矸石直接充填采煤的技術框架、關鍵設備及充填開采工藝

盧成飛

(神華神東煤炭集團 柳塔煤礦，陜西 榆林 017209)

一 矸石直接充填采煤的技術框架分析

所謂的矸石直接充填采煤技術實質上就是借助采掘作業面處置煤矸石的一種采煤方法，通過該技術不但能夠有效減少煤礦固體廢棄物的排放量，而且還能進一步減輕煤礦開采過程中的沉陷災害，有利于提高礦井資源的收回率，是實現煤礦綠色開采的關鍵技術之一。現階段，隨著矸石充填液壓支架以及高速動力拋矸機等設備的研制成功，使得矸石直接充填采煤變為可能，并且也基本形成了煤礦井下矸石直接充填開采的技術框架，其中主要包括綜采矸石充填技術、巷道采掘矸石充填技術以及普采矸石充填技術等等。目前，針對我國各大煤礦矸石的露天排放以及大量的三下壓煤現象，已經研制并成功開發出了煤礦井下矸石直接充填置換開采技術，并且還相應建立了矸石充填采煤的礦壓分析和巖層運動與地表沉陷預測方法，同時還開發出了井下煤流分選設備、相應系統以及矸石運輸系統等，并將之成功應用于三下壓煤和其它煤柱的回采當中，進而形成了一套原創性的矸石置換開采技術和應用體系，其總體技術框架如圖1所示。

圖1 煤礦井下矸石直接充填采煤的技術框架

二 矸石直接充填采煤的關鍵設備及開采工藝

(一)關鍵設備

煤礦井下矸石直接充填采煤技術的關鍵設備有矸石充填機和矸石輸送機，后者是前者的配套設備。在矸石充填的過程中，充填機的充填部會隨著充填的不斷進行向充填巷道外部退移，而輸送機則應當能夠隨著充填部的不斷退移，利用自動調整或是手動調整快速回復工作。通常情況下，大部分矸石輸送機的驅動方式都是機頭驅動，在實際生產過程中，由于該設備的體積和重量相對較大，因而向后退移比較困難，這樣一來對矸石的充填速度和效率造成了一定程度的影響，解決這一問題最為有效的方法是改用機尾驅動式矸石輸送機。目前，大部分煤礦采用的矸石輸送機都是由以下幾個部分組成：膠帶、托輥、機架、驅動裝置、拉緊與清掃裝置等，而機尾驅動式矸石輸送機的實現比較簡單，具體可在現有的膠帶輸送機的基礎上進行適當改造，使其驅動方式由原本的機頭驅動變為機尾驅動，其相關參數的確定主要包括帶寬、帶速、電動機功率、驅動滾筒的圓周力及其所需的功率等等。其中帶寬與帶速的確定是較為重要的環節之一，根據相關理論可得出如下結論，即最佳的帶寬與帶速有著直接關系，簡單來講，帶寬大會導致整機加重、占地面積加寬、造價升高，同時過度增大帶速又可能帶來一些負面效應，如電動機所需的功率增大、運行成本提高等等。此外，帶寬的選擇還與運輸物料的最大塊度有關。由于帶速是影響電動機選擇的主要因素，而帶速的確定不僅與運輸的物料種類相關，而且還受到帶寬的制約。通常情況下，可以按照煤礦的實際地質條件，并參照相應的設計規范，通過對輸送機穩定性的分析，選取最為適合該作業條件下的帶寬與帶速。在實際改造過程中，主要改造的部位如下：其一，將驅動裝置由機頭驅動改為機尾驅動;其二，加裝SZL型可伸縮式輸送機自動張緊裝置，該裝置主要是由液壓泵、隔爆電控箱、拉緊油缸、蓄能站、慢速絞車以及相關附件構成，它的工作原理是當膠帶出現松弛且拉力下降時，張緊油缸與膠帶間的拉力便會失去平衡，在蓄能站與泵站的共同作用下，張緊油缸會出現迅速收縮的情況，這樣一來便會拉動小車移動，直至膠帶重新張緊到設定狀態為止。

(二)開采工藝

1.矸石直接充填開采的工藝流程。首先，由推車機將矸石礦車推入到翻車機中，再由翻車機翻矸至矸石倉，隨后由矸石倉下口將矸石送入給料機，并由給料機將矸石轉送至充填配巷的機尾驅動式矸石輸送機中，然后運送給充填機，由其充填至需要進行充填的巷道內。同時在與之鄰近的充填巷道內進行注漿加固處理。

2.充填工藝。矸石充填過程中采用的是機尾驅動式矸石輸送機，其驅動部分位于機尾，將之固定在充填巷道的出口位置處，輸送機的機尾部分與充填機的機尾進行搭接，并由該端負責接收來自于矸石充填配巷的矸石，然后通過輸送機將矸石運輸至與充填機充填部位銜接的卸載端，矸石輸送機的機頭則隨著充填巷的不斷充填而外移，設備上的拉緊裝置能夠使輸送機的膠帶不斷收縮，進而使矸石充填工作保持連續。

3.應用效果分析。①通過將矸石輸送機由機頭驅動改為機尾驅動，進一步降低了工作人員的勞動強度，設備的后撤速度也明顯加快，正常情況下，矸石的日最大處理量能夠達到150立方米左右。②由于輸送機的驅動裝置安裝在機尾，從而增大了充填巷內的活動空間，有效減少了設備及作業人員的安全事故。③輸送機的機頭卸矸端能夠很好的使充填機充填部自動移動，進而消除了輸送機卸矸時矸石外漏的情況，顯著提高了矸石運輸的可靠性。④整個矸石充填的工序非常簡單，充填后的矸石密實度良好，能夠對覆巖層起到較好的控制作用。

(三)矸石直接充填開采技術的推廣前景

推廣矸石直接充填開采技術的重要意義具體體現在以下幾個方面上：其一，通過該技術的推廣應用，能夠有效解決三下壓煤問題，可以顯著增加可供采掘的煤炭資源，有助于延長礦井的服務年限。由于煤炭本身屬于不可再生的一次性資源，因而，增大煤炭資源、延長礦井服務年限對于國民經濟的可持續發展意義重大;其二，能夠明顯改變礦壓的顯現規律，可以使礦井的支護條件獲得顯著改善。由于充填開采使原始的圍巖得以穩定，采掘作業面初期來壓以及周期來壓也不再顯現，從而使得礦山的壓力明顯降低，不但進一步減少了支架的工作阻力，而且還節省了大量的鋼材;其三，有助于減少礦井涌水量，進而節省排水費用。采用充填開采技術可以使煤層底板始終保持穩定，這樣一來涌水量大幅度降低，較之常規開采工藝能夠節省將近70%左右的井下排水費用，經濟效益非常明顯;其四，可顯著減少矸石山的占地面積，有利于保護周邊自然生態環境。據不完全統計，我國每年累計堆積的矸石約為45億噸左右，較大規模的矸石山約有1600余座之多，并且矸石的堆積量還在以每年15-20億噸的速度增長，采用矸石直接充填采煤技術能夠使該問題獲得有效解決;其五，有利于減少礦井瓦斯的涌出量。由于采用矸石直接充填開采工藝采空區后圍巖不會產生出移動，這樣煤層頂板和底板便可以保持原始狀態，瓦斯涌出量比采用冒落式開采大幅度減少;其六，經濟效益和社會效益明顯。采用該技術進行煤礦開采矸石不會形成矸石山，有效減少了矸石的占地面積，礦山周邊環境得以改善。

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