孫村煤礦-400二層充填區矸石充填開采技術應用

文/公 軍

在煤炭開采中，為減少固體廢物排放、開采沉陷危害，提高資源回收率，采用短壁連采密實充填工藝，通過資源置換,能夠取得最佳的經濟效益、環境效益和社會效益。山東能源新礦集團孫村煤礦在-400二層充填區采用矸石充填開采技術，通過采用全負壓連采連充分步置換“三下”采煤法，實現壁式開采、全采全充，充采比和充實率均達到100%，置換煤量108363t，取得了明顯的經濟、環境和社會效益。

一、充填工作面情況

-400二層短壁聯采密實充填區位于-400m水平，巷道西鄰原三采區3208工作面、3209工作面已開采完畢，東臨原二采區2208工作面、2209工作面已開采完畢。該區域可充填開采的二層煤，走向長455～528m，平均走向長491.5m，傾斜寬為69～204m，平均傾斜寬為136m，水平面積為62030m2，傾斜面積為66844m2，剩余可采儲量約為21萬t。開采范圍內標高為-265.12～-360.22m。

中期開采-400m水平原皮帶機井煤柱，開采范圍：東至2408及2409工作面采空區，西至3409及3410工作面采空區，南至-210水平大巷，北至-400風井及水平大巷。該區域部分四層煤已開采，上覆二層煤未開采，平均走向長215m，平均傾斜寬為325m，傾斜面積為69875m2。二層剩余儲量約35萬t、四層剩余儲量約18萬t。該區域地面標高為-233.0～-329.4m。

充填開采推廣區為北立井工業廣場保護煤柱，開采范圍：北至-1100二采集運巷，南至F10斷層分支F7斷層，東至-1100二采區運煤上山，西至-1100管子井。該區域走向長為1150m，傾斜寬為630m，面積為724500m2，可采儲量合計976.5萬t，其中二層可采儲量232萬t，四層可采儲量230.6萬t，十一層可采儲量158.3萬t。井下標高-750～-1100m。地面標高為+201.54m。

二、充填開采技術應用

礦井采用全負壓連采連充分步置換“三下”采煤法。連采連充采煤法，即通過優化改造旺格維利（短壁連采）采煤法，發揮其連續采煤優勢，采用壁式布置形成全負壓通風工作面，增加新型充填法管理頂板，實行壁式開采、全采全充。

1.充填工藝流程

（1）充填工作原理。充填工作主要是將洗選矸石和水泥漿通過輸矸皮帶和輸漿管路共同完成。洗選廠洗選出來的矸石經皮帶運輸至矸石山，由汽運將洗選矸石與破碎的矸石運輸至大洛溝矸石充填工業廣場，通過工業廣場矸石輸送皮帶轉載到新施工的充填鉆孔，經充填鉆孔自溜至-210m水平，與原似膏體矸石充填管路系統中的水泥漿在充填支巷上端匯合后，輸送至充填支巷進行充填。

（2）充填工藝流程。該充填工藝采用洗選矸和漿體混合方式充填。將水泥、粉煤灰、水嚴格按比例進行科學配比，經地面攪拌后形成充填泥漿，然后通過鉆孔管道輸送至井下，最終通過井下管道輸送至充填支巷上口；洗選矸石經鉆孔管道輸送至井下緩沖倉，然后使用皮帶等設備運輸至充填支巷上口；泥漿與洗選矸石在支巷內混合凝固，形成堅硬的充填體。

具體充填施工采取“采3充1，采5充3”的工作法。即：工作面連續開采3個支巷或煤柱巷時，必須充填，不得連續開采超過3個支巷或煤柱巷不充填；連續開采5個支巷或煤柱巷時必須有3個支巷或煤柱巷完成注漿。上巷充填與下巷采煤實現平行作業。工作面采用水泥漿加洗選矸管理頂板，根據地質及開采技術條件，采用水泥漿蠕動沖推洗選矸進行充填。充填時，采取二次填灌的方式進行接頂充填。充填工藝流程圖如圖1所示。

