煤礦矸石充填開采技術的研究與應用

潘明亮

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 054000）

0 引 言

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國煤炭生產(chǎn)礦井“三下”壓煤達137.9億t，建下壓煤94.68億t，隨礦井煤炭資源的開采及當下煤炭資源需求側的放量上漲，礦井“三下”煤炭資源開采問題逐步顯現(xiàn)。邢東礦村莊及工業(yè)廣場煤柱壓煤量占據(jù)全部礦井儲量的87%，如果搬遷開采，不僅搬遷難度很大，還會產(chǎn)生較高的經(jīng)濟成本，并造成嚴重的生態(tài)和人文環(huán)境的破壞。同時礦井在生產(chǎn)過程中會排放大量的煤矸石，若采用傳統(tǒng)的處理方式，堆積建造矸石山，會造成環(huán)境污染，侵蝕、侵占農(nóng)田和占地成本高等問題。邢東礦采用的工作面矸石充填開采方式，極大地解決了礦井“三下”開采、矸石處理同環(huán)境、人文資源保護和成本管理的多方面問題，是“三下”煤炭工作面開采的理想途徑。

1 矸石充填開采工藝

矸石充填系統(tǒng)（圖1）采用架后填矸，運輸機上的卸料孔將矸石卸載至采空區(qū)，通過搗實機構將矸石充分搗實并完全接頂，待支架后方空間全部充滿并完全搗實，再進行下一刀割煤工序，實現(xiàn)循環(huán)充填回采。

圖1 工作面矸石充填工藝示意Fig.1 The gangue filling process of working face

在矸石充填開采系統(tǒng)的配套措施中，不僅要實現(xiàn)煤矸石的井下篩選、運輸、充填、搗實等系列技術工序，還要形成井下采煤分選后充填采煤的循環(huán)開采模式。矸石的使用和充填搗實是矸石充填開采的核心問題與核心技術。目前，邢東礦11233智能化矸石充填采面，通過井下跳汰、洗選、篩分系統(tǒng)與井上矸石投料系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了對自有礦井所產(chǎn)矸石的充填使用，還消耗周邊礦井生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的矸石及傳統(tǒng)開采所堆積矸石。改變了矸石作為煤礦開采的伴生物與煤一起運至井上，分離后堆積為矸石山的傳統(tǒng)開采工藝，不僅做到了矸石不升井減少成本，更用矸石充填開采置換煤炭資源，還不會產(chǎn)生環(huán)境、經(jīng)濟和社會等問題。

2 矸石充填開采關鍵系統(tǒng)

2.1 地面矸石投料系統(tǒng)

由于在采煤生產(chǎn)和巷道開掘、整修過程中所產(chǎn)生矸石，并不能滿足日常充填采煤所需的矸石，因此需要建設地面矸石投料系統(tǒng)，地面矸石投料系統(tǒng)整體分地面矸石站、矸石投料孔及緩沖裝置、井下矸石運輸、矸石充填等4部分。

2.1.1 地面矸石站

從周邊及其他礦井運輸過來的矸石，在地面的矸石站卸車并進行存儲，然后經(jīng)轉載至井上矸石投料孔，地面矸石站平面圖如圖2所示。

圖2 邢東礦地面矸石站平面圖Fig.2 Plane diagram of ground refuse station in Xingdong Mine

井上地面矸石站總占地不足20畝，主要建筑物采用封閉式鋼化棚結構，面積45 m×39 m（長×寬），場地配備控制辦公區(qū)域、車間、洗車系統(tǒng)。車間內(nèi)配備有6個7.5 m×7.5 m連體式地下存儲倉，單個存儲倉容積270 m3，總建設存儲容量1 620 m3，可實現(xiàn)存儲正常生產(chǎn)24 h內(nèi)充填開采所需的矸石量。存儲倉下安裝6臺給煤機，1部B1000皮帶，可以將矸石運輸至投料孔。

2.1.2 矸石投料孔及緩沖裝置

矸石經(jīng)B1000皮帶運輸至投料孔后，由地面投放至井下，在井下設置密閉緩沖裝置，期間通過控制風壓的方法來對矸石投放后的掉落速度進行控制，并經(jīng)緩沖裝置對下降的沖擊速度緩沖后，進入矸石緩沖倉。

投料孔（圖3）采用垂直孔洞，孔洞垂直度正負偏差在1‰以內(nèi)，孔深771 m，孔徑870 mm。布置φ586 mm雙金屬耐磨管，壁厚50 mm（外壁采用16 Mn鋼厚20 mm，內(nèi)壁采用高鎳鉻鉬合金厚30 mm），外層為16錳鋼、內(nèi)襯為高鉻耐磨合金（KMTBCr28），管道在高溫熱鑄（焊）狀態(tài)下整體復合而成，耐磨性與韌性有機結合，性能優(yōu)勢互補，具有優(yōu)良的抗沖刷磨損性能及承壓抗沖擊能力，采用漂浮法下沉、井口對位焊接方式安裝。

圖3 投料孔結構示意Fig.3 Structure of feeding hole

緩沖裝置主要由投料孔底部的錐形緩沖器和密閉門為主的風壓控制裝置構成（圖4），從而實現(xiàn)矸石的下落沖擊，降低沖擊速度。

圖4 緩沖器及密閉風壓控制系統(tǒng)Fig.4 Buffer and closed air pressure control system

錐形緩沖器被安裝在投料孔的底部存儲倉上口，可以實現(xiàn)減少矸石充填物的垂直落體速度，降低高速垂直落體的矸石充填物對井下儲料倉的沖擊破壞。主要由傘帽、傘底、支撐板、導向桿和彈簧5部分組成。整體為傘裝錐形體結構，錐形體外側面呈下凹趨勢。下端具有中空腔，與傘底和支撐板由導向桿連接，傘底與支撐板之間裝載高性能彈簧，可用于緩沖矸石充填物的下墜沖擊。

