煤矸石井下巷道充填開采可行性分析

趙飛

（山西煤炭運銷集團首陽煤業有限公司山西晉城048400）

0 引言

近年來，有關煤矸石處置產生的環保問題日益凸顯，煤矸石主要來源于井下巖巷施工、陷落柱、夾矸、地面原煤洗選等[1-2]。地面排矸場處理煤矸石具有運輸不暢、車輛不足、矸石山管理不善易導致停工等缺點，加之排矸場使用周期不長、選址及占地手續繁瑣，治理成本較高。故國內外工程師和學者開始關注矸石充填開采技術的應用和發展[3-4]。

1 工程概況

根據山西煤炭運銷集團首陽煤業的實際生產情況，選取巷道充填矸石地點位于二采區(北翼)西邊界。該區域（約350 m×600 m）受8#陷落柱、羊頭山地面附屬建筑、玄青湖等因素影響不利回采，難以布置正規回采工作面回收資源，可作為巷道充填矸石點。充填區開采15#煤層，巷道埋深103 m～226 m，煤體單軸抗壓強度20 MPa，平均厚度4.3 m，煤層賦存穩定，自燃等級為Ⅱ級，礦井水文地質條件類型中等，屬低瓦斯礦井，煤層頂底板情況見表1。

對諧振式陀螺光學腔靈敏度的研究分析,通過優化DQ乘積的方式提升陀螺靈敏度,采用標準MEMS工藝,設計制作了直徑8 mm、Q值2.4×106大尺寸楔形諧振腔,可實現陀螺極限極限靈敏度達到55 °/h,滿足商業級應用的需求,為芯片級、集成化的新型諧振式微光學陀螺的研究奠定了實驗基礎。

2 巷道充填開采設計方案

2.1 巷道布置及施工順序

煤矸石井下巷道充填開采需先井下巷道的布置和施工，給煤矸石的充填提供運輸和作業空間，合理的巷道布置，可優化煤矸石充填工藝。結合15#煤層實際情況，充填巷采用綜掘機掘進，開口及局部過巖巷段采用炮掘工藝或松動爆破法，充填巷斷面為矩形，規格5 m×4 m，凈斷面積20 m2。巷道支護方式為“錨噴網梁+錨索”，掘進出煤采用（B=800）帶式輸送機。首陽煤業二采區煤矸石充填先期巷道布置及施工順序見圖1。

圖1 充填開采掘進巷道布置示意圖

巷道掘進順序如下

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（1）在現有15201探巷打設密閉，同時在距二采區輔助運輸巷口95.52 m的位置開口，平行于二采區膠帶巷施工316.76 m（幫至幫），隨后平行15104回風順槽掘進輔助運輸聯絡巷，與二采區輔助運輸巷貫通。全部施工完畢后，在15201探巷回風繞道前施工雙向風門，預留設風筒敷設至皮帶運輸位置，使掘進充填巷道實現獨立通風，滿足運輸及安全需求。

首陽煤業二采區煤矸石井下充填開采項目，具有一定的創新性，存在諸多技術難題需要解決，初步估算，需要投入科技研發費用約50萬元。本工程施工巷道工程量為7 388.69 m，均按煤巷進行計算，預計可回收原煤218 705.2噸，按照70%精煤率、370元/噸綜合售價(去除稅收及其他費用)計算，預計可實收5 664.47萬元；預計可充填矸石16.4萬噸(綜合原巖、煤矸容重考慮)，處理成本按照30元/噸（包含充填巷道掘進、支護費13元/噸、設備費11元/噸、運輸費4元/噸、其他費用2元/噸），可節省矸石處理費用492萬元。掘進與充填工程在回收煤炭資源的同時，還會產生施工費用，暫以一期工程進行統計核算，預計產生巷道工程費3315萬元，充填工程費579.14萬元(含電費、運輸及人員費等)；綜合以上計算，預計可產生收益1 770.33萬元。

（3）待15104工作面回采完畢后，為滿足15201工作面布置需求，在距15201探巷西側20 m自二采區輔助運輸巷由南向北施工一條巷道，取代原南北向巷道的進風、煤矸運輸功能，并將充填輔助巷西巷與原15104回風順槽貫通形成獨立回風系統。

2.2 矸石充填工藝

首陽煤業煤矸石充填系統為循環式充填，即在皮帶巷（矸石皮帶巷位置）先掘出充填輔助巷，構成全風壓系統，隨后邊充填邊掘進下一條巷道。矸石充填計劃采用CTS37.5/83型矸石充填輸送機（拋矸機）一部，拋射部分（電滾筒）功率11 kW，行走部功率7.5 kW，液壓泵站功率2×45 kW總功率108.5 kW，電壓1 140 V。充填具體流程如下：①號巷道作為矸石充填巷，矸石從二采區輔助運輸巷經皮帶運輸；②號巷道作為掘進工作面進行平行作業。以此類推，從北向南逐漸施工充填巷，若施工進度超前充填量時，應暫時予以密閉。煤矸石充填、掘進充填巷時運煤（矸）系統靠右側布置，左側則滿足運送矸石過無軌膠輪車的需求。考慮煤厚和對地面的影響等因素，充填矸石巷道間距暫定為20 m。在充填矸石后必須對地表變形情況進行監測，根據置換開采后地表的變形特點，對后續工程充填矸石巷道間距可適當調整。

