低壓氣力輸送矸石管道充填技術研究與應用

文/袁秋新

目前，煤礦井下矸石充填的方法主要有矸石裝袋壘砌、拋矸皮帶充填和溜槽充填三種。 以上三種方法設備安裝和撤除頻繁，人工占用量大、勞動效率低、速度慢、安全性差，無法滿足礦井正常的安全生產(chǎn)要求。

為解決上述問題，新汶礦業(yè)集團協(xié)莊煤礦將風力輸送技術應用于煤炭生產(chǎn)的以矸換煤工藝，真正實現(xiàn)了以矸石護頂、換取煤炭和清潔生產(chǎn)的目的。

一、試驗工作面概況

31113W 工作面位于協(xié)莊煤礦-550 水平十一層煤3-3 采區(qū)西翼，為本采區(qū)西翼最下部工作面。 該面南起回風巷， 標高-484.32～-507.1m， 北至運輸巷，標高-539.69～-550.88m，西為工作面切眼，東為3-3 十一層軌道上山保護煤柱。 煤層為一復雜結構煤層，中夾1～3 層夾石， 中間一層穩(wěn)定， 厚0.1～0.2m。 煤層走向82°～109°， 傾向NW～NE， 傾角26°～27°， 平均傾角26.5°。

煤層頂板為深灰色砂質頁巖，性脆致密，層理發(fā)育，含菱鐵質結核，破碎易冒落，平均厚6.2m，其上為細砂巖，灰白色，泥質膠結，成分以石英、長石為主，厚15.0m；煤11 底板為泥質石灰?guī)r，厚0.5m，灰色，具裂隙，方解石充填；再下為砂質頁巖，厚1.89m，灰黑色，性脆,含植物化石碎片和黃鐵礦散晶。

二、設備配置

1.自制前傾式翻車機

2.GLL700/11KW 鏈板式給料機

3.YDB 型電動滾筒

4.PCA1000×1000 錘式破碎機

5.P60B 耙斗裝巖機

6.BWY5 型螺旋給料機

7.RRE-200 風力輸送機

三、施工工藝

1.低壓氣力輸送矸石管道充填方法

人工推入自制前傾式翻車機，將矸石卸入給料機內，由其均勻落到電動滾筒皮帶上。 在電動滾筒皮帶盡頭將矸石進行破碎，再由耙斗裝巖機裝入上平巷運矸皮帶。

破碎后的矸石經(jīng)皮帶運至風力充矸平臺后，由螺旋給料機轉載到風力充矸管道內，使用沖擊風波作為動力，結合螺旋輸送器提高輸送能力，以皮帶作為前期運輸工具，利用兩級破碎機使源生矸石或混凝土達到風力輸送要求，把破碎的矸石沿φ200mm 管路輸送到充填迎頭內進行充填采空區(qū)。

2.充填工藝

工作面采用高檔普采工藝，充填采用“見五充二”的方法進行施工，工作面每次出煤2 個循環(huán)，控頂距達到5.6m 時開始從下往上進行矸石充填，每次充填2排。 工作面矸石充填與出煤平行作業(yè)，但工作面最大控頂距不得超過6.6m。

工作面充填設備布置圖

當工作面推采支設5 排支柱，機道內掛第6 排頂梁后，運矸管道沿第一個排距檔接到下出口，沿第三排支柱的里側掛擋矸簾， 從下往上開始充填矸石，充填步距2.0m；當矸石充填至單體支柱時，停止充填。 按照“自下而上，由里向外”的順序進行回撤柱梁，每次最多回撤走向兩棵傾向一棵柱梁鞋，直至充填到管道出口； 周而復始， 按照接運矸管道→回柱→充填→縮管道→回柱→充填的順序， 實現(xiàn)不間斷充填。

3.上平巷留巷工藝

（1）調采期間留巷工藝

由于上平巷與工作面呈銳角布置， 工作面初采時先進行調采溜尾， 當工作面調正后再進行充填， 故工作面調采期間需采用全部垮落法管理頂板。

施工過程中，在上巷原巷道支護以下，用粉煤灰砌塊壘砌1.8m 寬的墻體，要求粉煤灰砌塊要壓茬、壓縫、對接，嚴禁順茬壘砌，要保證接頂充實，迎山有勁，局部與頂板無法接實地點用袋裝矸石接頂。

在粉煤灰砌塊下方壘砌2～3m 袋裝矸石，既防止頂板大面積冒落推倒留巷墻體， 又能在頂板下沉或頂板來壓時支撐頂板， 緩解留巷墻體的壓力。

采用全部垮落法管理頂板期間留巷時，采用粉煤灰砌塊壘砌留巷。 一是粉煤灰砌塊為專門針對留巷制作的，抗壓強度大。 二是粉煤灰砌塊長0.4m，寬0.2m，厚0.12m，壘砌時穩(wěn)定性能高。三是壘砌速度快，每循環(huán)留巷平均使用400 塊砌塊，人工壘砌一般不超過1 小時。四是采用粉煤灰砌塊留巷時巷道成型好。

為增加粉煤灰砌塊墻體的穩(wěn)定性， 壘砌墻體時必須全部清理至硬底并臥出底槽，采用塑料網(wǎng)包括砌塊、 錨帶配錨桿拉緊加固砌塊墻體，使墻體成為一個整體，增加其整體性和穩(wěn)定性。

（2）正常生產(chǎn)期間留巷工藝

正常生產(chǎn)期間， 工作面采用充填法管理頂板，從下端頭一直充填到上端頭，在上端頭根據(jù)留巷斷面確定留巷地點， 采用壘砌袋裝矸石的方式進行留巷。

當充填至上巷下幫時，下幫沿傾斜1m 范圍內采用壘砌矸石袋的方法進行支護頂板。

壘砌矸石袋采用 “由下而上”“由老塘側向煤壁側”的順序進行，邊壘邊回撤柱梁。 壘砌矸石袋時， 矸石袋距正規(guī)支護的距離頂板正常時最多不能超過2.0m， 頂板破碎時最多不能超過1.0m； 矸石袋離頂梁的距離小于0.2m 時，方可回撤支柱和頂梁，矸石袋接頂不嚴密時用木楔等結實頂板。

工作面充至上端頭時，進行磨角充填，矸石袋壘砌至工作面切頂排前一排端頭支柱，然后進行矸石充填。

沿空留巷采用上端頭沿走向壘砌矸石袋進行維護， 矸石袋必須壓茬壓縫， 靠近頂板時，編織袋少裝矸石進行接頂。

采用矸石袋留巷， 所留巷道作為下一個工作面的運輸巷，可減少巷道掘進成本，保證正常接續(xù)，并可取消4m 的區(qū)段煤柱，提高煤炭資源的回收率。

四、效益

31113W 工作面可采出面積65940m2，可充填矸石65940m2，置換煤炭14 萬t。 采用“見五充二”的充填方式，實現(xiàn)了連續(xù)充填，結束了原來采用兩個工作面同時生產(chǎn)來實現(xiàn)矸石不間斷充填的方式， 減少了設備和支護用品占用量和租賃費用。 另外，矸石向充填地點采用管道運送，可實現(xiàn)運輸過程中的封閉管理，安全性較高。