新疆潤田煤礦矸石充填開采系統設計

李 衡，劉倫強，周雪軍

（烏魯木齊聚合創興技術咨詢有限公司，新疆 烏魯木齊 830000）

新疆作為我國能源戰略接續區和能源戰略儲備區，已探明預測資源儲量占比超過全國煤炭資源總量的40%。新疆煤炭資源總體稟賦條件好、煤層厚，煤種中長焰煤、不粘煤和弱粘煤占資源總量的90.91%，是優質的煤化工用煤，是國內煤炭資源的主產地之一[1-3]。隨著“一帶一路”倡議和新一輪西部大開發戰略的持續推進，新疆煤炭資源的大規模高強度開采將進入一個新的發展階段。新疆地處干旱半干旱的荒漠地區，煤炭資源在開采過程中不可避免地對環境造成損害，給礦區生態環境保護帶來壓力[4-5]。其中，作為煤礦洗選過程中的大宗固體廢物的煤矸石綜合利用問題已經引起廣泛關注[6]。采用傳統方式在地表堆積的矸石山在占有大量土地資源的同時，還會對礦區空氣、地下水質和區域生態系統產生嚴重影響。另外，矸石山自燃引起的安全事故也多有報道[7]。按照噸煤矸石含量10%-15%計算，新疆每年排放的矸石超過2000萬噸。大量矸石的無序堆積給新疆煤礦綠色可持續發展帶來了嚴重的危害。減少或者消除矸石排放對環境的損害，發展矸石充填開采技術是保證新疆煤炭工業可持續發展的客觀要求[8-10]。

本文以新疆布爾堿礦區潤田煤礦為研究對象，基于礦井生產地質條件和開采現狀，提出包括綜合機械化矸石充填采煤、短壁干式充填采煤和短壁膠結充填采煤在內的三種充填開采方案。通過對不同充填開采方案詳細的技術、經濟比較，最終確定科學合理的充填開采方法。本研究取得的相關成果不僅可以為布爾堿礦區的煤矸石利用提供參照，同時可以為新疆其他礦井矸石零排放技術的發展提供經驗。

1 礦井生產地質條件

托克遜克布爾堿礦區的煤炭采掘及開采歷史可追溯到上世紀五六十年代。以2013年11月國家發展改革委批復的《新疆克布爾堿礦區總體規劃》為標志，布爾堿礦區煤炭資源大規模開發利用進入新的發展階段。潤田煤礦位于布爾堿礦區中西部，南部為無煤空白區，北部為遠景勘查區。井田總體位于克爾堿向斜南翼，為一向北傾斜的單斜構造，地層傾角26～65°，平均45°。井田內主要含煤地層為侏羅系中統西山窯組（J2x）和侏羅系下統八道灣組（J1b），共含煤28層，煤層總厚4.10-97.48m，平均總厚33.15m。礦井設計生產能力2.4Mt/a，礦井生產期間地面生產洗選矸石量約為16萬t/a。

2 矸石充填開采方法概述

結合潤田煤礦實際生產地質條件，分別提出包括綜合機械化矸石充填采煤、短壁膠結充填采煤和短壁干式充填采煤在內的三種充填開采方案。

2.1 綜合機械化矸石充填采煤

綜合機械化矸石充填開采技術是指在綜合機械化采煤的基礎上，通過設計專用的充填系統，實現采煤和充填同步機械化。不同于傳統的采煤方法，綜合機械化矸石充填開采技術需要增加額外的矸石運輸系統（如圖1所示）。通過在地面和井下建立一套矸石處理和運輸系統，將地面洗煤廠洗選矸石和井下掘進矸石通過帶式輸送機、礦車或充填管路等機械化設備輸送到井下，然后將兩部分矸石通過充填采煤技術充填至采煤工作面采空區或充填巷道中去。借助固體充填綜采液壓支架和底卸式刮板輸送機等關鍵設備實現采空區充填。

圖1 綜合機械化采煤方法示意圖

2.2 短壁膠結充填采煤

短壁膠結充填采煤技術以煤矸石為主要充填材料，利用粉煤灰、水泥等膠凝材料的固結作用，形成一種無需脫水處理的含煤矸石的高濃度漿液。通過大型充填工業泵，借助人工布設的管路系統，將上述高濃度漿液輸送至煤礦井下（技術路線見圖2）。短壁膠結充填開采通常利用綜掘機或連采機開掘工作面運輸巷和回風巷之間的聯絡巷進行短壁掘進采煤。在聯絡巷施工完畢之后，采用含有矸石的高濃度漿液進行充填，實現工作面“掘巷出煤，巷內充填”的循環作業方式。

