作面的運(yùn)矸或運(yùn)煤巷使用，取消工作面間區(qū)段煤柱，提高采區(qū)回采率。沿充留巷以后每個(gè)工作面可以少掘1條工作面巷道，還可以解決采掘接替緊張問(wèn)題。

3 煤矸石返井充填開(kāi)采技術(shù)

“煤矸石返井-采空區(qū)充填-沿充留巷”一體化煤矸石返井充填開(kāi)采技術(shù)主要研究地面及井下矸石運(yùn)輸、井下采煤系統(tǒng)、充填系統(tǒng)、留巷系統(tǒng)之間的配套關(guān)系、布置方法及工藝流程，實(shí)現(xiàn)快速高效沿充留巷與充填作業(yè)的協(xié)同推進(jìn)。

3.1 地面矸石返井環(huán)節(jié)

地面矸石返井環(huán)節(jié)由煤泥運(yùn)輸、中矸運(yùn)輸、大塊矸破碎運(yùn)輸和混料矸石儲(chǔ)存等4部分組成。

1)煤泥運(yùn)輸部分：壓濾車間內(nèi)的煤泥經(jīng)鏟車給至螺旋給料漏斗卸至帶式輸送機(jī)，在中矸倉(cāng)和洗煤廠產(chǎn)生的中矸混合運(yùn)至轉(zhuǎn)載站，轉(zhuǎn)載至混料上倉(cāng)帶式輸送機(jī)和破碎后的塊矸一起進(jìn)入矸石混料筒倉(cāng)。

2)中矸運(yùn)輸部分：中矸(100mm)經(jīng)中矸倉(cāng)倉(cāng)下閘門卸載至煤泥中矸帶式輸送機(jī)，和帶式輸送機(jī)上的煤泥混合運(yùn)至轉(zhuǎn)載站，轉(zhuǎn)載至混料上倉(cāng)帶式輸送機(jī)和破碎后的塊矸一起進(jìn)入矸石混料筒倉(cāng)。

3)大塊矸破碎運(yùn)輸部分：篩分車間篩選出的大塊矸(≤400mm)經(jīng)矸石帶式輸送機(jī)(進(jìn)行延長(zhǎng)改造)運(yùn)至矸石破碎間進(jìn)行破碎后(≤80mm)，經(jīng)混料上倉(cāng)帶式輸送機(jī)(中部接受轉(zhuǎn)載站混運(yùn)來(lái)的煤泥、中矸)進(jìn)入矸石混料筒倉(cāng)。

4)混料矸石儲(chǔ)存部分：采用筒倉(cāng)形式，位于主斜井井口房后約50m，采用全地下形式、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

3.2 井下運(yùn)輸環(huán)節(jié)

在主斜井井筒布置一條主井返矸帶式輸送機(jī)，架設(shè)在主運(yùn)煤帶式輸送機(jī)上方，矸石在11號(hào)煤進(jìn)風(fēng)通道處卸載至11101上巷運(yùn)矸帶式輸送機(jī)(一部)，再經(jīng)11101上巷運(yùn)矸帶式輸送機(jī)(二部)轉(zhuǎn)入11號(hào)煤采面，通過(guò)一臺(tái)轉(zhuǎn)載機(jī)給料至充填工作面。矸石充填系統(tǒng)井下運(yùn)輸環(huán)節(jié)如圖2所示，主斜井井筒布置如圖3所示。

3.3 工作面采充技術(shù)

3.3.1 工作面及巷道布置

11號(hào)煤層11101工作面為首采充填工作面，位于一采區(qū)南翼，傾斜長(zhǎng)度150m，推進(jìn)長(zhǎng)度約1190m，采用后退式開(kāi)采，實(shí)際揭露煤層厚度1.4～2.8m，平均厚度2.2m，可采儲(chǔ)量約51萬(wàn)t。工作面上下巷道均采用沿空留巷。

11101工作面采用充填采煤時(shí)不需新增巷道，只需對(duì)主斜井矸石下運(yùn)帶式輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)裝置硐室進(jìn)行局部拓高拓寬、矸石混料倉(cāng)下井筒巷道須局部加強(qiáng)。煤矸石經(jīng)主斜井通過(guò)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸至井下充填工作面，主斜井矸石下運(yùn)帶式輸送機(jī)布置在主運(yùn)煤帶式輸送機(jī)上側(cè)，兩條帶式輸送機(jī)上下兩層運(yùn)輸。

