關(guān)于錦丘煤礦矸石充填開采可行性的探討

黃曉鵬 陳志峰

(滕州郭莊礦業(yè)有限責(zé)任公司錦丘煤礦，山東 滕州 277599 )

1 地質(zhì)概況及研究的必要性

1.1 地質(zhì)概況

162-1采區(qū)位于錦丘煤礦井田西南部地區(qū)，地形平坦，地勢由東向西逐漸降低，采區(qū)內(nèi)沒有湖泊、水庫、池塘、古井。該采區(qū)設(shè)計開采煤層為16煤層，煤層厚度1.07～1.61 m，平均1.23 m。初步設(shè)計采區(qū)內(nèi)16煤層基礎(chǔ)儲量約145.7萬t，可采儲量約117.8萬t。該采區(qū)16煤的上方有東周村、后辛安村、中辛安村、呂堂村等4個村莊和學(xué)校。16煤頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 可采煤層頂?shù)装迩闆r一覽表

1.2 項目研究的必要性

錦丘煤礦162-1采區(qū)建筑物壓煤量較大，進(jìn)行建筑物下壓煤開采將是礦井的一項常態(tài)工作。該采區(qū)很大一部分儲量都位于地表村莊等建筑物下方，因煤層較薄，村莊搬遷經(jīng)濟(jì)技術(shù)上不合理，如果留設(shè)煤柱對于資源比較貧乏的錦丘煤礦顯然是不合理的，也是不可行的，因此進(jìn)行村莊及建筑物下壓煤開采是必須的[1]。

同時，煤炭資源是不可再生的，地表建筑物下壓煤開采是在充分利用煤礦原有生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，既大力開發(fā)了煤炭資源，又延長了礦井壽命，既有較高的經(jīng)濟(jì)效益，又有十分顯著的社會效益，因此進(jìn)行采區(qū)建下壓煤也是非常必要的[2]。

通過對錦丘煤礦地質(zhì)開采條件及區(qū)域地理環(huán)境條件的分析，對井下162-1采區(qū)煤層開采造成的地表移動變形影響進(jìn)行預(yù)測，對開采引起建筑物產(chǎn)生的移動變形進(jìn)行分析，在全面分析采區(qū)建筑物下壓煤開采方案的基礎(chǔ)上提出切實可行的建筑物下煤層開采方案，以達(dá)到更加經(jīng)濟(jì)、合理地采出地下資源的目的。

2 錦丘煤礦矸石利用方案的選擇

2.1 矸石的利用方式

2.1.1 能源方面的應(yīng)用

煤矸石的熱值較低，作為燃料效果差。在產(chǎn)生大量煤矸石的礦區(qū)，可以建設(shè)煤矸石電廠，解決該地區(qū)的供熱、供電問題[3]。這種利用煤矸石供電供熱的方法具有能耗低、成本低、產(chǎn)量大、原料充足、可循環(huán)利用的特點(diǎn)。因此，我國有許多大型產(chǎn)煤區(qū)開展煤矸石熱電廠項目。

2.1.2 建筑行業(yè)的應(yīng)用

以煤矸石為原料，可以生產(chǎn)多種建筑原材料，如煤矸石磚、多孔磚、水泥、裝飾磚等。在促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時，也減少了能源消耗，同時滿足經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益[4]。

2.1.3 化工行業(yè)的應(yīng)用

煤矸石含有硅、鋁等多種金屬元素，通過一定的化學(xué)工藝，可以從煤矸石中提取出金屬元素，用以開發(fā)沸石、硫酸鋁等化工產(chǎn)品[5]。

2.1.4 農(nóng)業(yè)的應(yīng)用

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)[6]中，所用化肥需含有大量K、P、N元素，也可用于矸山的復(fù)墾。同時，煤矸石中的有機(jī)物是攜帶固氮、分解磷、分解鉀等微生物的理想基質(zhì)，可以作為微生物的肥料。

