堤壩下矸石不升井充填采煤技術實踐

李 劍，王東升，王志平，康 濤，耿佃凱

（1.中國礦業大學礦業工程學院，江蘇 徐州 221116；2.深部煤炭資源開采教育部重點實驗室，江蘇 徐州 221008）

隨著開采能力逐年加大，兗礦集團濟三煤礦“三下”壓煤問題凸顯。礦井剩余可采儲量3.61億t，“三下”壓煤高達1.93億t，占可采儲量的53.39%，其中，南陽湖泊及其堤壩下壓煤占17.12%。同時，濟三礦排矸主要以帶式輸送機運輸為主，隨著礦井的開拓延深，排矸線路不斷加長，運輸環節持續增加，排矸費用隨之加大。十八采區開拓掘進時，排矸路線長達5000m。礦井西區開拓掘進時，矸石量大、排矸環節多和排矸費用高的問題比十八采區更為嚴重。

為了解決上述問題，本文提出采用矸石不升井充填采煤技術［1－5］的解決方案，并以63下04-1充填采煤工作面進行工業性試驗，成功開采出大型堤壩下的煤炭資源，解決了礦井下的矸石排放問題，為國內外存在類似問題的礦井提供了技術借鑒。

1 矸石不升井充填采煤技術原理

濟三礦矸石不升井充填采煤技術與該礦采用的綜合機械化采煤［6－10］技術形成匹配：用機械方法將礦井西區的掘進矸石在不升井的情況下直接運送至六采區采空區，通過工作面充填設備實現充填和采煤同步作業，在滿足控制采空區覆巖下沉目標的同時，采出會導致地表沉陷的傳統綜采技術所不能開采的南陽湖堤壩下的煤炭資源。

本技術可實現提高煤炭資源回收率，充分利用井下掘進矸石，保障濟三礦地表南陽湖堤壩安全使用，保護地表水體不受污染等多重目標，可以有效解決該礦煤炭資源開采與生態環境保護一體化的問題，實現煤炭資源綠色開采及科學采礦的理念［11－15］。

2 矸石不升井充填采煤系統

63下04-1工作面對應地表位于濟三礦工業廣場西北部，辛店村以東，處于南陽湖及其湖堤的地表保護邊界內。地面標高＋33.0～＋33.3m，工作面標高-639.0～-663.0m。井下位于六采區西南部，東臨63下03工作面（已回采），西臨63下04膠順，北臨63下04工作面采空區。63下04-1工作面系統布置如圖1所示。

圖1 63下04-1工作面布置圖

矸石不升井充填采煤技術包括運煤系統、通風系統、運料系統、矸石處理系統等。前三者與傳統綜采工作面系統布置基本一致，矸石處理系統是矸石不升井充填采煤技術特有的系統，其主要功能是解決充填材料從來源地到充填工作面的預處理，使矸石達到充填工序的要求。

63下04-1充填采煤工作面所用充填材料為井下掘進矸石，來源地主要為西部輔助運輸巷掘進工作面和七采區邊界輔運巷掘進工作面。矸石經過帶式輸送機進入西區矸石倉。掘進矸石井下處理流程如圖2所示［7－8］。

圖2 充填采煤矸石井下處理工藝流程圖

矸石處理系統的2個主要工序為篩分和破碎。由西區矸石倉下口放出的矸石，先經過篩分機進行篩分，其中粒徑小于等于100mm的矸石直接落至位于篩分機下部的帶式輸送機上，粒徑大于100mm的則先經過2PLF90/150分級式齒輥破碎機破碎，使其粒徑達到小于等于100mm的標準后再落入帶式輸送機上。處理后的矸石由帶式輸送機經西部回風巷、六采區運矸巷及63下04-1運矸巷運輸至63下04-1充填采煤工作面。

3 綜合機械化充填采煤關鍵設備

如圖3所示，處理后的充填材料由帶式輸送機進入充填采煤工作面，經自移式充填物料轉載輸送機轉載進入多孔底卸式輸送機，經多孔底卸式輸送機中部卸料孔落入采空區，并由全采高夯實機進行夯實加固。

圖3 充填采煤工作面矸石運輸原理圖

3.1 正四連桿六柱式固體充填采煤液壓支架

充填采煤液壓支架主要由頂梁、立柱、底座、四連桿機構、后頂梁、全采高夯實機等構成。后頂梁由兩根斜立柱支撐，以增加支架后頂梁的支護強度和穩定性。支架后頂梁用以支護采空區一側頂板并懸掛多孔底卸式輸送機。支架底座后部安裝全采高夯實機，對矸石充填材料進行壓實。充填采煤液壓支架原理圖如圖4所示。

圖4 六柱式充填采煤液壓支架原理圖

固體充填采煤液壓支架與傳統綜采液壓支架相比，特點在于：充填采煤液壓支架拆除傳統綜采液壓支架的掩護斜梁，代以水平短后頂梁；支架保護同步作業的采煤和充填工序；在不需要充填時，后頂梁可以垂下并更換立柱形成綜采支撐掩護式支架。根據濟三礦采礦地質條件和充填采煤工藝要求，設計選用ZZC10000/20/40型六柱支撐式充填液壓支架。

