張創(chuàng)業(yè)，王曉川，劉慶軍，黃煜萱，李振興

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467000；2.煉焦煤資源開(kāi)發(fā)及綜合利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河南 平頂山 467000；3.武漢大學(xué) 工業(yè)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430072)

據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在我國(guó)的煤礦中，約有44%是深部突出礦井[1-3]，而這些深部突出礦井中的煤層氣大多具有“三低一強(qiáng)”特點(diǎn)：低壓、低滲、低保護(hù)度和強(qiáng)非均質(zhì)。隨著礦井采深增加，瓦斯壓力和含量顯著增加，煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性急劇上升。目前針對(duì)深部突出礦井保護(hù)層開(kāi)采問(wèn)題，國(guó)內(nèi)采用理論分析、現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)、實(shí)驗(yàn)與數(shù)值模擬等方法[4]，研究了深部煤層保護(hù)層開(kāi)采保護(hù)范圍的變化規(guī)律[5]，建立了應(yīng)力—裂隙—滲流耦合模型[6]，分析了薄煤層保護(hù)層開(kāi)采對(duì)臨近煤層的卸壓效果[7]，確定了深部突出礦井保護(hù)層開(kāi)采方案[8]，并開(kāi)發(fā)了“突出礦井保護(hù)層選擇系統(tǒng)”[9]。然而隨著礦井深度不斷增加，可供選的薄煤層越來(lái)越少。在新形勢(shì)下，針對(duì)不具備常規(guī)保護(hù)層開(kāi)采條件的煤層，如何有效地進(jìn)行卸壓增透，是礦井安全生產(chǎn)面臨的一個(gè)重要問(wèn)題。

此外，在煤矸分選領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展了各種煤矸分離技術(shù)[10]：根據(jù)煤和矸石的密度差異發(fā)展了重介分選、跳汰分選和風(fēng)選等分選方法；根據(jù)煤和矸石表面潤(rùn)濕性差異發(fā)展了浮選的分選方法[11]。然而，這些方法都在井下難以直接應(yīng)用，需要調(diào)整以適應(yīng)井下的工作環(huán)境。2010年全國(guó)首家井下選煤系統(tǒng)在山東新汶礦業(yè)集團(tuán)協(xié)莊礦建成[12]，其核心技術(shù)是在井下采用動(dòng)篩跳汰機(jī)分選原煤和分離塊矸。直至目前，各種井下煤矸分選方法被相繼提出，井下矸石分選系統(tǒng)也在陸續(xù)研制[13，14]。而在充填技術(shù)方面，煤矸石直接充填開(kāi)采技術(shù)在防治覆巖運(yùn)動(dòng)、地表塌陷、減少采煤成本等方面，都是一種較為理想的“三下”開(kāi)采方法[15，16]。繆協(xié)興等學(xué)者研發(fā)了綜合機(jī)械化矸石充填采煤技術(shù)[17，18]，將綜采和煤矸石機(jī)械化充填相結(jié)合，使其達(dá)到高效充填、致密充填的目的，廣泛應(yīng)用于目前的井下充填采煤系統(tǒng)[19]。

本研究針對(duì)平煤十二礦生產(chǎn)實(shí)際，提出了近全巖保護(hù)層開(kāi)采理論，破解了近全巖開(kāi)采一次采全高技術(shù)難題，建立了近全巖保護(hù)層開(kāi)采煤矸井下分選與充填一體化系統(tǒng)，形成了礦井近全巖保護(hù)層開(kāi)采與充填一體化技術(shù)示范區(qū)，為深部高瓦斯礦井安全高效綠色開(kāi)辟新途徑。

1 深部突出礦井安全高效綠色開(kāi)發(fā)模式

1.1 工程研究背景

平煤十二礦目前主采三水平己15煤層，煤層原始瓦斯含量為15.26 m3/t，原始瓦斯壓力為1.78 MPa，透氣性系數(shù)僅為0.0776 m2/(MPa2·d)，屬于突出危險(xiǎn)性煤層[20]，不適合直接開(kāi)采，必須采用保護(hù)層開(kāi)采方法。己15煤層上方的己14煤層煤質(zhì)良好，滿(mǎn)足保護(hù)層開(kāi)采的基本要求，但其存在厚度太薄的問(wèn)題，且煤層局部區(qū)域無(wú)煤。此外，煤炭開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的矸石會(huì)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成破壞，是制約我國(guó)煤炭綠色開(kāi)采的重要障礙。若開(kāi)采保護(hù)層己14煤層進(jìn)行卸壓，將會(huì)產(chǎn)生大量矸石，將這些矸石排放至地面不僅會(huì)對(duì)礦井的運(yùn)輸系統(tǒng)造成很大的壓力，而且矸石的運(yùn)輸成本和堆積后的矸石山對(duì)環(huán)境的影響也不容忽視。

