固體充填材料保障系統(tǒng)研究與應(yīng)用

吳 強(qiáng) 王思貴 張吉雄 黃艷利

（1.四川省安全科學(xué)技術(shù)研究院煤礦所，四川省成都市，610045；2.中國礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇省徐州市，221116；3.煤炭資源與安全開采國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇省徐州市，221008）

為解放 “三下”壓煤，提高煤炭資源的回采率，減少煤炭開采過程中的固體廢棄物排放，控制綜采工作面礦壓等，我國學(xué)者自主研發(fā)了綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)。該技術(shù)包括固體充填材料連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)，其中垂直投料系統(tǒng)為該系統(tǒng)的核心技術(shù)，另外還包括井下矸石制備系統(tǒng)。

為了能夠保障該技術(shù)在煤礦安全高效地得到實(shí)施應(yīng)用，需要將幾個系統(tǒng)進(jìn)行配合工作。首先是選擇合適的充填物料來源；其次是將固體充填物料連續(xù)運(yùn)輸?shù)骄拢坏谌蔷戮蜻M(jìn)與煤流矸石制備固體充填材料。

1 固體充填材料來源分析

可以選用煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物作為固體充填材料，將材料從地表通過連續(xù)運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)到井下充填工作面，從而達(dá)到控制采空區(qū)頂板下沉、減少地表沉陷的目的。

（1）矸石來源。煤矸石是煤炭開采過程中產(chǎn)生的一種灰分高、含碳量低、排放量大的固體廢棄物。堆積的矸石山給環(huán)境帶來很大危害，因此矸石是一種合理的充填材料。因矸石來自井下，也可通過井下掘進(jìn)與煤流矸石制備固體充填材料系統(tǒng)，將掘進(jìn)與煤流矸石直接由井下回填到充填區(qū)。

（2）粉煤灰來源。粉煤灰是燃煤電廠等排出的主要固體廢物，其排放量大，利用率低，可選用粉煤灰作為固體充填材料。

（3）其他充填材料來源。可以根據(jù)煤礦開采的周邊條件選取，如風(fēng)積沙、建筑垃圾等固體廢棄物作為充填材料。

2 地面充填材料運(yùn)輸系統(tǒng)

固體充填材料保障系統(tǒng)包括地面充填材料運(yùn)輸系統(tǒng)、井下掘進(jìn)矸石與煤流矸石制備系統(tǒng)等，其中充填物料的運(yùn)輸是制約充填開采技術(shù)發(fā)展的瓶頸。系統(tǒng)主要包括洗選矸石制備系統(tǒng)、矸石山矸石制備系統(tǒng)以及固體充填物料垂直投放系統(tǒng)。因不同充填物料的運(yùn)輸系統(tǒng)基本相同，本文主要以矸石為例介紹其制備、運(yùn)輸系統(tǒng)。

2.1 洗選矸石制備系統(tǒng)

洗選矸石制備系統(tǒng)是指地面洗選廠分選出來的矸石轉(zhuǎn)移到投料井投放口處的具體工藝過程。其具體過程為矸石從洗選廠分選出來，通過運(yùn)矸車、梭式礦車運(yùn)輸轉(zhuǎn)運(yùn)到運(yùn)矸帶式輸送機(jī)上，然后通過轉(zhuǎn)載機(jī)將矸石裝載到篩分破碎機(jī)，選出符合充填規(guī)格的充填材料，在投料控制臺的控制下通過帶式輸送機(jī)運(yùn)到投料井口。

2.2 矸石山矸石制備系統(tǒng)

矸石山矸石制備系統(tǒng)是指地面矸石山堆積的矸石經(jīng)過一系列運(yùn)輸至投料井投放口處的具體工藝過程。其具體過程為矸石山上的矸石通過推土機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、刮板輸送機(jī)運(yùn)輸裝載到篩分破碎機(jī)上，通過篩分破碎機(jī)的篩分與破碎，篩選出符合充填規(guī)格的充填材料，在投料控制臺的控制下通過帶式輸送機(jī)運(yùn)到投料井口。

2.3 固體充填物料垂直投放系統(tǒng)

固體充填物料垂直投放系統(tǒng)是將固體充填物料從地面運(yùn)輸至井下的運(yùn)輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)已經(jīng)在我國一些礦區(qū)成功應(yīng)用。

2.3.1 固體物料垂直投放系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

充填采煤固體物料垂直投放系統(tǒng)可將地面的固體物料連續(xù)運(yùn)輸至井下，它主要由地面控制臺、投料管道、維護(hù)硐室、緩沖器、儲料倉等組成。地面控制臺是固體物料垂直投放系統(tǒng)的控制中心，擔(dān)負(fù)控制投料工作；投料孔是固體物料運(yùn)輸至井下的主要通道，它擔(dān)負(fù)了固體物料最長距離的運(yùn)輸，其深度一般為50～800m；由于投料過程中具有很大的沖擊力，為了保護(hù)井下設(shè)備和工作人員的安全，在儲料倉上口設(shè)置緩沖器，以緩減投料沖擊力。充填采煤固體物料垂直投放系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 充填采煤固體物料垂直投放系統(tǒng)布置圖

