矸石充填綠色開采技術在花園煤礦的應用研究

文/孫長軍

煤礦建筑物下壓煤開采，以及矸石等固體廢棄物的排放處理問題，已成為煤礦企業急需解決的重大技術難題之一。因此，擺脫困境，延長礦井的服務年限，最大程度地回收煤炭資源，并確保地表建筑物的正常安全使用，采取高效、安全的開采方法采出建筑物下壓煤已勢在必行。

一、實施矸石充填綠色開采的必要性

花園煤礦礦井東距金鄉縣城0.4km，北距濟寧市市區50km。煤炭資源可采儲量為3369萬t，均為建筑物下壓煤，地面建筑物多為磚混結構的民房，承受采動影響能力小；一采區采用條帶開采方式，雖然一定程度上控制了地表沉陷，但是遺留了大量的煤柱，煤炭資源采出率僅為40%左右。現有矸石山一座，約堆積矸石100萬t，矸石年產量約20萬t。矸石的堆積，不但占用礦井工業廣場土地，而且對礦區環境的維護造成了一定的影響。

為解決以上問題，根據目前“三下”采煤技術的發展現狀及花園煤礦實際，擬采用綜合機械化固體（廢棄物）充填采煤技術，并委托煤炭工業濟南煤炭設計研究院有限公司、中國礦業大學在花園煤礦開展綜合機械化固體（廢棄物）充填采煤項目進行研究，計劃投資15025.1萬元。

二、項目設計原理及方案實施

綜合機械化固體廢棄物充填采煤項目在花園煤礦工業廣場和井下采掘現場實施，需要將地面矸石等固體充填物料破碎后運輸至井下，井下矸石破碎后直接運輸到采煤工作面，實施充填。

1.地面矸石下井系統

考慮投料井布置在地面矸石堆放場西北角處，基于簡單、高效、低故障率的原則和對運輸系統的性能要求，矸石山矸石由推土機和裝載機推至刮板輸送機，經轉載機投入破碎機，破碎后的矸石進入皮帶走廊，經膠帶輸送機運送至投料井投放到井下。

地面運輸系統主要由推土機、刮板輸送機、破碎機、帶式輸送機、垂直輸送系統控制臺組成。設備選型的原則為：

（1）系統輸送能力應大于充填的最大能力。

（2）膠帶輸送機在選型時要確定的參數主要包括輸送能力、電機功率和架體強度，電機功率主要根據運輸的傾角、帶長及輸送量的大小等條件確定，強度應按使用可能出現最惡劣工況和滿載工況進行驗算。

（3）控制臺電控裝置應能夠對地面運輸系統整體控制自動、手動開（關）機，當后續工作出現故障時能夠緊急制動。

2.二采區矸石不升井系統

根據二采區及產矸地點的相對位置關系，確定二采區矸石不升井系統的位置、矸石運輸及通風路線。

（1）矸石運輸路線。地面、掘進矸石→軌道大巷→西翼軌道大巷→進車聯絡巷→二采區矸石倉→運矸聯絡巷→2301工作面膠帶順槽→2301工作面。

（2）通風路線。矸石倉上口通風：新風→副井→軌道大巷→西翼軌道大巷→進車聯絡巷→出車聯絡巷→西翼軌道大巷；矸石倉下口通風：新風→副井→軌道大巷→西翼軌道大巷→二采區軌道下山→進風行人聯絡巷→運矸聯絡巷→二采區膠帶下山→西翼膠帶大巷→膠帶輸送機大巷→主井→地面。

3.井下矸石不升井系統

矸石不升井系統使整個礦井的掘進矸石不需要提升至地面，而直接進入充填矸石運輸系統用于工作面充填。由于掘進矸石的產出量不穩定、產出地點不斷變動，需要在適當的位置設置矸石倉，用于掘進矸石的臨時存儲。同時，由于掘進矸石粒徑較大，不能直接用于充填，需要增加破碎機對其進行破碎。

掘進矸石通過礦車運輸至破碎硐室內，使用翻車機將矸石倒入破碎機，破碎后的矸石直接通過鋪設在儲料倉上口繞道內的刮板輸送機運輸至儲料倉，然后經過給料機給料到儲料倉下口的膠帶輸送機上，從而進入充填開采矸石輸送系統。其工藝流程圖如圖1所示。

圖1 礦井井下矸石不升井系統工藝流程圖

4.綜合機械化固體（廢棄物）充填采煤系統

根據充填采煤工作面設計原則，結合充填采煤區域的地質條件及礦井原有系統布置方式，在盡量利用礦井原有巷道及正在掘進巷道的基礎上，二采區共布置10個充填采煤工作面。充填采煤工作面生產系統包括運煤、通風、運料及運矸系統，以首采面2301工作面為例，生產系統布置如下：

（1）運煤系統。2301工作面→2301工作面膠帶順槽→二采區膠帶下山→二采區煤倉→西翼膠帶大巷→采區煤倉→膠帶輸送機大巷→井底煤倉→地面。

（2）通風系統。新風路線：地面→副井→井底車場→軌道大巷→西翼軌道大巷→2301工作面軌道順槽→2301工作面。乏風路線：2301工作面→2301工作面膠帶順槽→二采區膠帶下山→回風聯絡巷→西翼膠帶大巷→膠帶輸送機大巷→主井→地面。

（3）運料系統。地面→副井→井底車場→軌道大巷→西翼軌道大巷→2301工作面軌道順槽→2301工作面。

（4）運矸系統。矸石運輸線路分為兩條，一條為：地面矸石→副井→井底車場→軌道大巷→西翼軌道大巷→二采區矸石倉→2301工作面膠帶順槽→2301工作面；掘進矸石→二采區矸石倉→2301工作面膠帶順槽→2301工作面。另一條為：地面→投料井→運矸石門→西翼膠帶大巷→運矸聯絡巷→二采區膠帶下山→工作面膠帶順槽→工作面；掘進矸石→井底矸石倉→運矸石門→西翼膠帶大巷→運矸聯絡巷→二采區膠帶下山→工作面膠帶順槽→工作面。

三、效果分析

項目設計開采區域為礦井二采區，二采區可采儲量為237萬t，采用矸石充填采煤技術后，共可采出煤炭資源約190.3萬t，噸煤利潤按250元計算，可創效益約為4.76億元，較原采用的條帶開采回采工藝可多采出煤炭資源約106.1萬t，噸煤利潤按250元計算，可多創效益2.65億元。

花園煤礦礦井可采儲量為3369萬t，均為建筑物下壓煤，下一步均采用該技術，煤炭資源采出率取80%，則效益達67.38億元。礦井服務年限由40.5年延長到87年；消除了矸石、粉煤灰及建筑垃圾等廢棄物占用土地及環境污染問題，節約土地資源約32畝；控制了地表沉陷，井田范圍內的村莊不用搬遷，節約了費用。