邢東礦建下充填開采關鍵技術研發及工程示范

高浦

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 054000）

1 概 況

充填開采是源頭主動減少采煤沉陷的方法，但受裝備、技術、成本等因素限制，在全國范圍內僅有13 個省份已開采或擬開展充填開采，涉及51 家礦業集團公司、75 座煤礦，尤其是不間斷充填開采礦井并不多，其中冀中能源股份有限公司邢東礦不僅在全國率先進行了充填開采，而且20 a 來持續不間斷地研究發展，取得較好的經濟效益和社會效益[1-9]。

邢東礦于2002 年研究巷道式矸石充填開采，解決地面排放帶來的環境問題及矸石井下處理技術；2010 年建成了全國首個井下跳汰洗煤系統，并實施了綜合機械化高水充填工作面開采技術；2011 年基于井下采選充一體化構想，開展了綜合機械化矸石充填開采工程實踐[10]；2019 年在充填開采理論與技術體系建立的基礎上，提出區域性矸石處置的智能化矸石充填開采構想，并于2021 年初步實現了礦井全域連續智能化充填開采，形成基于材料研發、裝備革新、工藝升級、不斷實踐的充填開采研發與實踐示范基地。

2 研究背景及關鍵技術研發

邢東礦主采2 號煤層，在井田范圍內有大小村莊11 個，村莊及工業廣場煤柱壓煤量占全礦井儲量的82.8%。由于村莊搬遷費用高、搬遷難度大，且邢東礦井田范圍內的村莊煤柱相互重疊，最多處達到了6 個村莊的煤柱相互重疊，少數村的搬遷無法解決建下壓煤的實際問題，因此采用充填技術盡可能的解放村莊煤柱和其它呆滯煤量，進行建下采煤是邢東礦的有效途徑。

在進行建下采煤的同時，由于邢東礦緊鄰市區，受環保要求，地面不能建矸石山，所有開拓巷道產生的矸石必須通過巷道進行井下充填。為此，邢東礦于2002 年與中國礦業大學合作，組建了專項技術小組，通過積極開展科技攻關，首創了巷道矸石充填技術，并自主研發了矸石充填成套設備。自2002 年在工業廣場煤柱區域內成功實施巷道矸石充填至今，隨著裝備、工藝、材料的不斷發展，先后實施了超高水充填開采、綜合機械化矸石充填開采、地面投料矸石充填開采等技術，形成了深井全域連續自動充填開采體系。

2.1 巷道矸石充填開采工藝

巷道矸石充填技術是一項以在井下處理煤矸石為目的的安全、可靠的工藝技術，其工藝較為簡潔，充填巷掘進完成后，及時將煤矸石充填進巷道中。主要工藝為進尺或整修、井下跳汰洗選所產矸石，經礦車、皮帶、溜子運至矸石倉，然后通過給料機或扒巖機，再經皮帶運輸至充填巷迎頭的矸石充填機，最后通過充填機拋矸皮帶上下左右擺動拋射充填矸石，將巷道充填密實接頂（圖1）。

圖1 巷道充填開采工藝技術流程示意Fig.1 Technology process of roadway filling mining

邢東礦巷道矸石充填的關鍵技術是研發了一種井下巷道矸石充填綜合輸送機，通過充填機拋矸皮帶上下左右擺動拋射充填矸石，將巷道充填密實接頂。為確保充填率及地面沉降穩定性，選取矸石大小小于150 mm 混合粒徑級配，減少間隙充填過程（圖2）。

圖2 矸石充填巷迎頭示意Fig.2 Head-on of gangue filling roadway

2.2 井下跳汰洗煤工藝

井下跳汰洗煤技術可節約地面洗煤廠占地，解決矸石地面堆放問題，實現煤矸石井下就地處理的低碳綠色環保開采模式，其主要工藝為，工作面出來的毛煤通過1 個篩縫75 mm 的篦子，將大塊送入分級破碎機進行破碎，小于30 mm 末煤直接落入末煤倉，落入刮板篩分機的原煤在運輸過程中經過篩分段（篩縫25 mm）進一步篩分，小于25 mm的末煤經刮板篩分機的下層返回末煤倉，上層刮板上的原煤（25～200 mm）經機頭溜入排矸跳汰機進行洗選，分選出合格的塊精煤產品和純矸石。精煤及矸石通過鏈斗機進行脫水，然后分別落入精煤倉及矸石倉（圖3）。