2.主要充填材料

孫村煤礦充填物料分漿體與洗選矸石兩大部分。

漿體為普通硅酸鹽水泥、粉煤灰、水的混合體，采用科學配比試驗，確保漿體凝固抗壓強度及性價比的合理性。在充填料中加入粉煤灰，進行等比例置換水泥，主要是為提高水泥漿體性價比，改善管道輸送性能，降低管道磨損、堵塞概率。漿體密度為1.3g/cm3。

圖1 充填工藝流程圖

充填骨料主要來源于煤礦井下回采和掘進工作面所產生的矸石。一是經洗選后顆粒均勻的矸石，一般顆粒直徑不大于5～6cm；二是地面矸石破碎后的小顆粒粉狀矸石。將兩種矸石按一定比例混合后，經輸矸孔落體破碎后進入井下運輸系統，最終通過皮帶將矸石輸送至充填面上巷。

3.充填工藝系統

（1）充填料的運輸與儲存系統。水泥、粉煤灰用散裝罐車運送，通過高壓氣卸入立式水泥倉和粉煤灰倉內，經倉底插板閥、星型給料機、沖板流量計計量后，通過單螺旋輸送機輸送至同一個攪拌桶內，攪拌形成水泥粉煤灰漿體，然后轉運至主攪拌桶內。

（2）攪拌系統。普通攪拌很難破壞微細顆粒固體和水產生的聚凝集合體，因此需用強力機械攪拌裝置。

（3）供水系統。為保證供水能力，需設置高位水池或安設加壓水泵。

（4）檢測系統。高濃度料漿具有良好性能的濃度范圍很小，料漿濃度的變化對充填料漿特性的影響極為敏感，為順利實現全尾砂高濃度膠結充填，必須建立可靠完善的充填監控系統，實現對料漿濃度、流量及各種物料配比的監測和調節。

（5）地面系統。接到需要進行充填的通知后，地面制備站要備足充填所需的水泥漿。充填時，按下料順序，先下水沖洗管路，待管路暢通，接到下料通知后下粉煤灰、水泥。充填期間，隨充填流量變化，適當調節出口閥門，控制攪拌槽內液位保持在1.5m以上。接到停料通知后，下水沖洗管路，井下充填負責人確認管路內無余料后，用專用電話通知地面停水，地面制備站停止下水。

4.建立大垂深直投式下矸系統

根據礦井實際情況選取最佳位置，施工地面下矸鉆孔，建立大垂深固體充填物料直投系統。在柴汶河東岸大洛溝村重新選址建立地面洗選矸輸送站，施工直徑為550mm鉆孔，垂深382m，落地位置位于-210水平以矸換煤充填工作面上平巷附近，矸石通過鉆孔自溜至-210水平上平巷后，需通過以矸換煤充填上平巷運矸皮帶運送至充填支巷。

矸石轉載的方案是，施工大坡度輸矸通道，采用搪瓷溜子搭接皮帶自溜運矸。

（1）溜子道。巷道采用矩形斷面，錨網帶支護，巷道凈寬為3.0m，凈高為2.5m，傾角為35°。

（2）搪瓷溜子。為確保充填鉆孔自溜下來的大矸石及時破碎、滿足充填配比需要，在充填鉆孔下方安裝破碎桿，斜溜子道內敷設搪瓷溜子，搪瓷溜子中心位于充填鉆孔正下方。為了方便固定搪瓷溜子，靠巷道東幫搭設基礎固定搪瓷溜子，巷道西幫作為溜子道檢修人行道。

（3）皮帶聯動。為避免出現輸矸孔下方淤堵，井上輸矸皮帶與井下輸矸皮帶必須實現聯動。當井下皮帶停運前，必須先將井上皮帶停止運行、停止輸矸，確保無矸石擠壓。當井上皮帶停止輸矸時，井下皮帶應滯后3min停運，確保立孔矸石輸送完成。

三、充填開采效果

自2020年1月至2020年11月，孫村煤礦在-400二層充填區實施了矸石充填開采，開采煤層為2煤層，煤層平均厚度為2.8m。根據實際開采情況，-400二層充填區充填回采率為95%，充填矸石130996t，矸石充填采空區體積為3萬m3，充采比為100%，充實率為100%，置換煤量108363t，經濟效益和環境效益顯著。