1.2 深部突出礦井近全巖保護(hù)層開(kāi)采煤矸井下分選及充填一體化系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合平煤十二礦深部突出礦井的地質(zhì)特點(diǎn)，針對(duì)己15突出煤層需要卸壓開(kāi)采但不具備常規(guī)保護(hù)層的問(wèn)題，提出了近全巖保護(hù)層開(kāi)采理論，將僅含煤線(xiàn)厚夾矸的全巖或近全巖層設(shè)計(jì)為保護(hù)層；針對(duì)高夾矸煤一次采全高設(shè)備損壞率高的難題，通過(guò)硬巖輔助預(yù)裂爆破軟化處理工藝實(shí)現(xiàn)了煤巖快速截割。其次，鑒于近全巖保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中矸石產(chǎn)量大的問(wèn)題，平煤十二礦結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況合理高效地布置了煤矸井下分選系統(tǒng)，研發(fā)了適用于千米深地煤礦井下洗選一體化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了礦山災(zāi)害防治和礦山安全高效生產(chǎn)。最后，采用阻化劑對(duì)矸石進(jìn)行阻化處理，研究了井下充填工藝與方法，并依據(jù)平煤十二礦降低地面塌陷的前提，采用全采局充的充填方法，達(dá)到了最佳經(jīng)濟(jì)效益。平煤十二礦基于上述規(guī)劃進(jìn)行了系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)，在井下設(shè)置了洗選硐室、破碎硐室等基礎(chǔ)設(shè)施，并配有重介淺槽滾軸篩等機(jī)電設(shè)備，形成了近全巖保護(hù)層開(kāi)采煤矸井下分選與充填一體化的綜合性閉環(huán)系統(tǒng)，深部突出礦井安全綠色開(kāi)發(fā)模式如圖1所示。

圖1 深部突出礦井安全、綠色開(kāi)發(fā)模式

2 深部突出礦井安全高效綠色開(kāi)發(fā)工程實(shí)踐

2.1 近全巖保護(hù)層開(kāi)采原理

保護(hù)層在開(kāi)采后，被保護(hù)層煤體的力學(xué)性質(zhì)、滲透性以及整體結(jié)構(gòu)等方面都有明顯的變化：首先發(fā)生卸壓作用，然后被保護(hù)層煤體膨脹，導(dǎo)致被保護(hù)層滲透性增強(qiáng)，最后使得瓦斯氣體濃度下降。己15煤層頂?shù)装迩闆r如圖2所示。己15煤層上方的己14煤層與其距離約為13 m，該煤層原始瓦斯含量1.41 m3/t，瓦斯壓力0.26 MPa，無(wú)突出危險(xiǎn)，作為保護(hù)層開(kāi)采可幫助己15突出煤層完成卸壓作用，消除煤與瓦斯突出危險(xiǎn)。但己14煤層僅有0.5 m的厚度，且存在局部無(wú)煤的問(wèn)題，不符合常規(guī)保護(hù)層開(kāi)采的要求。針對(duì)該問(wèn)題，平煤十二礦提出了近全巖保護(hù)層開(kāi)采理論：將僅含煤線(xiàn)厚夾矸的全巖或近全巖層(軟巖層)設(shè)計(jì)為保護(hù)層，通過(guò)開(kāi)采近全巖保護(hù)層來(lái)達(dá)到增透卸壓的目的，最終將被保護(hù)層煤炭安全采出。根據(jù)這一理論，平煤十二礦選定了己14煤層及其臨近的砂質(zhì)泥巖作為己15突出煤層的近全巖保護(hù)層。

