煤礦井下采選充采一體化技術及在工程中的應用

董易鑫

（鐵法煤業（集團）有限責任公司小康煤礦，遼寧 調兵山）

在放頂煤開采技術應用、薄煤層開采量增大的情況下，工作面煤層頂及夾板處矸石量增多，導致原煤中混合矸石量較以往有所增加。傳統未經分選直接向地面運送原煤，再由煤廠實施排矸作業的工作方式導致地面矸石大量堆積[1]。而建筑下、鐵路下、水體下壓煤現象的存在導致煤礦無法完全開采且存在地表沉陷隱患，為解決這些問題，需要引入煤礦井下采選充采一體化技術。

1 工程概況

某礦業集團下屬分公司具有大型生產礦井，年產能為400 萬t，礦井井田面積為37 km2的礦井井田。礦區煤系地層厚度較大，總厚度達508 m。可采煤層層數分別為5 層、8 層、9 層與12 層，各層厚度均值為18.8 m。目前，該煤礦常用的采煤工藝主要有兩種，一是綜采，二是綜放。分析充填采煤區的地質條件發現，該區地層傾角呈北部小、南部大的分布趨勢，充填區地形向南傾斜，煤層傾角為近水平+緩傾斜煤層形式。此外，充填區地表密集大量建筑物，存在顯著的壓煤問題，剩余可采儲量中，壓煤比例約為80%，且該礦區地表矸石堆放量較大。為保障煤礦開采的完全性、高效性與生態性，需要引入煤礦井下采選充采一體化技術實施煤礦開采作業。

2 井下采選充采一體化系統布置

2.1 井下煤矸分選系統布置

2.1.1 直接布置方式

由于502、5021 兩個煤倉均分布于井底車場周邊，需要承擔周邊三個煤源的煤矸分選任務，因而需要在兩個煤倉中間的聯絡巷中布設煤流矸石分選系統[2]。本工程煤流矸石分選系統設置時需挖掘6 條巷道及7 個硐室，并應設置3 個溜煤眼、1 個矸石倉及13 個交叉點，且動篩跳汰機硐室、高頻脫水篩硐室應具備充足空間，因此應直線布設502 及5021 原煤運輸巷，并使動篩跳汰機硐室與運輸巷保持垂直，以降低硐室斷面大小，提升煤矸石運轉便利性。此種布置方式能削減中間環節，布置操作相對便利，可減少新巷道與硐室開挖工作量，減少造價成本。但此布置方式可能出現跳汰分選系統干擾原有煤炭運輸系統的情況，為避免煤矸分選系統因故障造成系統運行中斷，需要選用性能優越的煤矸分選設備，并加強系統運行管理。井下煤矸分選系統直線布置方式見圖1。

圖1 井下煤矸分選系統直線布置方式

2.1.2 輔助布置方式

為確保煤矸分選系統運行的便利性，該煤礦公司需在直接布置的基礎上，結合應用輔助布置方式，以連接煤矸分選系統與原有運輸系統，為煤矸石運轉一體化開展提供便利。需要在井底車場、主采區原煤運輸巷道處，再挖出一條動篩跳汰分選巷道，并于其旁邊開挖硐室，使此巷道及硐室分別與原運煤巷道垂直相交或傾斜相交，獨立布設井下煤矸選及原煤運輸系統，以分選巷道及硐室作為井下煤矸分選系統的布置區域。雖然重挖分選巷道及硐室會增大施工成本，但可為煤矸分選系統故障后維修及日常管護提供便利，且不會對原有運輸系統產生干擾。同時，需在精煤膠帶機巷附近設置脫水篩硐室，且滾軸篩硐室應設置于原有煤倉附近，并且二者之間應保持垂直，以免滾軸篩硐室運行時導致原煤倉壁遭到破壞。井下煤矸分選系統輔助布置方式見圖2。

圖2 井下煤矸分選系統輔助布置方式

2.2 井下充填采煤系統布置

以8 煤層首采工作面T3281N 系統為例，該系統的工作面面長度及推進長度分別是120 m 與308 m，需在T3280N 系統乙邊眼設置本系統的風道，與T3281 系統風道之間應預留寬度為4 m 的煤柱，并挖出387 m 巷道，還要在T3280 甲邊眼處設置T3281N溜子巷開口，溜子巷掘進長度應為343 m。此外，要在T3280 乙邊眼以外345 m 及35 m 處分別設置切眼及停采線。

2.2.1 地面運輸系統

地面運輸系統布置時，應在主井與副井附近分別設置裝載機、膠帶輸送機、篩分機、破碎機四部分結構。其中裝載機用于裝載矸石，之后向膠帶輸送機上運送。而膠帶輸送機負責地面上矸石的持續、快速運送，且要在地面上設置皮帶走廊，用于保護地面膠帶輸送機運送過程，降低外界其他因素干擾。篩分機則用于篩分膠帶輸送機輸送的不同粒徑矸石，之后利用破碎機破碎處理粒徑大小高于投料要求的矸石，最后再向投料系統中投入矸石[3]。

2.2.2 投料系統

投料系統需要設置于地面與井下之間，以井下煤矸分選系統為起點，沿線經過矸石倉、矸石集中運輸巷、溜矸眼、T3280 乙邊眼、T3281N 溜子巷，最終以T3281N 溜子巷充填工作面為終點。地面上的原始矸石在篩分破碎處理之后，從地面運輸系統運送至投料井井口，再向投料系統中投入，矸石通過投料井落到井底，在井底緩沖裝置緩沖后進入井下矸石儲料倉，充填采煤工作面作業時，從料倉下方給料機釋放矸石，再經過井下巷道中的膠帶輸送機運送到充填采煤工作面用于填充。

