井下煤矸分離及矸石充填技術研究

魏永啟，周 芳

（兗州煤業股份有限公司，山東 鄒城 273500）

1 礦井概況

濟寧二號煤礦位于山東省濟寧市，設計生產能力400 萬t/a，隸屬兗州煤業股份有限公司。礦井于1989年12 月開工建設，1997 年11 月建成投產。井田面積87.1067km2，南北長6～11km，東西寬10km。礦井地質構造條件復雜，斷層發育，地質儲量7.90 億t，可采儲量1.39 億t。礦井為立井開拓，主、副、風井均布置在工廣區內，采用中央并列抽出式通風。

煤炭開采過程中產生大量矸石，雖然多數矸石進行了利用，但矸石外排對仍會對環境造成一定影響。濟寧二號煤礦深入貫徹綠色發展理念，結合礦井實際，積極研究井下煤矸分離及充填技術，探索礦井矸石處理新途徑，不斷提高綠色開采水平。

2 煤矸分離技術

2.1 煤矸分離系統

擬選用TDS 風選煤矸分離系統，該系統采用智能識別方法，針對不同的煤質特征建立與之相適應的分析模型，通過大數據分析，對煤與矸石進行數字化識別，最終通過智能排矸系統將矸石排出。TDS 智能干選機適用于25～300mm 煤矸分選。

根據濟寧二號煤礦毛煤篩分試驗結果，確定按+50mm 分級，井下TDS 智能干選系統分選能力為280t/h，設計年分矸處理能力為46 萬t/a。TDS 智能干選系統包括給料、識別、執行幾大主要系統，以及供風、除塵、配電、控制等輔助系統。主要設備包括：2 臺TDS14- 305 型智能干選機、齒盤滾軸篩、轉載帶式輸送機等，TDS 系統設備。

圖1 TDS 智能干選原理圖

圖2 TDS 煤矸分離系統示意圖

2.2 實施方案

在南翼3# 煤倉附近設計煤矸分離及充填設備巷道硐室。11306 運順機頭段距離南翼3# 煤倉30～40m處施工直徑5m、深20m 的矸石倉，容積392.5m3，可儲存矸石628t。南翼3# 煤倉與矸石倉之間巷道挑頂落底改造，改造量約500m3。改造后配備TDS 干選設備，分選后矸石進人矸石倉，煤經下運皮帶返回南翼3# 煤倉。

圖3 煤矸分離與充填系統巷道示意圖

3 矸石處理方案

按- 740 水平年生產能力300 萬t，矸石率12.5%計算，年產生矸石300×12.5%=37.5 萬t，掘進矸石6萬t，共計43.5 萬t。設計年充填矸石能力可達40 萬t。

3.1 系統改造工程

矸石倉底部施工約160m 巖石巷道，凈斷面17.5m2。兩側分別與- 740 水平皮帶巷和皮帶巷機尾聯絡巷溝通，一側安裝矸石充填泵送設備、鋪設管路，在機尾聯絡巷與回風大巷立交處施工立眼延伸管路至工作面充填位置。另一側安裝皮帶機運輸矸石至- 740 水平一部皮帶。

從充填設備硐室引出充填管路，經- 740 回風大巷向西延伸，根據接續工作面位置沿工作面順槽敷設至切眼內，隨工作面推進而外移。

3.2 矸石充填技術

3.2.1 巷道充填技術

巷道充填主要采用非膠結膏體充填開采技術，向廢棄巷道中充入非膠結膏體，處理部分矸石。

非膠結膏體充填工藝流程：井下煤矸分離系統分選出的矸石通過矸石轉載破碎系統輸送到井下矸石倉，矸石倉內的矸石再經高細破碎機、帶式輸送機運輸至攪拌機，然后在攪拌機內攪拌后形成矸石非膠結膏體，利用充填泵泵送至老巷進行充填。

3.2.2 工作面充填技術

充填工作面依靠充填支架作隔離墻，在直接頂板未垮落前充填滿支架后方的采空區，待充填材料凝固并達到要求強度后再移動支架，開始下一循環采煤與充填。膠結膏體自身具有從漿體逐漸凝固形成一定強度固體的特性。膠結膏體充填依靠膠結膏體凝固體強度實現對上覆巖層的有效支撐作用，控制上覆巖層移動和地表沉陷。

膠結膏體充填與非膠結膏體充填相比，充填材料需增加水泥和粉煤灰，為降低對輔助運輸系統的影響，擬利用地面注漿站把水泥和粉煤灰在地面制成灰漿，再通過注漿管道輸送至井下充填站。該方案全程自動化控制，工作量大大減少，采用環保措施，粉塵等污染少。

圖4 濟寧二號煤礦井下充填站膏體充填開采工藝流程圖

3.3 充填區域確定

3.3.1 充填工作面

前期將 153 上 02、133 上 05 分別改造為 2 個充填工作面，可采儲量85 萬t，約可處理矸石100 萬t。后期根據矸石產量和接續情況，在九采區、十三采區、十五采區構筑物煤柱等區域布置充填工作面。

3.3.2 充填巷道

圖5 充填開采區域示意圖4.主要經濟技術指標

九采區東部輔助巷約2100m 巷道，巷道西高東低，平均斷面14m2，可采用非膠結膏體充填方式，處理 4.4 萬 t 矸石。十一采區 113 上 03、113 下 10 順槽約2400m 巷道平均斷面12m2，可采用膏體充填方式，處理4.3 萬t 矸石。隨采場布置變化，對停采線外不可采區域的老巷進行充填。

3.4 矸石井下處理能力

按 - 740 水平生產能力 300 萬 t/a，+50mm 矸石率12.5%，掘進矸石6 萬t 計，年可分離矸石43.5 萬t。TDS 分離系統年分選矸石46 萬t/a；膏體充填系統能力為100m3/h，年可處理矸石40 萬t。

3.5 置換資源量

充填工作面每年置換原煤36.7 萬t/a，創效約8000 萬元。

5 結束語

1）利用煤矸分離及矸石充填技術，能夠實現矸石“不升井、少上井”，有效避免因矸石堆放造成的環境污染。

2）實施充填開采，能夠解放部分“三下”壓覆資源，有利于提高礦井資源回收率，延長服務年限，促進礦井的可持續發展。

3）矸石非膠結膏體充填技術，為防止工作面采空區自然發火提供了有效技術途徑，有利于提高礦井安全保障程度。

4）矸石膠結膏體充填利用部分井下涌水，根據設計每年充填用水量在13 萬m3，減少了礦井污水處理工作量和處理費用。