七元煤礦矸石充填開采設計研究

韓進東

（華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000）

我國煤炭資源大都深埋地下，高強度煤炭開采往往引起地面塌陷，導致村莊植被損毀、環境污染等問題，因此近些年逐步發展起來了充填開采技術。充填開采是將固體、膏體、膏水等各類材料充填進采空區，從而控制巖層移動，防治采煤塌陷。常見的充填開采技術有多種，其中矸石等固體充填技術因其加工簡單、運輸方便、成本低等優勢，應用廣泛；加之山西省相關文件的要求，確保矸石全部及時充填井下，因此七元煤礦采用矸石充填開采，將矸石全部回填采空區，實現礦區資源與環境的協調發展。

1 概 況

七元煤礦地處山西省晉中市壽陽縣城東部，直距壽陽縣城10 km 的壽陽縣朝陽鎮孫家莊村—尹靈芝鎮廟思峪村一帶，礦井設計生產能力為5.00 Mt/a，礦井設計服務年限為137.7 a。礦井采用立井開拓方式。礦井工業場地布置在井田中部七里河村東1.2 km 的寬緩地帶，工業場地內布置1 個主立井、1 個副立井、1 個進風立井和1 個中央回風立井。全井田共劃分1 個水平，水平標高為+400 m；1 個輔助水平，水平標高為+470 m。北一盤區是七元礦首采盤區，現主采15 號煤層，布置1 個15101 綜采工作面，工作面長度240 m，采高3.99 m，工作面采用走向長壁采煤法，全部冒落法管理頂板。為了響應山西省相關文件精神要求，同時滿足礦井可持續發展的需求，工作面采用矸石充填，將矸石全部回填采空區。本文從七元礦首采盤區矸石來源數量、矸石分選系統選擇、矸石充填技術方案等方面，研究分析七元礦矸石充填開采設計。

2 矸石來源及數量

七元礦井為煤與瓦斯突出礦井，礦井生產過程中，矸石來源主要是地面洗煤廠原煤洗選后的煤矸石、井下智能分選系統矸石和井下巖巷的掘進矸石。

（1）掘進矸石量。

礦井投產后，井下共布置1 個采煤工作面（15101 工作面）、3 個煤巷綜掘面和4 個巖巷掘進面，掘進矸石來自于巖巷掘進面。4 個巖巷掘進面中，共布置2 個開拓巷道普掘面、1 個工作面高抽巷綜掘面和1 個工作面低位抽采巷綜掘面。掘進矸石量見表1。

表1 掘進矸石數量計算Table 1 Quantity calculation of tunneling gangue

根據計算結果，井下掘進工作面矸石量為39.43 萬t/a，按0.40 Mt/a 考慮。

（2）洗選矸石量。洗煤廠洗選矸石與井下智能分選洗選矸石量總計約1.50 Mt/a。

（3）充填矸石量。

結合七元礦礦井煤層厚度、回采工作面長度等因素，七元礦井井下矸石充填工作面充填工藝采用“采-充平行作業”方式，同時安裝充填工作面自動控制系統，提高作業效率。礦井設計年工作日330 d，“四六”制作業。三班生產、一班準備。現有充填工藝可實現采煤與充填平行作業，增加充填工藝后對原采煤工藝影響較小。七元礦充填工作面的首要目的為處置矸石，其次為解放建筑物下保護煤柱，因此，充填工作面的定產模式為“以矸定產”。

七元礦井矸石量較大，按照全部井下充填的思路設計，根據上文分析，井下矸石充填面充填矸石量按1.90 Mt/a 考慮。

3 井下矸石分選

3.1 井下排矸方案選擇

目前，井下煤矸分離的工藝主要有3 種：動篩跳汰機分選、重介淺槽分選和智能干選工藝。

3.1.1 動篩跳汰機分選

根據不同的驅動方式，動篩跳汰機可以分為機械搖臂驅動和液壓驅動兩種，但目前在煤礦生產中應用的主要是機械搖臂跳汰機。機械動篩跳汰機排矸主要是主要根據矸石和煤塊吸水后密度不同來進行篩選，煤與矸石是“親密接觸式”的，導致小塊煤容易被大塊矸石壓在下面也被篩到矸石區域，因此，其分選效率只有85%～90%，加上操作方面自動化程度低，人為操作因素大，容易造成矸石跑煤，排出矸中帶煤量較高。