3.2 多孔底卸式輸送機及“反向式”全采高夯實機

根據充填矸石的運量要求和充填采煤支架的配套要求，工作面選用SGBC764/250型多孔底卸式輸送機進行充填物料的運輸。多孔底卸式輸送機與普通刮板輸送機在結構上的主要區別為：每一節溜槽中部增加液壓控制的卸料孔，以開合漏出充填材料；溜槽厚度比相同運輸能力的刮板輸送機減少40%，以利于支架懸掛和充填空間保障。

由于濟三礦采高變化較大，夯實機構運行軌跡較長，因此確定“反向式”全采高夯實系統采用兩級伸縮結構，以增加壓實機構的伸縮比，減小夯實機構整體尺寸。“反向式”全采高夯實機構由兩個水平壓實油缸，一個調高油缸，一塊壓實板，兩個立柱組成，夯實系統兩個水平壓實油缸可以通過調高油缸以鉸接點為支點進行旋轉，并可以通過雙伸縮壓實千斤頂改變油缸的長度，通過夯實板夯實采空區的矸石，實現全斷面夯實功能。

3.3 自移式充填物料轉載輸送機

自移式充填物料轉載輸送機主要實現充填物料從低位的運矸帶式輸送機向高位的多孔底卸式輸送機轉載，由兩部分組成：一部分是具有升降、伸縮功能的轉載輸送機，另一部分是能夠實現液壓缸邁步自移功能的底架總成。轉載輸送機鉸接在底架總成上。可調自移機尾裝置也有兩部分組成，一部分是可調架體，另一部分也是能夠實現液壓缸邁步自移功能的底架總成。根據工作面的充填能力和煤礦的生產地質條件，工作面選用GSZZ-800/15型充填采煤轉載輸送機，其結構示意如圖5所示。

圖5 自移式充填物料轉載輸送機結構示意

4 工程應用

4.1 基本概況

濟三礦以充填采煤開采六采區南陽湖河堤保護煤柱。首采工作面63下04-1工作面長80m，推進長度518m，可采儲量為18.2萬t。工作面回采煤層為山西組煤3下，平均厚度3.5m，傾角0°～8°，3＃煤層綜合柱狀如圖6所示。

4.2 密實充填保障措施

密實充填是固體充填采煤技術成功控制巖層移動及地表沉陷的關鍵因素，濟三礦井下掘進矸石密實充填采空區的保障措施包括設計合理的充填采煤工藝及采用充實率監控體系［13］進行實時監控等主要技術手段。合理的充填采煤工藝在雙通道的充填采煤液壓支架的掩護下實現，保證每一個步距內的充填效果；充實率監控體系為確保充實率滿足設計要求而構建，需要對頂板的提前下沉量、欠接頂量、充填物料的壓縮變形量進行全程監控，該體系由工作面監測系統、充采比監測系統、采空區監測系統及地面控制中心四部分組成。通過該系統可以實現對充實率的實施動態監測，利用工作面、運輸系統及采空區的監測系統實時采集數據，再由地面控制中心分析采集的數據并對相應設備、人員發出指令以實現對充實率的嚴格控制。

圖6 3＃煤層綜合柱狀圖

4.3 實施效果

濟三礦63下04-1首采充填采煤工作面，自2011年2月開始回采以來，首采工作面已開采完畢，共計產出煤炭15萬t；累計處理井下矸石約為22.5萬t，通過礦壓及巖層移動觀測，采空區頂板最大下沉340mm，采空區充實率達到90.3%，優于設計標準；采空區對應地表沉陷實測表明，63下04-1工作面開采完畢后，南陽湖堤最大下沉值為32mm，最大水平變形值為0.14mm/m，均遠小于湖堤的允許變形值，河堤上的道路及附近建筑物沒有觀察到裂縫變化的跡象，充填采煤地表沉陷控制效果良好［14－15］。

濟三礦63下04工作面可采儲量為50萬t，噸煤利潤按250元計算，可創效益約為1.25億元；同時，該技術的實施減少了矸石提升運輸費用、矸石的排放費用、村莊搬遷費用及河堤的維護費用等，為煤礦開采節省了大量的輔助費用，經濟效益良好。若該技術推廣至濟三礦以及整個兗州礦區進行“三下”壓煤的回采，其經濟效益巨大。

5 結論

濟三礦堤壩下矸石不升井充填采煤技術主要用于解決掘進矸石不升井規模化處理及控制地表地表變形并保障南陽湖堤壩正常使用的目的，結合濟三礦井下實際工程地質條件，設計掘進矸石井下處理系統，通過研發正四連桿六柱支撐式固體充填采煤液壓支架、多孔底卸式輸送機、“反向式”全采高夯實機以及自移式充填物料轉載輸送機等關鍵采充設備，將處理的矸石密實充填至采空區，實現采煤與充填并行作業。

在合理充填工藝及充實率監控體系的保障措施下，該礦設計首采充填工作面目前已采出煤炭15萬t，處理井下矸石約為22.5萬t，采空區充實率達到90.3%，地面堤壩也未出現損壞。矸石不升井充填采煤技術在濟三礦取得成功應用，為濟三礦創造了顯著的社會及經濟效益。

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