圖2 煤層頂?shù)装鍘r性分布

如果在采煤過(guò)程中，煤層厚度超過(guò)0.6 m，采用常規(guī)綜采方法會(huì)造成采煤機(jī)截齒的嚴(yán)重?fù)p傷和頻繁更換，導(dǎo)致采煤設(shè)備維護(hù)成本增加，從而嚴(yán)重影響開(kāi)采效率。針對(duì)上述難題，對(duì)于一次采全高的硬巖層進(jìn)行軟化處理，即在巖層中打鉆孔，并放入震動(dòng)炮來(lái)將較厚的硬巖層破碎[21]。在輔助預(yù)裂爆破設(shè)計(jì)過(guò)程中通常根據(jù)煤矸比例將爆破孔布置成單排眼或三花眼，本次工作面巖層厚度大于0.8 m，爆破預(yù)裂的具體工藝選用三花眼布置方式。三花眼布置方式如圖3所示，炮孔深度1.5 m，炮孔1.2 m間距，炮孔排距1.0 m，炮孔孔徑42 mm，每孔裝藥量225 g，爆破孔角度10°。炸藥采用串聯(lián)連線(xiàn)、一次起爆的方式。

圖3 三花眼炮孔布置方式

2.2 煤矸井下分選技術(shù)

深部突出礦井近全巖保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程相對(duì)于普通工況下的保護(hù)層開(kāi)采，矸石的開(kāi)采量較大，如果把矸石排放到地表，會(huì)對(duì)礦井的輔助運(yùn)輸造成巨大的壓力。因此，平煤十二礦采用煤矸井下分選技術(shù)，來(lái)降低矸石運(yùn)輸成本和提高生產(chǎn)效率。然而，井下分選系統(tǒng)的額外布置對(duì)于空間狹小的深部突出礦井是一個(gè)嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因此需要合理、高效地布置煤矸井下分選系統(tǒng)。

根據(jù)平煤十二礦生產(chǎn)實(shí)際：由于東西兩翼開(kāi)采長(zhǎng)度大、范圍廣且分選中心裝置所需空間較大需在大硐室存放，因此選擇距離井底車(chē)場(chǎng)較近且在兩翼居中位置的三水平洗選硐室作為分選中心；由于采區(qū)分東西兩翼開(kāi)采，為保證矸石的運(yùn)輸效率，具體布置如下：首先布置集中運(yùn)矸巷位于西翼回風(fēng)大巷西側(cè)，然后在運(yùn)矸巷東西兩翼再分別布置兩翼運(yùn)矸巷，使得東西兩翼保護(hù)層工作面與東西運(yùn)矸巷直接相連，其中東翼運(yùn)矸巷位于東翼回風(fēng)大巷東側(cè)，西翼運(yùn)矸巷位于集中運(yùn)矸巷西側(cè)，兩翼運(yùn)矸巷通過(guò)聯(lián)絡(luò)巷與總運(yùn)矸巷相連通。此外，還需要布置兩個(gè)矸石倉(cāng)：中部矸石倉(cāng)為主體矸石倉(cāng)，上部矸石倉(cāng)作為東翼周轉(zhuǎn)矸石倉(cāng)。該系統(tǒng)避免了巷道的多次掘進(jìn)，從而避免了采掘不平衡情況。整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 煤矸井下分選系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)

此外，平煤十二礦結(jié)合保護(hù)層巖層頂?shù)装甯叨?、鉆孔空間位置等現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況，研發(fā)了適用于千米深煤礦井下洗選一體化設(shè)備，確保礦山安全高效生產(chǎn)。井下洗選一體化設(shè)備將原使用的振動(dòng)篩改造為處理能力大、使用周期長(zhǎng)的齒輥式滾軸篩，并用其進(jìn)行250、8 mm分級(jí)。煤經(jīng)過(guò)滾軸篩被分為小于8 mm、8～250 mm、大于250 mm三個(gè)級(jí)別：8～250 mm的篩下物進(jìn)入重介淺槽分選機(jī)分選，選出的精煤經(jīng)過(guò)處理，與小于8 mm的篩下物混合進(jìn)入原煤倉(cāng)；選出的矸石經(jīng)過(guò)脫介后與大于250 mm的篩上物混合進(jìn)入矸石倉(cāng)。其工藝流程圖如圖5所示。該井下洗選一體化設(shè)備采用重介淺槽分選工藝，重介淺槽分選工藝適應(yīng)性強(qiáng)，分選效率高(可達(dá)99.5%)，分選粒度級(jí)別寬(6～300 mm)，處理量大(最多可分選800 t/h)，滿(mǎn)足平煤十二礦8～250 mm入料范圍和200 t/h處理量的要求，是目前國(guó)內(nèi)外分選精度最高的塊煤分選設(shè)備。相比于其他的分選設(shè)備，其分選效率可提高15%。另外，該技術(shù)不會(huì)受到不連續(xù)進(jìn)料的影響，對(duì)顆粒成分也具有較好的適應(yīng)性；同時(shí)，次生煤泥量少，可使煤矸石的泥化程度得到最大程度的降低。