2.2 矸石利用方案的確定

錦丘煤礦地處滕州市郊區(qū)，地表村莊、人口密度大，下壓煤量大，經(jīng)過綜合考量，確定了利用矸石膏體為采空區(qū)充填，既大力開發(fā)了資源又延長了礦井的服務(wù)年限。

3 矸石膏體充填開采設(shè)計方案

3.1 采區(qū)巷道布置方案

采區(qū)巷道布置應(yīng)遵循以下原則：（1）充分利用礦井已有的生產(chǎn)系統(tǒng)，開拓和準(zhǔn)備巷道工程量少。（2）采區(qū)內(nèi)生產(chǎn)系統(tǒng)簡單，生產(chǎn)環(huán)節(jié)少，占用設(shè)備、人員少。（3）采區(qū)巷道布置要有利于回采，開采損失少，資源回收率高。162-1采區(qū)為雙翼采區(qū)，其中南翼為正常塊段，北翼為“三下”壓煤塊段。采區(qū)準(zhǔn)備巷道位于采區(qū)中部，與西翼大巷平行布置。采區(qū)準(zhǔn)備巷道共2條，自北向南分別為采區(qū)軌道巷和采區(qū)膠帶巷，巷道間距（中-中）約28.7 m。目前采區(qū)準(zhǔn)備巷道已經(jīng)形成。

3.2 采煤方法

3.2.1 采煤工藝

根據(jù)162-1采區(qū)北翼煤層賦存及開采技術(shù)條件，設(shè)計采煤工作面采用高檔普采技術(shù)，采煤機(jī)割煤、自行裝煤，刮板輸送機(jī)前移配合采煤機(jī)裝煤，伸縮帶式輸送機(jī)運(yùn)煤，充填法管理頂板。工作面采用（3×6）排控頂，見六次三次，最小控頂距3.95 m（三排），最大控頂距7.55 m(六排)，柱距0.85 m，排距1.2 m。

（1）落煤方法。采用MG2×100/458-BWD型雙滾筒采煤機(jī)沿頂板雙向割煤，前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤和掃浮煤，一刀一個循環(huán)。進(jìn)刀方式為斜切進(jìn)刀（采用割三角煤的進(jìn)刀方式），進(jìn)刀長度30 m，滾筒截深0.6 m。

（2）裝煤方法。采煤機(jī)自行裝煤，工作面刮板輸送機(jī)配合裝煤，人工清理浮煤。

（3）運(yùn)煤方法。在采煤工作面，用刮板運(yùn)輸機(jī)運(yùn)煤，型號為SGZ630/220，膠帶順槽轉(zhuǎn)載機(jī)型號為SGB-620/40T、DTL80/40/2×75，配合運(yùn)煤。

（4）支護(hù)形式。工作面支護(hù)采用DW型外注式單體液壓支柱配木帽（楔）支護(hù)頂板，支撐高度范圍為792～2800 mm。

（5）頂板管理。采用充填法管理頂板。

充填工作面設(shè)備見表2。

表2 充填工作面設(shè)備表

3.2.2 充填工藝

按照普采工藝流程完成6個割煤、推溜、支柱正規(guī)作業(yè)循環(huán)，達(dá)到最大控頂距時，進(jìn)入膏體充填工藝階段。

（1）充填準(zhǔn)備。當(dāng)工作面推進(jìn)到最大控頂距離時，將充填管道鋪設(shè)在側(cè)排與次側(cè)排煤柱之間的空隙中，模板安裝在中間巷道采空區(qū)側(cè)附近。分段回柱填筑，按“見五填二，自下而上”的順序進(jìn)行填筑，每段長度為10～15 m，在填筑點(diǎn)用緩彎90°鋼管接頭伸入填筑區(qū)，長度不大于0.8 m，高度不大于1.0 m，在每個垂直于工作面的填筑作業(yè)點(diǎn)鋪設(shè)模板，防止膏體向上流動。用模板靠邊排，塑料彩布封閉，相鄰模板盡量接茬。模板外側(cè)固定單體柱側(cè)排，規(guī)則柱中間設(shè)置密柱，防止模板傾倒。立柱間距小于0.3 m，初撐力大于50 kN，禁止使用超高立柱。一個充填周期完成后，取下上一周期的模板和塑料彩布，回收后移至下一周期繼續(xù)使用。每3個循環(huán)更換一次塑料彩布，模板可隨時更換。