2.3.2 固體物料垂直投放系統(tǒng)的工作原理

將地面的固體物料通過垂直投放系統(tǒng)運(yùn)輸至井下是一個連續(xù)化的過程，其工作原理是通過地面控制臺將不同的固體物料從支管道連續(xù)給入主管道，并利用地面控制系統(tǒng)控制固體物料的配比及投料速度，不同的固體物料在主管道內(nèi)自動混合后垂直下落，當(dāng)混合物料接近井底時，首先經(jīng)儲料倉上部的緩沖器緩沖后，進(jìn)入呈斜錐狀的儲料倉向下滑落并堆積，當(dāng)混合物料堆積高度達(dá)到滿倉報警位置時，通過信號傳感器的信號輸出傳至地面控制臺，由地面控制臺控制停止投料工作，當(dāng)井下充填開采工作面將儲料倉內(nèi)的混合物料用完后，進(jìn)行下一循環(huán)的投料工作。

3 井下掘進(jìn)矸石與煤流矸石制備系統(tǒng)

3.1 井下掘進(jìn)矸石制備系統(tǒng)

井下掘進(jìn)矸石制備系統(tǒng)是指將井下掘進(jìn)工作面產(chǎn)生的矸石通過矸石制備系統(tǒng)以及輸送、轉(zhuǎn)載等工序直接在井下充填到工作面的系統(tǒng)。

井下掘進(jìn)矸石的制備系統(tǒng)主要工藝為運(yùn)輸、篩分、破碎、儲存等，其工藝過程根據(jù)不同礦區(qū)的實(shí)際工程而不同。一般而言，掘進(jìn)工作面的矸石經(jīng)破碎機(jī)破碎后轉(zhuǎn)載到帶式輸送機(jī)上運(yùn)到矸石倉，再用帶式輸送機(jī)運(yùn)到工作面運(yùn)輸巷，再由充填物料轉(zhuǎn)載輸送機(jī)運(yùn)到充填工作面進(jìn)行充填開采工作。

3.2 煤流矸石制備系統(tǒng)

煤流矸石制備系統(tǒng)是指將井下洗選出來的矸石直接到充填工作面的過程。其主要工藝有篩選、運(yùn)輸、破碎、充填等。具體過程就是將井下洗選出來的矸石通過破碎機(jī)破碎后轉(zhuǎn)載到輸送機(jī)上運(yùn)到矸石倉或直接運(yùn)到充填工作面，從而實(shí)現(xiàn)矸石井下直接利用。這個系統(tǒng)與掘進(jìn)矸石制備系統(tǒng)一樣，可以減少矸石排出量，能夠解放 “三下”壓煤，降低煤礦開采成本。

上述兩套系統(tǒng)可以將采煤矸石井下直接充填，不僅節(jié)省礦井的運(yùn)輸費(fèi)用，還能減少矸石排放，很好地實(shí)現(xiàn)巖層控制，是礦山綠色開采的一個發(fā)展方向。

4 工程應(yīng)用

濟(jì)寧花園煤礦隸屬于濟(jì)寧能源發(fā)展集團(tuán)，井田全部為 “三下”壓煤，為了提高采出率，采用了固體充填開采方法進(jìn)行開采。

4.1 投料井地面運(yùn)輸系統(tǒng)布置

基于簡單、高效、低故障率的原則和對運(yùn)輸系統(tǒng)的性能要求，經(jīng)過現(xiàn)場調(diào)研和分析，確定地面運(yùn)輸系統(tǒng)方案。矸石山矸石由推土機(jī)和裝載機(jī)推至刮板輸送機(jī)上，經(jīng)轉(zhuǎn)載機(jī)投入破碎機(jī)，破碎后的矸石進(jìn)入帶式輸送機(jī)走廊，經(jīng)帶式輸送機(jī)運(yùn)送至投料井投放到井下，其工藝流程如圖2地面部分所示。

4.2 固體充填物料垂直投料輸送系統(tǒng)

地面矸石等固體物料經(jīng)篩分、破碎等前期工序后運(yùn)輸至垂直投料輸送系統(tǒng)井口，物料被投放至投料井內(nèi)經(jīng)緩沖裝置緩沖后進(jìn)入儲料倉，工作面充填時將其通過給料機(jī)放出，再經(jīng)帶式輸送機(jī)運(yùn)至工作面，垂直投料輸送系統(tǒng)的主要設(shè)備包括地面運(yùn)輸裝置、緩沖裝置、滿倉報警裝置、清倉裝置、控制裝置等。

4.3 井下掘進(jìn)矸石制備系統(tǒng)

花園煤礦井下矸石產(chǎn)出地點(diǎn)有東翼大巷的掘進(jìn)頭與二采區(qū)下山掘進(jìn)頭，其中主要產(chǎn)矸地點(diǎn)為東翼大巷的掘進(jìn)頭位置。