圖3 井下跳汰排矸系統工藝流程示意Fig.3 Process flowof underground jigging gangue discharge system

井下跳汰洗煤的關鍵技術是因地制宜建設井下洗煤廠，由于井下圍巖壓力大，無法施工過大斷面的硐室來滿足大型設備布置所需要的空間，因此，井下的洗選系統必須要根據礦井實際生產能力及井下硐室的實際斷面規格進行拆分，使設備按照功能分別布置在不同的硐室，將地面洗煤廠的三維空間布置改為井下洗選的線性布置。

根據這一特殊要求，邢東礦通過對工藝與設備的研究創新，研發了一種井下跳汰洗選的處理煤矸石工藝，配套設備主要有空氣跳汰機、分級破碎機、異形排斗式提升機等等。這些設備入料粒度及處理能力都能滿足礦井生產需求，且設備尺寸相對較小，操作簡潔方便，符合井下硐室空間相對較小的要求。

2.3 超高水充填開采工藝

超高水充填由于固體料用量少，主要原材料可直接使用礦井水，材料來源充足可靠，是一種生產能力較高的建下充填采煤方法。其主要工藝為通過地面制漿系統及管路輸送系統將A、B 漿液由地面注漿站輸送到井下回采工作面，再通過工作面布置的液壓充填支架將采空區與工作面分隔開形成漿液充填區域，待地面輸送的漿液凝固后實現充填開采。超高水充填開采的關鍵技術是研制低成本、穩定性好、強度高的充填材料以及與之相適應的配套充填回采設備（圖4）。

圖4 超高水充填工藝流程示意Fig.4 Process of super-high water material filling

2.4 綜合機械化矸石充填開采工藝

綜合機械化矸石充填開采技術相比巷道矸石充填技術及超高水充填開采技術兼有煤矸石綜合利用和高效率建下開采的優點，是近年來應用較廣的充填采煤方法，其主要工藝為通過儲裝運系統將矸石在井下存儲、輸送至工作面，再通過矸石充填液壓支架實現矸石在采空區的填充。綜合機械化矸石充填開采的關鍵技術是研發集架后矸石輸送、填充、搗實于一體的液壓支架（圖5～圖6）。

圖5 綜合機械化矸石充填工藝流程Fig.5 Process of comprehensive mechanized gangue filling

圖6 矸石充填液壓支架落料、推壓示意Fig.6 Blanking and pushing pressure indication of gangue filling hydraulic support

2.5 地面投料矸石充填開采工藝

地面投料矸石充填開采工藝是將綜合機械化矸石充填技術與地面矸石站結合，通過將區域性礦井矸石集中投放處理，實現常規開采礦井煤矸石綜合治理與建下開采礦井充填成本降低的雙贏局面。其主要工藝為采用地面投料的方式，將外運矸石經垂直投料系統、井下固體充填物料輸送系統，輸送到支架后部刮板輸送機，投放到采空區，最后由充填液壓支架推壓密實機構進行推壓密實（圖7）。

圖7 地面矸石充填系統示意Fig.7 Ground gangue filling system

地面投料，尤其是深井地面投料矸石充填的關鍵技術為建設落料速度可控、防沖擊、防堵管的矸石地面投放系統，主要包括地面矸石站、矸石投料孔及緩沖裝置3 部分。其中緩沖裝置主要組成部分為投料孔底錐形緩沖器和密閉門為主的風壓控制裝置，用來緩沖矸石沖擊、控制投料孔內矸石下落速度。在初始投料時，投料井和充填倉中的氣體會產生“氣墊”作用，阻止充填料下墜，尤其對于充填料中的微小顆粒，效果明顯。當粒徑較大的充填料運行至井底時，充填料沖破“氣障”，開始正常投料。物料投放過程中形成封閉氣場，氣場的強弱表征著投放量的大小，通過調整氣壓，可實現大垂深矸石投放速度控制，建成防沖擊防堵管的安全高效投放系統（圖8）。