（2）檢查準(zhǔn)備。通過井上井下檢查、聯(lián)系，確認(rèn)系統(tǒng)正常，設(shè)備完好，方可進(jìn)入下一步工作。

（3）管道充水。專人觀察充填管末端處出水情況，工作面見水后報告充填站，其作用主要體現(xiàn)在潤管，減少泵送時充填料水分流失。

（4）灰漿推水。泵送膏體料漿前，用清管器將清潔球裝入充填管道，然后啟動充填泵，使清水在清潔球前面，后面是料漿，清水通過泵壓通過充填管道和排水管道排入礦區(qū)沉淀池，清潔球從管道中排出后，用液壓開關(guān)閥通過工作面的充填管道將充填料漿充填到待充填的空間中。

（5）膏體推灰漿。少量砂漿不足以排出管內(nèi)全部清水，主要起到隔離正常填充的膏體的作用。當(dāng)計量好的砂漿泵送上來時，應(yīng)將正常配比的漿體放入料斗中，并連續(xù)泵送。此時，填充管道前段為清水，中段為砂漿，后段為矸石膏體。

（6）灰漿推膏體。當(dāng)泵送充填料漿達(dá)到設(shè)計充填量時，如無特殊情況，地面充填站應(yīng)準(zhǔn)備少量粉煤灰砂漿，并適當(dāng)降低泵送速度。當(dāng)灰斗內(nèi)正常配比的漿液泵送快結(jié)束時，將粉煤灰砂漿放入緩沖斗內(nèi)，用粉煤灰砂漿將灰斗內(nèi)的膏體和充填泵入口全部推入充填管道，使后續(xù)沖洗水不會與膏體混合，造成漿液離析，造成堵管。

（7）水推灰漿。充填后，要對管道進(jìn)行沖洗，防止管道被堵塞。在泵送料漿斗內(nèi)的粉煤灰砂漿前，向料漿斗內(nèi)注入清水，泵入充料漿后的清水沖洗管道。清洗時，水庫水泵直接向混合器供水。

（8）工作結(jié)束后，報告控制室。

4 效益分析

16煤按照每年26萬t配采，噸煤充填成本按照138.53元/t計算，年度增加直接成本3 601.78萬元，按礦井核定年產(chǎn)量72萬t計算，噸煤成本增加50.03元。而充填開采可以享受資源稅減免50%優(yōu)惠，每年可節(jié)省317.82萬元，可以減少矸石山固體廢棄物占壓稅83.44萬元，可以減少塌陷地補(bǔ)償83.44萬元，則全礦噸煤成本可以減少6.7元。綜合計算，采用充填開采，礦井噸煤成本增加43.33元，每年預(yù)計減少凈利潤3 119.38萬元，可以實現(xiàn)凈利潤2 520.62萬元（按未充填開采時年純利潤5640萬元計算），可保持礦井有較好盈利能力。

5 結(jié)論

（1）結(jié)合錦丘煤礦下壓煤和矸石處理的需要，確定了采用矸石膏體對162-1采空區(qū)進(jìn)行充填；

（2）提出了矸石膏體充填開采的設(shè)計方案，預(yù)計增加凈利潤2 520.62萬元，并延長了礦井的服務(wù)年限；

（3）該項目具有環(huán)保、節(jié)能、高效、可靠性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，且技術(shù)相對成熟，建議盡快實施。