圖5 煤矸排矸工藝流程

2.3 井下充填工藝與方法

礦井地下開(kāi)采后，采空區(qū)周邊巖體的原有力學(xué)平衡狀況會(huì)被破壞，從而導(dǎo)致了巖層的移動(dòng)、變形和破壞。當(dāng)開(kāi)采的區(qū)域擴(kuò)大到一定的程度時(shí)，巖層的移動(dòng)和破壞就會(huì)影響到地面，引起礦井地表沉陷，產(chǎn)生次生生態(tài)問(wèn)題，充填開(kāi)采在防控巖層失穩(wěn)、控制地表沉陷等方面均有很好的作用。根據(jù)平煤十二礦實(shí)際條件近全巖保護(hù)層開(kāi)采會(huì)產(chǎn)生大量矸石，被保護(hù)層己15煤層采高較大，約為3 m，為有效減少因采高而引起的地面塌陷，必須對(duì)己15工作面的采空區(qū)進(jìn)行充填。充填開(kāi)采布置方案如圖6所示[22]。

圖6 充填開(kāi)采布置方案

井下充填采用阻化回填工藝：矸石倉(cāng)定時(shí)出矸，進(jìn)入破碎機(jī)粉碎，破碎后矸石的平均粒徑為50 mm，通過(guò)帶式輸送機(jī)運(yùn)輸進(jìn)入制備硐室，在制備硐室對(duì)矸石進(jìn)行阻化處理：使用氯化鎂、黃土、水按1∶4∶8比例制備成阻化劑，在制備硐室使用噴灑裝置對(duì)破碎的矸石進(jìn)行噴灑，矸石與阻化劑混合后，通過(guò)回填膠帶運(yùn)送到采面，然后通過(guò)回填輸送機(jī)輸送到采空區(qū)。

井下的充填方法有全采全充、全采局充、局采局充和局采全充四種類(lèi)型[23]，依據(jù)礦井需要降低地面塌陷的目標(biāo)，平煤十二礦綜合考慮選擇全采局充的充填形式，以達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益。全采局充的布局形式是在己15煤層布置充填和綜采混合工作面，混合工作面包括充填段與垮落段兩個(gè)部分：兩部分均采用傳統(tǒng)綜采技術(shù)進(jìn)行采煤，垮落段采用垮落法管理頂板，充填段則采用矸石充填，將近全巖保護(hù)層采出的大量矸石進(jìn)行充填處理。充填段與垮落段的布局按照地表區(qū)域重要程度進(jìn)行劃分，將村莊工業(yè)廣場(chǎng)等重要區(qū)域?qū)?yīng)的采空區(qū)設(shè)置為充填段，田地丘陵等非重點(diǎn)區(qū)域?qū)?yīng)的采空區(qū)設(shè)置為自然垮落段，做到有的放矢，最大限度的利用好矸石。

2.4 近全巖保護(hù)層開(kāi)采煤矸井下分選與充填一體化系統(tǒng)

平煤十二礦在開(kāi)采過(guò)程中為保證礦井生產(chǎn)能力，選擇位于己15煤層下方的己16-17煤層作為配采煤層，故礦井正常開(kāi)采時(shí)同時(shí)包括己14、己15、己16-17煤層三個(gè)工作面，為保證下一工作面按時(shí)交接時(shí)會(huì)有3個(gè)掘進(jìn)工作面開(kāi)采。平煤十二礦近全巖保護(hù)層開(kāi)采煤矸井下分選與充填一體化系統(tǒng)，如圖7所示。井下煤與矸石由六個(gè)工作面A1、A2、A3、B1、B2、B3產(chǎn)生，經(jīng)運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸至分選中心C進(jìn)行分選，然后通過(guò)運(yùn)輸系統(tǒng)將煤運(yùn)輸至井下煤倉(cāng)D并升井，將矸石運(yùn)輸至井下矸石倉(cāng)E，隨后用于工作面填充。

圖7 近全巖保護(hù)層開(kāi)采煤矸井下分選與充填一體化系統(tǒng)

