泵送矸石回填綠色開采工藝及其效果效益分析

石運保，苗紀偉

（山東華恒礦業(yè)有限公司，山東 新泰 271202）

1 引言

山東華恒礦業(yè)有限公司位于新汶煤田的東部、地處魯中腹地新泰市境內(nèi)。礦井始建于1958年，2005年核定生產(chǎn)能力120萬t／年。在煤炭開采過程中，大量矸石長期堆存，占用土地，不僅容易自燃，而且造成大氣環(huán)境和水質(zhì)污染。

傳統(tǒng)的開采方法掘進矸石需運至地面堆積形成矸石山，矸石山在安全方面留下重大隱患。一是矸石山自燃釋放大量有害氣體污染了環(huán)境；矸石山塌落造成安全事故；二是矸石山堆積占用大量土地；三是矸石山大多采用絞車提升，耗費電能。

目前的開采工藝均為破壞性開采，給井上、井下帶來很大的安全隱患，因此探索如何實現(xiàn)“以矸換煤、綠色開采”的途徑十分必要。

2 泵送矸石充填開采的發(fā)展背景

華恒公司主要開采11層、13層、15層煤，煤層覆存條件差，煤層薄，地質(zhì)構(gòu)造特別復雜，全巖巷道多，產(chǎn)矸量大，萬噸掘進率高，加之－1 000水平正在開拓延深，矸石產(chǎn)生量大。

自2007年以來，根據(jù)集團公司矸石“不升井、不上山、不轉(zhuǎn)移”的總體思路，不斷探索實踐各類充填工藝，先后采用了高檔工作面配拋矸機充矸、對報廢巷道用繩式耙裝機倒扒進行充填、綜采工作面下端頭加高檔手工充填等充填方式，均因其充填能力小、系統(tǒng)復雜、占用設(shè)備多等缺點，難以實現(xiàn)原生矸石不升井的目標。從2007年12月份開始調(diào)研、實驗應(yīng)用泵送矸石充填工藝，在13層煤工作面采用泵送矸石充填工藝開采應(yīng)用成功。2008年底實現(xiàn)了井下原生矸石不升井、不上山的目標。

2010年華恒公司繼續(xù)優(yōu)化泵送矸石充填系統(tǒng)，對充填系統(tǒng)各環(huán)節(jié)能力進行了分析對比，將原回填泵更換成大流量雙聯(lián)泵，充填能力由原來的60m3／h提升為100m3／h，進一步提升了泵送充填能力。

3 泵送矸石充填工藝

3.1 充填原理

泵送矸石充填就是將原生矸石在井下集中就地破碎，加入添加劑進行攪拌，然后以矸石輸送泵為動力通過管道輸送充填至采空區(qū)，在傾斜工作面沿采空區(qū)自流接頂。

3.2 工藝流程

工藝流程為掘進矸石→2.2t雙底卸式礦車→梭礦溜子（加除鐵器除鐵）→破碎機→矸石倉→下山排矸皮帶→攪拌機 → 矸石輸送泵→輸送管道→采空區(qū)。

4 應(yīng)用實例分析

4.1 工作面布置及開采方法

41303東煤柱工作面原本是在用采區(qū)下山西翼保護煤柱，運用泵送矸石充填技術(shù)開采。該工作面切眼與采區(qū)下山相距10m平行布置，下巷長度10m與采區(qū)運煤下山相聯(lián)，上巷由切眼上頭與石門相聯(lián)。采用背向采區(qū)下山上巷后退式、下巷前進式沿空留巷泵送矸石充填開采（圖1）。

圖1 工作面布置

4.2 工作面地質(zhì)條件

該工作面走向長80m，傾斜寬110m，煤層傾角150，可采儲量2萬t；煤層平均厚度1.46m，含夾矸1～2層炭質(zhì)砂巖夾矸厚度0.2～0.5m，平均0.32m。煤層內(nèi)局部還含透鏡狀黃鐵礦結(jié)核。

4.3 充填工作面的支護設(shè)計

根據(jù)41302西面充填開采經(jīng)驗選?。汗ぷ髅嬷ёo采用DZ（1.6～2.2）30／100單體支柱配合 HDJB－1000鉸接頂梁支護。HDJB－1000鉸接頂梁架設(shè)在正規(guī)支柱上，傾向每3.0m一列，距上下端頭不大于3.0m，工作面排距為1.0m、柱距為0.75m，支護密度為1.33棵／m2。通過計算，其支護密度0.91棵／m2即可滿足頂板控制要求，本工作面實際支護密度為1.33棵／m2，大于以上支護密度，所以，本工作面支護密度滿足頂板控制要求。

為提高工作面采空區(qū)矸石充填效率，工作面采用“見六充三”的充填方式，因此本工作面最大控頂距選取為6.4m，最小控頂距選取為3.4m。工作面采用支護參數(shù)見表1。

表1 工作面采用支護參數(shù)