3.3.2 工作面充填工藝

充填工藝采用“邊采邊充”，即矸石充填作業(yè)緊隨采煤作業(yè)進(jìn)行，割煤機(jī)割煤后調(diào)整充填支架后部充填刮板輸送機(jī)，依次開(kāi)動(dòng)工作面充填刮板輸送機(jī)、矸石轉(zhuǎn)載機(jī)、運(yùn)矸帶式輸送機(jī)等運(yùn)輸設(shè)備，進(jìn)行采空區(qū)充填，如圖4所示，充填工作主要靠充填刮板輸送機(jī)和推壓機(jī)構(gòu)共同完成。作業(yè)順序由機(jī)尾向機(jī)頭方向充填，當(dāng)下一個(gè)卸料孔落料到一定高度后，關(guān)閉卸料孔再開(kāi)啟上一個(gè)充填卸料孔，隨即啟動(dòng)推實(shí)千斤頂推動(dòng)鏟板，對(duì)已落下的充填材料進(jìn)行壓緊推實(shí)，如此反復(fù)幾個(gè)循環(huán)，直至采空區(qū)充滿壓實(shí)；調(diào)節(jié)千斤頂用于調(diào)節(jié)推實(shí)千斤頂和鏟板的角度，可使充填料在支架后部接頂，從而實(shí)現(xiàn)完全充填。綜采工作面生產(chǎn)系統(tǒng)、充填系統(tǒng)融合為一體，回采、充填同時(shí)進(jìn)行。工作面中部矸石充填工藝如圖5所示。

由帶式輸送機(jī)、矸石轉(zhuǎn)載機(jī)將矸石運(yùn)輸、轉(zhuǎn)載至工作面充填支架后部底卸式刮板輸送機(jī)上，通過(guò)刮板輸送機(jī)卸料孔將矸石充填入采空區(qū)內(nèi)，然后利用推壓裝置將矸石材料推實(shí)。

3.4 沿充留巷工藝

11101工作面采用專用的沿充留巷支架，不占用工作面內(nèi)正常支架空間，對(duì)巷旁充填體注漿加固，形成穩(wěn)定的巷道壁，如圖6所示。沿充留巷技術(shù)把U型通風(fēng)方式變成了Y型通風(fēng)方式，成功解決了工作面瓦斯積聚與超限的問(wèn)題。

傳統(tǒng)沿空留巷通過(guò)切頂卸壓來(lái)控制圍巖穩(wěn)定性，沿充留巷圍巖控制機(jī)理為護(hù)頂控壓，因此充填體不需要很高的加固強(qiáng)度，留巷工藝簡(jiǎn)便，且留巷成本低。

4 效益分析

1)金谷煤礦矸石返井充填建設(shè)投資、后期20年運(yùn)營(yíng)成本共計(jì)12767.31萬(wàn)元，矸石場(chǎng)排棄建設(shè)后期20年運(yùn)營(yíng)成本共計(jì)23810.2萬(wàn)元。投資矸石返井充填開(kāi)采經(jīng)濟(jì)效益明顯高于現(xiàn)使用的矸石外排費(fèi)用，可為礦方節(jié)約費(fèi)用11042.89萬(wàn)元。

2)金谷煤業(yè)實(shí)施充填開(kāi)采后，可以同時(shí)在9+10號(hào)煤層和11號(hào)煤層分別布置一個(gè)工作面。實(shí)現(xiàn)同時(shí)開(kāi)采2個(gè)工作面，保證礦井產(chǎn)量，提高經(jīng)濟(jì)效益。

3)依據(jù)國(guó)家政策，投資矸石返井充填建設(shè)，可得到30%的產(chǎn)能置換，為礦方帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié) 論

1)金谷煤業(yè)煤矸石返井充填技術(shù)將地面洗選矸石運(yùn)輸至工作面，充填入采空區(qū)，同時(shí)進(jìn)行沿空留巷，實(shí)現(xiàn)無(wú)煤柱開(kāi)采，達(dá)到井下處理矸石、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的目的。

2)金谷煤礦綜采工作面矸石返井充填開(kāi)采利用矸石就地充填，既滿足了巖層變形及地表移動(dòng)控制需求，又綜合利用了工業(yè)廢棄物，避免了大面積征地費(fèi)用和環(huán)境治理費(fèi)用。

3)煤矸石治理是實(shí)現(xiàn)煤礦低碳、綠色開(kāi)采的必由之路，也是現(xiàn)代化礦山建設(shè)的必然趨勢(shì)。因此，煤矸石治理對(duì)實(shí)現(xiàn)礦山綠色循環(huán)發(fā)展、保護(hù)人類社會(huì)具有重要意義。