2.2 井下矸石運輸系統(tǒng)

運輸矸石主要包括自產(chǎn)矸石和外來矸石2部分。以邢東礦11233工作面為例，自產(chǎn)矸石運輸主要為處理井下各頭面生產(chǎn)、巷道整修、篩分跳汰系統(tǒng)產(chǎn)的矸石，運輸系統(tǒng)總長4 150 m，矸石倉總容量2 050 m3，可儲存正常生產(chǎn)所需1.2 d的矸石。主要運輸線路為篩分系統(tǒng)—760運矸巷—1100南部采區(qū)矸石倉—1100南部采區(qū)運矸巷—1100南部采區(qū)集中運料巷—11233運料巷—工作面采空區(qū)。

礦外矸石主要是處理周邊東龐礦、邢臺礦矸石。運輸線路為地面矸石站—投料孔投送—孔底緩沖倉—760運矸聯(lián)巷—760運矸巷—1100南部采區(qū)矸石倉—1100南部采區(qū)運矸巷—1100南部采區(qū)集中運料巷—11233運料巷—工作面采空區(qū)。

3 矸石充填采煤工藝及裝備

礦井11233工作面采用單一厚煤層一次采全高傾斜長壁后退式采煤法，使用機組落煤，刮板輸送機運輸，頂板采用充填液壓支架支護，矸石充填材料控制頂板下沉。

智能化采煤工作面采煤機記憶自動割煤，支架跟機自動移架支護，集中泵站實現(xiàn)自動配比和變頻智能控制，集控中心可以實現(xiàn)設備分機自動控制、集成自動化控制。

3.1 矸石充填采煤工藝

（1）采煤工藝順序：雙滾筒采煤機割煤—刮板輸送機運煤—液壓支架支護頂板—推移刮板輸送機。

（2）充填施工工藝：機尾拉移支架—運矸皮帶與后部刮板運輸機搭接—工作面中間依次充矸—依次搗實—機頭、機尾充矸搗實。

（3）充矸搗實過程：本架漏矸多次—本架搗實多次—鄰架漏矸多次—鄰架搗實多次，多次漏矸，多次搗實，直至采空區(qū)充填物料充分接頂并充分搗實，達到設計壓力為止（24 MPa及以上）。

（4）綜合機械化采煤，自動化控制。具體流程為準備—割煤—運煤—移架—推溜。

3.2 矸石充填采煤裝備

工作面矸石充填開采三機設備包括43臺ZC5160/29/48D液壓支架，1套MG500/1140-WD采煤機，1部SGZ800/800前部刮板輸送機。為增強設備的適應性和實用性，提高充填效率和效果，對支架局部進行了升級改造。研制了支架新型搗實機構，將原來的雙搗實改為單搗實，操作更加便捷高效、易更換，該項改造榮獲國家專利。研制了國內(nèi)最大的矸石刮板運輸機，將原來的130 kW、730槽寬的升級為200 kW、800槽寬的刮板運輸機，選用進口材料制作，提高了后溜子的運行效率和耐磨度，該項改造獲國家專利。

（1）采煤機選用上海創(chuàng)力礦山設備有限公司MG500/1140-WD型電牽引采煤機1臺（圖5），主要技術參數(shù)如下。裝機功率/kW 1 140牽引功率/kW 2×55供電電壓/v 3 300牽引力/kW 720/430整機重量/t 67適應傾角/（°） ≤16機面高度/mm 1 595截割功率/kW 2×500調(diào)高功率/kW 30牽引速度/（m·min-1） 0～7.55～12.6采高范圍/m 2.0～4.4煤質(zhì)硬度 硬或中硬截深/mm 800采高/m 1.5～2.3外形尺寸/m 12.78×2.6×1.59

圖5 MG500/1 1 40-WD型電牽引采煤機Fig.5 MG500/1140-WDelectric traction shearer

（2）液壓支架選用邢臺機械廠ZC5160/29/48D型矸石充填支架（圖6），主要技術參數(shù)如下。

圖6 ZC51 60/29/48D矸石充填支架Fig.6 ZC5160/29/48Dgangue filling support

支護強度/MPa 0.57

初撐力/kN 3 878

工作阻力/kN 5 160

底板比壓/MPa 2.98

（3）端頭支架采用ZT9400/30/50D型端頭支架（圖7），主要技術參數(shù)如下。

圖7 ZT9400/30/50D型端頭支架Fig.7 ZT9400/30/50Dend bracket

支護強度/MPa 0.3

初撐力/kN 7 752

工作阻力/kN 9 400

底板比壓/MPa 2.98

4 結 論

邢東礦11233工作面矸石充填采煤系統(tǒng)在工作面運行期間，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

（1）同以往的傳統(tǒng)開采技術相比，不僅在矸石的處理上降低了矸石升井后的處理成本，并且解決了矸石山建造等存在的一系列環(huán)境、人文保護和遷建困難的問題。

（2）提高了資源的利用率，矸石充填工作面的建設隨矸石充填開采的能力提高，使得矸石置換“三下”煤炭資源，極大的提高了我國煤炭資源的利用率。

（3）外部矸石的調(diào)度運輸處理也為現(xiàn)存礦井矸石山的環(huán)境治理提出了新的解決思路，為生態(tài)治理矸石山提供了新的治理方向，即環(huán)境治理改善與采煤生產(chǎn)相結合。在以后的采煤應用技術中，矸石充填開采技術會受到更加充分的推進。