井下掘進(jìn)矸石制備系統(tǒng)使井下掘進(jìn)矸石不需要提升至地面，直接進(jìn)入充填矸石運(yùn)輸系統(tǒng)用于工作面充填。因?yàn)榫蜻M(jìn)矸石的產(chǎn)出量不穩(wěn)定，產(chǎn)出地點(diǎn)不斷變化，因此需要在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置矸石倉，用于掘進(jìn)矸石的臨時存儲。同時，由于掘進(jìn)矸石粒徑較大不能直接用于充填，需要用破碎機(jī)對其進(jìn)行破碎，當(dāng)矸石粒徑過大，不能進(jìn)入破碎機(jī)時，采取布置密集炮眼爆破破碎或者人工破碎的方式減小矸石粒徑。運(yùn)矸聯(lián)絡(luò)巷內(nèi)設(shè)備布置如圖3所示。

圖2 花園煤礦固體充填物料垂直投料輸送系統(tǒng)布置圖

圖3 運(yùn)矸聯(lián)絡(luò)巷設(shè)備布置示意圖

4.4 應(yīng)用效果

綜合機(jī)械化固體密實(shí)充填采煤技術(shù)在花園煤礦推廣應(yīng)用以來，解放了大量 “三下”壓煤，提高了礦井資源采出率，大大增加了礦井服務(wù)年限；解決了矸石、建筑垃圾等在地面堆放造成的環(huán)境污染與破壞問題；實(shí)現(xiàn)了將掘進(jìn)矸石直接井下處理，減輕了礦井輔助提升的壓力，大大提高了充填的效率。根據(jù)現(xiàn)場井田條件，通過采用該技術(shù)，預(yù)計可以多采出煤炭資源2700 萬t，利用固體廢棄物超過3000萬t，大大延長了該礦井的礦井服務(wù)年限。綜合機(jī)械化固體密實(shí)充填采煤技術(shù)在花園煤礦的應(yīng)用達(dá)到了預(yù)期效果，取得了較大的經(jīng)濟(jì)、社會與環(huán)境效益。

5 結(jié)論

（1）固體充填材料可以選用矸石、粉煤灰以及建筑垃圾等固體廢棄物。使用這些材料來源充足，可以減少環(huán)境污染，同時可以降低充填成本，還可以達(dá)到安全開采 “三下”壓煤的目的。

（2）固體充填材料安全高效的連續(xù)運(yùn)輸技術(shù)是制約固體充填開采技術(shù)發(fā)展的瓶頸難題，針對該問題，提出了將洗選矸石制備系統(tǒng)、矸石山矸石制備系統(tǒng)以及固體充填物料垂直投放系統(tǒng)相結(jié)合可以安全高效地將固體充填材料從地面運(yùn)輸至井下。

（3）通過井下掘進(jìn)矸石與煤流矸石制備系統(tǒng)可以將井下掘進(jìn)回采過程中產(chǎn)生的矸石直接通過矸石制備系統(tǒng)制成充填材料，減少了矸石排量，減輕了輔助提升壓力，解放了大量的 “三下”壓煤。

［1］ 許家林.煤礦綠色開采 ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010

［2］ 杜計平，孟憲銳.采礦學(xué) ［M］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2009

［3］ 繆協(xié)興，張吉雄，郭廣禮.綜合機(jī)械化固體充填采煤方法與技術(shù)研究 ［J］.煤炭學(xué)報，2010 （1）

［4］ 張吉雄，吳強(qiáng)，黃艷利等.矸石充填綜采工作面礦壓顯現(xiàn)規(guī)律 ［J］.煤炭學(xué)報，2010 （S1）

［5］ 巨峰.建筑物下矸石與煤粉灰充填綜采關(guān)鍵技術(shù)研究 ［D］.徐州：中國礦業(yè)大學(xué)，2009

［6］ 劉建功，趙慶彪，張文海等.煤礦井下巷道矸石充填技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn) ［J］.中國煤炭，2005 （8）

［7］ 張吉雄，繆協(xié)興.煤礦矸石井下處理的研究 ［J］.中國礦業(yè)大學(xué)學(xué)報，2006 （2）

［8］ 巨峰，周楠，張強(qiáng).煤礦固體充填物料垂直投放系統(tǒng)研究與應(yīng)用 ［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2012 （11）

［9］ 張蓓.矸石充填綜采大垂深投料及堵管監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計 ［J］.采礦與安全工程學(xué)報，2009 （3）

［10］ 王廣杰.平煤十二礦矸石充填綜采投料系統(tǒng)設(shè)計［J］.中州煤炭，（11）

［11］ 郝寶生，張書國.矸石與粉煤灰混合充填開采的試驗(yàn)研究 ［J］.中國煤炭，2009 （11）

［14］ 龐立新.綜采工作面煤矸石充填開采技術(shù)研究與實(shí)踐 ［J］.中國煤炭，2012 （6）