3.1.2 重介淺槽分選工藝

重介淺槽分選工藝是根據矸石和煤塊在特定的重介質懸浮液浮力不同進行篩選的，可以根據煤礦的具體煤質信息進行重介質懸浮液的調整，其分選效率95%～99%，比機械動篩跳汰機高。操作方面可通過自動化控制，是目前國內外比較常用的分選排矸設備。但是該設備分選系統較復雜，需要配套塊煤脫水脫介和介質回收系統。

3.1.3 智能干選機分選工藝

智能干選機分選工藝采用智能識別方法，針對煤礦具體的煤質特征建立與之相適應的分析模型，通過大數據分析，對煤與矸石進行數字化識別，最終通過智能排矸系統將矸石排出。智能干選系統包括給料、識別、執行等主要系統，以及供風、除塵、配電、控制等輔助系統，基本原理如圖1 所示。

圖1 智能分選機原理Fig.1 Principle of intelligent sorting machine

智能干選機與傳統的水洗工藝動篩、淺槽分選工藝相比，有以下特點：

（1）系統簡潔、可實現無人值守。智能分選機不需要借助水和介質對煤炭分選，減少了產品脫水、脫介、水處理及介質回收系統，系統簡單，流程簡化。

（2）占地面積小。智能分選機因系統簡單，體積小，可以集成布置在一個巷道內，節省井下工程量。

（3）生產成本低。減少人工成本，電耗較淺槽分選低，且沒有水耗和介耗。

3.1.4 方案選擇

智能干選機分選工藝優勢明顯，但是市場應用實踐較少，時間短，據實際了解，目前井下智能干選機應用的案列主要有臨礦集團的王樓煤礦，肥礦集團的陳蠻莊和梁寶寺煤礦，棗礦集團的濱湖煤礦等。通過調研，這些煤礦經過一段時間的調試，應用效果良好，分選效果可以達到要求，整體來說分選精度相比重介淺槽分選稍差，與動篩效果接近，但是智能化程度較高，目前設備的故障率也較低。

通過對上述分選方案的比較和分析，七元礦井下排矸設計選擇智能化程度較高的智能干選機分選方案，但是該設備實際應用時間較短，設備的長期使用效果需要時間的檢驗，故此次設計毛煤不進智能分選系統，保持能直接升井的靈活性。

3.2 井下智能干選排矸方案實施

根據七元礦北一盤區15101 工作面實際情況，井下智能分選系統單獨布置在運輸大巷的西側，來煤運至井下分選硐室，先進入滾軸分級篩經過70 mm 分級，篩上塊原煤進入智能干選系統進行煤矸分選，分選出的塊煤和分級篩下末煤經大巷皮帶經主立井提升至地面，塊矸石經帶式輸送機運至下料井緩沖倉。井下排矸分選流程如圖2 所示。

圖2 井下排矸分選流程Fig.2 Underground gangue sorting process

4 矸石充填技術方案

根據七元礦礦井環評文件及相關技術要求，井下開采采用“邊回采邊回填”的開采模式，實現采煤和回填綜合機械化并行作業，不占用采煤時間，保證生產工作面生產能力。此次北一盤區15101 綜采工作面矸石充填技術方案，主要從地面矸石投放系統、井下運輸配送系統等方面考慮，進行研究設計。

4.1 地面矸石投放系統

（1）七元礦地面矸石分別由主立井井口附近的篩分破碎車間及選煤廠主廠房分選得到，經帶式輸送機運至矸石倉，矸石自矸石倉倉下接出運至投放站。七元礦地面矸石倉及井下矸石倉均位于進風立井東側。考慮七元礦井地面矸石倉位置及設備設施布置情況，投料井布置有2 個方案，如圖3 所示。

圖3 矸石投料井位置井上下對照Fig.3 Ground and undergrond contrart of the gangue feeding well Location

投料孔布置方案一是利用進風立井作為矸石下料通道；布置方案二是在進風立井西側新施工小直徑垂直投料井作為矸石下料通道。投料井布置方案具體對比見表2。

表2 投料井布置方案對比Table 2 Comparison of feeding well layout schemes

由表2 可知，利用進風立井雖然節省了井巷工程量，但降低了投料管路的耐磨程度和使用壽命，并且后期維護工作量大及定期更換，投料孔是充填材料投放的咽喉，投料管路維護及更換期間將中斷充填開采系統的正常運行，甚至對礦井生產造成較大的影響，因此采用方案二，形成獨立可靠的材料投放系統，布置如圖4 所示。

圖4 矸石充填系統地面布置Fig.4 Ground layout of gangue filling system

（2）地面矸石倉倉下設帶式輸送機，轉載后進入投料井。矸石地面運輸系統是從選煤廠矸石倉下開始直至投料站為止，包括投料站、帶式輸送機走廊及其采暖、除塵、配電控制系統等。根據確定的工藝技術方案，對矸石地面運輸系統各環節進行設備選型，詳見表3。