圖2 煤矸石充填原理示意圖

巷道矸石充填可利用皮帶機、拋矸機等實現機械化快速充填。填矸巷皮帶機頭驅動裝置布置在巷道外頭，皮帶機反轉運行，機尾卸載，將矸石卸載到拋矸機尾部，經拋矸機拋矸將矸石填充到填矸巷內。拋矸機填滿一段巷道后，要向后移動，移動時，先將填矸巷皮帶機尾部縮短一定距離，隨即向后移動拋矸機，拋矸機后移到一個新位置后繼續拋矸充填巷道，這樣逐步完成一個充填循環，達到充填巷道之目的。煤矸石充填原理如圖2所示。

根據首陽煤業最大排矸量需求，按照每年原巖量約12萬噸（4.8萬m3，取原巖密度2.5 t/m3）計算，即松散體積需要7.2萬m3（巖石膨脹系數取1.5）。充填巷間保安煤柱為20 m，可布置填矸巷20條，總長5 920 m（平均每條長296 m），加之輔助巷道，預計實際長度為7 300 m（20條矸石充填巷、充填完畢后產生的廢巷，去除非充填區域），可充填空間為14.7萬m3，實際可充填9.85萬m3（考慮通風斷面，沉降后充填系數0.67），則在充填范圍內可充填約1.4年。根據充填工藝和設備能力計算，主要取決于無軌膠輪車運矸石能力，擬采用WC8E無軌膠輪車4輛，按照井下每車每30 min運送1次，地面每車每1 h運送1次，每日工作時長20 h，矸石充填系統日處理能力為560 t～1 120 t（取每車最大安全裝載7 t）。必要時，可臨時增設運輸車輛，以滿足排矸需求。矸石充填工程有關參數見表2。

煤矸石巷道充填開采既提高了礦井產量又避免了資源浪費，由于矸石充填方案的設計，矸石在井下運轉，不升坑或部分升坑，減少了矸石山占地、操作人員和機械設備。在當前國家對節能減排提出更高要求的情況下，具有良好的社會效益。

2.3 矸石充填工程參數

兔抗人Glut-1多克隆抗體、鼠抗人HIF-1α單抗、兔抗人p-Akt多克隆抗體及兔抗人PI3K-p85亞單位多克隆抗體(均由上海賽默飛世爾公司生產)。

表2 矸石充填工程有關參數一覽表

3 效益分析

3.1 經濟效益

（2）自20號充填巷向北掘進輔助充填巷Ⅰ-Ⅲ段，施工長度分別為500 m、296.76 m、500 m，施工完畢后在20號充填巷兩端施工臨時密閉。臨時密閉施工完成后，即可開掘進1號充填巷道，完畢后在東側施工調節風門。待2號充填巷道開掘時，可對1號充填巷實施填矸工序，實現邊掘進邊充填矸石。

3.2 社會效益

為充分利用地下空間、提高煤炭采出率，在第一期充填巷施工完成后，可在充填巷間煤柱中心線再掘進一條充填巷道，作為第二期充填巷，待第二期充填巷施工完成后，充填巷道間距變為7.5 m。但對于第二期充填巷施工期間的圍巖穩定性、矸石充填體的變形受力情況，以及地表的沉降變形、導水裂隙帶的發育高度等問題，需要做專項研究。若條件不滿足，可通過縮小第二期充填巷斷面積，或加強第一期充填巷支護設計。

4 結論

（1）對山西煤炭運銷集團首陽煤業二采區煤矸石井下充填方案進行了設計，包括巷道布置及施工順序、矸石充填工藝和矸石充填工程參數。

從表 1 可以看出：第一主成分在 X1、X2、X6、X10與X11上具有較大的載荷，說明第一主成分在一定程度上代表著經濟生活水平；第二主成分在X3、X4上具有較大的載荷，說明第二主成分在一定程度上代表著海洋漁業水平；第三主成分在X7、X8、X9上具有較大的載荷，說明第三主成分在一定程度上代表著居民收入水平。

（2）從經濟效益和社會效益兩方面對首陽煤業二采區煤矸石井下充填項目進行了效益分析，以一期工程進行統計核算，預計可產生經濟收益1 770.33萬元，同時具有良好的社會效益。

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