圖8 地面矸石投料緩沖系統示意Fig.8 Ground gangue feeding buffer system

3 邢東礦建下充填開采工程實踐

3.1 全域連續巷道矸石充填工程實踐

自2002 年開始，邢東礦在工業廣場等煤柱區域，實施巷道矸石充填技術。為了提高資源回收率，在原有單一巷道矸石充填工藝的基礎上，對擬充填開采區域統一規劃，設置集中運矸聯巷，通過留5 m 寬煤柱掘5 m 寬巷道的方式進行充填巷布置，待充填巷上覆巖層穩定后再充填開采剩余煤柱，實現全域巷道矸石充填。邢東礦自2002 年—2012 年，累計掘進充填巷道105 條，總長度31 259 m，出煤123 萬t，充填矸石125 萬t。

3.2 全域連續工作面充填工程實踐

由于邢東礦建下壓煤達83%，大面積連續充填開采是礦井生存發展必須要突破的重大技術難題，與單一小面或局部范圍內充填開采相比，大面積連續充填開采時充填材料和裝備都有更高的要求。涉及難點有，大面積充填開采條件下地表沉陷變形難控制，缺少適合連續充填、承載性能優良的充填材料，現有充填開采產能小、成本高，不能實現規模化。

針對地表沉陷變形難控制問題，邢東礦結合河北工程大學，研發了一種適合大面積連續充填開采的易成型、快承載、高強度碾壓充填材料及充填工藝與裝備，改變了矸石散狀固體充填材料特征，有效控制了深井厚煤層充填開采圍巖變形及地表沉陷。矸石散狀固體顆粒間無粘結連接，沒有變形約束，具有明顯的流動性和壓硬性，與膠結料混合后，不加壓仍是散狀材料，施壓后，立即固化成型，充分碾壓后具備較高的支撐強度，形成膠結時間可控的類貧碾壓混凝充填材料（圖9）。

圖9 類貧碾壓混凝充填材料現場效果圖Fig.9 Field effect of poor roller compacted coagulation filling material

針對充填開采產能小、成本高，不能實現規模化的問題，邢東礦在應用類貧碾壓混凝充填材料提高充填體成型效率的基礎上，采取成組移架、交替落料、同步推實的工序，提高充填效率和充填效果，現場采充作業平行度提高至80%，實現了規模化充填開采（圖10）。2021 年邢東礦11233 工作面開展采充平行作業實施矸石充填，月產能力達到了7.2 萬t，實現了該礦井全年產量全部由充填開采完成。根據測算，邢東礦利用全域連續工作面充填開采共增加產值4.56 億元，新增利潤4.11 億元。此外節約村莊搬遷費用、矸石地面占地費、運輸費、環保費每年約4 600 萬元。

圖10 矸石充填作業工序Fig.10 Gangue filling operation process

4 邢東礦充填開采發展構想

邢東礦充填開采經過20 a 的實踐與不斷研發，建立了全域連續充填開采技術體系，實現了安全高效的不遷村采煤。但充填成本相較常規開采噸煤成本仍然要增加約37 元，此外相比常規開采，充填開采單面產能仍然較低。2020 年，邢東礦著手建設智能化煤礦。2021 年，將智能化技術與矸石充填技術有效整合，以智能化矸石充填工作面建設為基礎，打造了國內首個智能化矸石充填工作面，實現了在地面分控中心對井下采煤、充填、原煤及矸石運輸的自動化控制。

當前的矸石充填智能化系統僅能實現記憶截割、跟機作業、自動推壓搗實，鑒于邢東礦地質條件復雜，尚無法實現工作面采煤及充填的無人化。通過在采煤及充填控制過程中建立多元離散數據感知系統，確定采煤及充填效果判據，依據實時監測技術，對采煤及充填效果進行快速評價，實現工作面無人值守，進而降低充填成本。

5 結 語

邢東礦通過20 a 持續不間斷對充填開采的實踐與研發，推動了單面局部到大面積全域充填開采的技術進步，使得充填技術真正可以實現不遷村開采。通過提高采充平行度，實現了規模化開采，降低了充填成本，提高了充填開采的可推廣價值。通過打造區域性矸石處理模式，主動保護了礦區及周邊生態環境，探索了生態礦山發展方向，推動了煤炭行業綠色低碳轉型發展。