平煤十二礦形成了“全面保護(hù)層開(kāi)采”、“采一層保護(hù)兩層”整體卸壓消突的瓦斯治理模式：即一個(gè)三水平采區(qū)，一個(gè)近全巖保護(hù)層工作面A1，一個(gè)采煤工作面A2，一個(gè)配采工作面A3。A1、A2、A3工作面同時(shí)開(kāi)采時(shí)，在空間位置上，近全巖保護(hù)層工作面A1位于采煤工作面A2向下1個(gè)區(qū)段，配采工作面A3位于采煤工作面A2向上1個(gè)區(qū)段：比如己14-31050保護(hù)層工作面、己15-31030采煤工作面、己16-17-31010配采工作面同時(shí)開(kāi)采，而這種空間位置上的布置能使得相互之間的開(kāi)采擾動(dòng)降低到最小。

3 深部突出礦井安全高效綠色開(kāi)發(fā)工程效益

平煤十二礦根據(jù)近全巖保護(hù)層開(kāi)采原理已經(jīng)成功開(kāi)采3個(gè)極薄煤層工作面，近全巖保護(hù)層開(kāi)采瓦斯治理效果顯著。以己15-31010工作面為例，采用V錐單孔自動(dòng)計(jì)量流量計(jì)記錄煤層瓦斯壓力數(shù)據(jù)，在工作面切眼前方40 m處布置瓦斯壓力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并每隔30 m布置一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。監(jiān)測(cè)結(jié)果顯示：在己14-31010近全巖保護(hù)層工作面回采4個(gè)月后，己15-31010工作面的瓦斯壓力由原始的1.78 MPa降低到0.35 MPa，瓦斯壓力降幅達(dá)到80%；殘余瓦斯含量?jī)H為1.28 m3/t，抽采率提高至66%。

平煤十二礦采用自主設(shè)計(jì)的煤矸分選設(shè)備，每年平均回收10萬(wàn)t精煤，增加凈利潤(rùn)3200萬(wàn)元[24]。此外，平煤十二礦又采用阻化回填新工藝，將大量矸石阻化回填到采空區(qū)內(nèi)，有效防治了地表沉陷問(wèn)題，地表觀測(cè)站對(duì)己15-31010工作面自開(kāi)切眼推進(jìn)開(kāi)始的連續(xù)觀測(cè)結(jié)果顯示：對(duì)應(yīng)地表的最大下沉量?jī)H為15 mm，地表建筑受采動(dòng)影響極其輕微；同時(shí)能避免形成冒落堆積煤，阻隔留頂煤和留底煤自燃，解決了煤層自然發(fā)火難題，從2020年以來(lái)，礦井沒(méi)有發(fā)生過(guò)采空區(qū)自然發(fā)火事故。

4 結(jié) 論

1)針對(duì)己15突出煤層需要卸壓開(kāi)采但不具備常規(guī)保護(hù)層的問(wèn)題，提出了近全巖保護(hù)層開(kāi)采理論；通過(guò)硬巖輔助預(yù)裂爆破軟化處理工藝處理巖層解決了采高夾矸煤設(shè)備損壞率高的難題。

2)針對(duì)近全巖保護(hù)層開(kāi)采過(guò)程中矸石產(chǎn)量大的問(wèn)題，采用煤矸井下分選技術(shù)，并合理高效地布置了煤矸井下分選系統(tǒng)，研發(fā)了適用于千米深地煤礦井下洗選一體化設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了礦山安全高效生產(chǎn)。

3)開(kāi)發(fā)阻化回填新工藝，并采用全采局充的充填方法，對(duì)采空區(qū)由于開(kāi)采造成的地面塌陷問(wèn)題進(jìn)行了有效的治理，實(shí)現(xiàn)了固廢資源再利用，取得了較高的經(jīng)濟(jì)效益。

4)平煤十二礦形成了以近全巖保護(hù)層開(kāi)采卸壓、煤矸井下分選、充填再利用為架構(gòu)，以近全巖保護(hù)層開(kāi)采理論、硬巖軟化工藝、煤矸井下分選系統(tǒng)、井下洗選一體化設(shè)備、阻化回填工藝為基礎(chǔ)的深部突出礦井安全綠色高效開(kāi)發(fā)新模式，該模式不僅能增強(qiáng)礦井的安全性，提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益，實(shí)現(xiàn)礦井的綠色開(kāi)發(fā)，為礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；也能為國(guó)內(nèi)類(lèi)似礦山工程的開(kāi)發(fā)提供參考，對(duì)促進(jìn)中國(guó)礦業(yè)的安全發(fā)展起到了積極的作用。