圖2 短壁膠結充填采煤方法

2.3 短壁干式充填采煤

短壁干式充填采煤法又稱作巷式充填采煤法，通過在工廣煤柱、條帶開采留設的煤柱、大巷保護煤柱、三角煤及“三下”壓煤中布置充填巷，以巖巷、半煤巖巷掘進過程產生的矸石或者洗選矸石等材料作為充填物料。在充填巷掘出后利用矸石充填輸送機、高速動力拋矸機等設備將矸石充填于充填巷構筑充填體，從而達到煤炭置換開采的目的。

3 矸石充填系統方案比較

結合托克遜潤田煤礦具體工程地質條件和生產條件，分別就各充填開采方案的技術優勢與存在問題進行系統比較。

方案1：綜合機械化矸石充填采煤的主要優點在于：（1）充填工藝流暢、效率高、安全性好、機械化作業操作簡單、充填設備適應性好、充填技術成熟；（2）充填工作面面長相對較短，有利于三角煤柱的開采，可以有效提高煤炭資源的回收率；充填材料取自本礦及附近固體充填材料，價格便宜，成本低。然而，該充填采煤方法由于充填工作面為新增工作面，因此項目前期投資較大。同時刮板輸送機卸矸充填對矸石破碎粒度要求較高，需要在井上增加破碎系統；根據托克遜潤田煤礦初步設計，首采區為二采區，如若選擇刮板輸送機卸矸充填，則井巷工程移交量大，準備時間較長。

方案2：短壁膠結（膏體）充填采煤的主要優點包括：（1）膠結充填開采技術工作面布置比較靈活，工作面形狀可以不規則。（2）膠結充填采煤充實率可以達到90%以上，對巖層移動控制效果較好。（3）工作面準備時間短，投產速度快。但是，膠結充填需要先掘巷道，撤出掘巷設備后在巷道內進行充填，因此工藝流暢性較差；膠結充填的膠結材料原料種類較多，要求配比精確，需要混合攪拌泵送，泵送過程中還可能會發生堵管事故，工藝復雜；且托克遜潤田煤礦附近無工業園區，水泥、石灰等充填材料需要長距離運輸至工業場地，原材料成本高、運輸費用高；泵送系統對矸石粒徑要求較高（20mm以下），地面系統復雜，前期生產系統投入較大。

方案3：短壁干式充填采煤方案具有充填系統簡單，對矸石破碎粒度要求不高，洗選矸石和掘進矸石均可直接充填的優點；同時，巷式充填方案可充分發揮托克遜潤田煤礦現有設備，項目投資較小；工作面準備時間短，投產速度快。但是，巷式充填方案在充填時需要頻繁移動拋矸機、矸石轉載機，因此工藝的流暢性有待于進一步加強。

4 最終矸石充填開采方案的確定

采用綜合機械化矸石充填采煤方法時，地面需新增矸石破碎站，土建工程約300萬元，井下充填首采區為11采區4-3煤，礦建工程約為2200萬元，充填液壓支架需設計定制，設備購置及安裝費用約為3000萬元，工程建設及其他費用約為800萬元，合計6300萬元。

采用短壁膠結充填采煤方法時，地面需新增矸石破碎站、矸石、粉煤灰、石灰、水泥、料倉、攪拌站和配電室等，土建產生費用約為600萬元，井下充填首采區為11采區4-3煤，礦建工程約為1200萬元，工業充填泵、破碎機等設備購置及安裝約為2100萬元，工程建設及其他費用約為400萬元，合計4300萬元。

采用短壁干式充填采煤方法時，地面利用現有建筑及運輸系統，土建不產生費用，井下充填首采區為11采區4-3煤，礦建工程約為1300萬元，高速動力拋矸設備需設計定制，購置及安裝費用約為1800萬元，工程建設及其他費用約為300萬元，合計3400萬元。

從技術角度而言，本研究提出的三種充填采煤方法均為可行的。從經濟效益角度而言，短壁干式充填采煤方法初期資金投入較小。綜合技術經濟比較，結合潤田煤礦實際開采能力，最終確定采用短壁干式充填采煤法，實現礦井矸石零排放。

5 結束語

為實現新疆托克遜礦區潤田煤礦矸石零排放的目標，本論文基于潤田煤礦實際生產地質條件，提出包括綜合機械化矸石充填采煤、短壁膠結充填采煤和短壁干式充填采煤在內的三種充填采煤方法。分別從技術效益和經濟效益兩個方面對三種充填采煤方法進行比較分析，最終確定以短壁干式充填采煤方法作為潤田煤礦的充填開采方法。