2.2.3 井下運輸系統

井下運輸系統主要用于將矸石從投料井運送到井下，之后采用運輸皮帶將矸石運送到充填采煤系統的充填作業面。本煤礦工程中，運料系統以8 號井為起點，經過508 大巷、T3280 乙邊眼，再通過T3281N溜子巷，最后以T3281N 充填工作面為終點。井下運輸系統同樣以膠帶輸送機運料，以便為充填采煤提供充足的充填石料。而運煤系統則以T3281N 充填工作面為起點，通過T3281N 風巷后，經過T3280 甲邊眼及8煤層集中運煤巷，再經由5021 煤倉、九號井抵達地面。

2.2.4 工作面充填采煤作業系統

充填采煤作業系統由兩部分工作而構成，一是前部采煤工作面，二是后部充填工作面。此系統設置時，要架設好具有后部夯實裝置的充填采煤液壓支架，以便為采煤作業頂板起到支護作用，提供充填作業空間，夯實裝置則可將充填后的矸石壓實擠密。需在液壓支架后頂梁下方懸掛充填輸送機，用其向充填空間中填放矸石。此外，應在運矸輸送機及多孔底卸式刮板輸送機間設置自移式充填料轉載機，用于轉移矸石。

3 煤礦井下采選充采一體化技術

3.1 井下煤矸分選技術

井下煤矸分選需要應用兩種工藝技術，一是跳汰排矸技術。二是煤泥水處理技術。分選煤矸時，先對原煤進行去雜處理，原煤進入篩分機后，粒徑不高于5 cm 的透篩物掉落到末煤輸送皮帶上，再經過分選主運輸巷道輸送至煤倉，粒徑高于5 cm 的原煤則被分到煤矸分選入料輸送皮帶上，向動篩跳汰煤矸分選機運送，分選后的矸石及精煤經由物料提升刮板機向矸石或精煤運輸皮帶運送，最后由高頻篩料泵向煤泥水處理系統泵送，經過高頻篩分及脫水處理后，得到的細煤再次落到末煤輸送皮帶上，經過過濾的煤泥水流則向清水池流入，以便再次分選使用。井下煤矸分選處理工藝見圖3。

圖3 井下煤矸分選處理工藝

3.2 井下充填采煤技術

井下采煤時，采用的是走向長壁采煤法，利用雙滾筒電牽引采煤機割煤，以三角煤端部作為進刀口，斜切進刀，切割深度為60 cm，割煤時可保證工作面端部煤壁的順直性，且可實現長時間割煤，能夠提升開采質量[4]。矸石充填時，需要聯合應用多孔底卸式輸送機及夯實機實施充填作業。利用帶式輸送機輸送矸石，再轉至充填物料轉載輸送機上，最終向多孔底卸式充填輸送機運送，從卸料孔投入矸石并使之抵達采空區，填充后采用夯實機對填充區進行夯實處理，填充至頂部即可。

4 技術應用效果分析

4.1 矸石充填效果

本煤礦工程在充填T3281N 工作面時實施了夯實效果監測，在傾斜方向上共布設了12 臺監測儀，得到了各夯實機的平均夯實力（見表1）。根據表1 數據顯示，夯實機夯實力均值最低值為3.37 MPa，最高值為10.07 MPa，平均夯實力為5.82 MPa，此夯實力數值與規定充填夯實相求相符，說明采空區充填效果理想，充填質量較佳。同時，本煤礦工程對充填采煤期間充填矸石量及采煤量進行了統計，得出了該工作面開采時的充采質量比變化均值為1.32，比設計值1.28 略高，說明取得了相對理想的充填效果，充實率高于標準值85%[5]。

4.2 煤矸分選情況

該煤礦的煤矸分選系統年處理矸石量為82 萬t，分選效率為90%，井下煤矸分選產品質量平衡參數見表2。而采空區的年矸石處理量為65 萬t，其中，首采工作面開采出的壓煤資源總量為23 萬t，共填充了30.4 萬t 矸石，經計算，采充比均值為1.32：1。

表2 井下煤矸分選產品質量平衡參數

4.3 地表沉陷情況

通過對采空區實施地表觀測發現，充填開采同時工作面呈慢速下沉趨勢，下沉量介于1.6 cm～1.8 cm之間，并且下沉速度相對均勻（見圖4），未超出地表建筑物變極限值，沒有出現明顯裂縫，說明矸石充填對地表移動變形起到了良好的控制效果。

圖4 工作面推進方向測點下沉速度變化曲線

結束語

為解決煤礦“三下”壓煤問題，降低對生態環境的破壞，文章提出了基于煤礦采選充采一體化技術模式，采用直接布置與輔助布置相結合的方式，構建井下煤矸分選系統，合理設置了地面運輸、投料、井下運輸、工作面充填采煤作業四個系統，引入了跳汰排矸、煤泥水處理兩種井下煤矸分選技術，并采用走向長壁采煤法實施井下充填采煤作業。經監測分析發現，此技術取得了良好的充填及煤矸分選效果，有效控制了地表移動變形，驗證了此技術在煤礦采空區開采中的應用價值。