表3 地面矸石投放系統新增設備Table 3 Newequipment for ground gangue discharge system

（3）垂直投放系統。

垂直投料系統是充填材料從地面輸送到井下的關鍵通道，其投料系統整體結構直接關系到材料投放效果。垂直投料系統組成如圖5 所示。

圖5 垂直投料系統示意Fig.5 Vertical feeding system

垂直投料系統由投料孔、投料管和緩沖倉組成，投料孔一般由一層護孔鋼管和雙層耐磨管構成，其下是緩沖倉。充填工作開始時，充填料從緩沖倉下口放出，經給料機送至皮帶上，由皮帶輸送機運至充填工作面。

投料管內徑設計計算。根據礦方資料，七元礦矸石投放能力為1.90 Mt/a，每天凈充填時間14 h，330 d 生產，富裕系數取1.2，則要求投料孔矸石輸送速度不小于390 t/h，投料管內徑要大于120 mm。當只考慮矸石輸送速度時，120 mm 管道內徑足夠承擔滿荷運行時的輸送要求，但由于矸石顆粒不規則，50 mm 破碎機實際破碎出的矸石最大尺寸有部分超過150 mm，所以根據實際投放工程經驗，投料管內徑不宜小于最大粒徑的3 倍，因此投料管內徑設計為450 mm。

投料井底緩沖倉設計。矸石經孔底緩沖裝置速度降低后勢必會在孔底堆積，因此必須設置一定容量的緩沖倉吸納低速矸石。根據七元礦實際情況，投料井底緩沖倉設計尺寸如圖6 所示。

圖6 緩沖倉設計尺寸Fig.6 Design dimensions of buffer warehouse

垂直投料系統其余設計參數詳見表4。

表4 投料管設計相關參數Table 4 Design parameters of feeding tube

4.2 井下運輸配送系統

4.2.1 矸石運輸方式選擇

矸石在井下的運輸方式一般有2 種形式，即礦車運輸和皮帶運輸。礦車運輸適用于矸石量小、運距短，皮帶運輸適應于矸石量大、運距長。七元礦矸石處置量為150 萬t/a，處置規模較大，若通過礦車運輸，不僅運輸效率低、供應能力不足，還會長期占用輔助運輸系統，因此礦車運矸不適用于七元公司，需布置井下矸石運輸帶式輸送機。

4.2.2 矸石運輸通道

根據七元礦15101 工作面布置情況，矸石由投料井井底至充填工作面運輸通道有3 個選擇，分別是輔助運輸大巷、膠帶運輸大巷以及重新布置專用運矸巷道。七元礦北翼輔助運輸大巷寬度為6 m，若將運矸皮帶布置于該巷，對無軌膠輪車運行、錯車等會有一定影響；若新布置一條專用運矸巷道，則可形成獨立運矸系統，不影響原有生產系統，但增加了約800 m 的巷道工程量；若將運矸皮帶布置于膠帶運輸大巷，則需采用雙層皮帶的形式，既不需要新增巷道工程量，也不會對原生產系統產生影響。綜合考慮，決定在北翼膠帶大巷布置一段雙層皮帶，作為矸石運輸通道。

將垂直投料井井底通過運矸聯巷與北翼膠帶運輸大巷、南翼一盤區瓦斯抽采運輸巷、南翼膠帶運輸大巷溝通，同時服務于南被兩翼規劃充填區域，在北翼膠帶運輸大巷帶式輸送機基礎上布置雙層皮帶，上層運矸、下層運煤，如圖7 所示。

圖7 雙層皮帶布置Fig.7 Double-layer belt arrangement

5 結語

本文根據七元礦首采盤區北一盤區15101 綜采工作面實際情況，結合山西省相關政策精神，研究設計布置了矸石充填開采方案。分析了七元礦矸石來源和數量，據此設計后續具體充填方案；在井下矸石分選環節，對比分析了動篩跳汰機分選、重介淺槽分選和智能干選工藝，確定采用智能干選工藝并進行具體布置，但因該工藝實踐較少，毛煤不進智能分選系統；矸石充填技術方案主要從地面矸石投放系統、井下運輸配送系統等方面考慮，在進風立井西側新施工小直徑垂直投料井作為矸石下料通道，對垂直投放系統和井下運輸配送系統進行計算設計。設計的矸石充填開采工藝可以滿足七元礦的需求，為類似條件下煤礦充填開采設計提供了借鑒。