4.4 充填工序

工作面充填施工順序為充填管路巡查→掛擋矸竹笆塑料彩帶→回柱→壘砌矸石墻→充填→掐縮充矸管子→安裝充填管子。

（1）工作面采用“見六充三”充填方式，即工作面自切眼推進六排支柱后開始充填，充填管路敷設(shè)在面溜子以東第二與第三排支柱的空檔內(nèi)。自下巷上幫壘砌傾斜長度不少于5.0m的矸石垛?；刂艾F(xiàn)將下一段充填范圍的邊排里側(cè)擋好竹芭和塑料彩帶，然后方可嚴格按照“自下而上、由里向外”的順序逐列逐棵進行回撤充填區(qū)支柱。

（2）按照“見六充三，自下向上”順序，分段回柱充填，分段長度為6m。充填點采用慢彎900鋼管子短節(jié)過渡伸入充填區(qū)內(nèi)，其長度不準超過0.8m，高度不得小于1.0m。采用手拉葫蘆抬高充填處管路，起吊時鏈子同管路必須固定牢固。為防止充填時矸石漿向上流淌，在每段充填迎頭壘砌擋矸墻，擋矸墻厚度不得低于0.6m。壘砌分段擋矸墻前，在各充填空檔內(nèi)各布置一架一梁二柱，梁長為3.2mπ型鋼前探支護，前探長度不得低于所壘砌擋矸墻寬度。人員在π型鋼的有效保護下作業(yè)。在壘砌擋矸墻距頂板0.2～0.3m時，將π型鋼逐架撤除存放置下一個擋矸墻位置備用。

（3）靠邊排用竹芭、塑料彩帶封閉時，竹芭傾斜壓茬不得低于0.5m，在支設(shè)邊排密集柱時上端（包括塑料彩帶）一同升在頂板上。塑料彩帶底部預留長度不少于0.3m，鋪在底板上用塑料編織袋裝入碎矸石或底板泥掩埋。密集柱支設(shè)在正規(guī)支柱中間位置，支護結(jié)構(gòu)同工作面保持一致，初撐力不低于50k N。

（4）每一段充填完后，用電話聯(lián)系充填泵站停止供料，然后方可掐縮管路及回柱工作。處理管內(nèi)存留矸石余矸采用高壓注液槍進行清理。

（5）為防止工作面充填期間下巷積水，在下巷低洼處建沉淀池。每班安人負責看管清理沉淀池，以保持正常疏水。采空區(qū)充填期間，如充填材料水分過多，充填負責人及時通知充填泵房停止充填，立即調(diào)整充填材料的配比。對充填區(qū)邊排安專人巡查，對封堵不嚴的地點必須重新加固，防止泥漿外溢，失效支柱及時更換。

（6）當充填點至距“上巷下幫煤壁”50節(jié)時，工作面開始組織正常生產(chǎn)，在組織出煤的同時將未充填范圍段充實。

5 充填效果及效益

5.1 工作面“三量”觀測

通過“三量”觀測綜合曲線圖中可以看出，工作面采空區(qū)充填密實，充填時初凝時間8h。充后頂?shù)装逡平浚ǔ淝绊數(shù)装逡平俊⒊涮钋方禹斄俊⒊涮铙w壓縮量三者之和）不大于80mm，工作面沒有明顯的初次來壓、周期來壓顯現(xiàn)。

5.2 工作面矸石充填后巖移觀測站移動與變形綜

合計算

根據(jù)－650m水平41302矸石充填工作面地表觀測站實際觀測資料，采空區(qū)未充填前地表下沉值為480mm，地表下沉系數(shù)為0.34；實行泵送矸石充填后地表下沉值為－112mm，泵送矸石泥漿充填地表下沉系數(shù)為q充＝0.08左右，減沉效果達到77%，由此可見泵送矸石充填開采工藝對地表減沉起到了決定性的作用，對地質(zhì)環(huán)境綜合保護作用極其明顯。

5.3 充填效益分析

該工作面將采區(qū)下山2萬t煤柱成功采出，處理井下原生矸石2.6萬t；采區(qū)下山無明顯變形，能夠正常使用；前進式開采80m，成功留巷90m，作為下區(qū)段工作面上巷，實現(xiàn)了區(qū)段無煤柱開采。

該工作面采用泵送充填開采煤柱2萬t，占年產(chǎn)量的1.7%，實現(xiàn)直接經(jīng)濟效益1 020萬元。

6 結(jié)語

泵送矸石充填采空區(qū)技術(shù)具有以下優(yōu)點。

（1）實現(xiàn)矸石不升井，減少矸石山占地，有利于保護環(huán)境，降低污染，徹底解決了地面矸石山占地及其所造成的環(huán)境污染等問題，實現(xiàn)了以矸換煤、綠色環(huán)保開采。

（2）實現(xiàn)工作面前進式開采、沿空留巷，少掘進一條巷道，減少巷道掘進工程量，杜絕掘進巷道施工時的各種不安全隱患。

（3）能夠減小頂板下沉，減少地表沉陷，可以實現(xiàn)“三下”采煤，提高煤炭回收率，可以大幅度解放煤炭儲量。采用泵送矸石充填開采技術(shù)，為煤礦開采探索出一套安全、經(jīng)濟、簡單易實施的充填技術(shù)，可在煤炭行業(yè)推廣應(yīng)用；具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益。