東曲礦充填開采工藝技術(shù)研究

曹 冬 冬

（西山煤電（集團(tuán)）有限責(zé)任公司安監(jiān)局，山西 太原030053）

0 引 言

充填開采可以利用井下出煤的廢矸石，將其充填到井下工作面回采后形成的采空區(qū)當(dāng)中，對(duì)垮落的頂板上覆巖層形成支撐作用，以達(dá)到改善采空區(qū)圍巖應(yīng)力狀態(tài)的目的。礦井通過采用充填開采技術(shù)，不僅能夠達(dá)到減少地面矸石山堆置、防治污染的目的，而且具有最大程度低回收資源以及減輕地表采空區(qū)塌陷、保護(hù)村莊、恢復(fù)生態(tài)、保障耕地的作用，充填開采是對(duì)于礦井的綠色開采和可持續(xù)發(fā)展具有積極重要的意義。盡管目前在金屬礦山開采中，充填開采已經(jīng)十分普遍，其技術(shù)也十分成熟，而在煤礦開采中，充填開采技術(shù)尚未進(jìn)行普及，并且各礦地質(zhì)條件、生產(chǎn)狀況差異較大。因此，必須根據(jù)各個(gè)煤礦現(xiàn)場(chǎng)具體情況，進(jìn)行具體的充填開采工藝設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

1 礦井概況

東曲礦是山西焦煤西山煤電所屬的大型國(guó)有礦井，位于山西省古交市市區(qū)東南側(cè)，東距山西省省會(huì)

太原市約56km。井田南北長(zhǎng)約10km，東西長(zhǎng)7km，面積57.9km2，核定產(chǎn)能4.00Mt/a。太古嵐鐵路線由井田

北部經(jīng)過，并且布置運(yùn)煤站臺(tái)及專線與其相連接，太古公路由井田西部經(jīng)過，礦井交通非常便利。

礦井主要可采煤層有2#、4#、8#、9#煤層，采用平硐開拓、條帶式開采的方式，開采水平為+973 水平、+860 水平、+750 水平等三個(gè)水平。礦井通風(fēng)采用分區(qū)抽出方式，進(jìn)回風(fēng)井布置“八進(jìn)五回”。

礦井水文地質(zhì)類型劃分為中等，礦井瓦斯絕對(duì)、相對(duì)涌出量分別為133.40m3/min、18.19m3/t，屬高瓦斯礦井。煤層自燃傾向等級(jí)方面，2#為Ⅱ類自燃煤層，4#、8#、9#煤層均為Ⅲ類不易自燃煤層。礦井地溫正常。

2 充填開采概況

目前礦井主采2#、8#煤層，其中八采區(qū)8#煤層的埋深在309～350m 范圍內(nèi)，煤厚在1.52～5.04m 范圍內(nèi)，平均4.45m，夾矸1-2 層，含矸率較大。8#布置12個(gè)工作面，目前已回采2 個(gè)工作面，現(xiàn)回采28808 工作面，尚有規(guī)劃的10 個(gè)工作面還未開采，其可采儲(chǔ)量約8.05Mt。八采區(qū)8#煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 八采區(qū)8#煤層頂?shù)装鍘r性情況

礦井排矸量1.50Mt/a，其中大粒徑矸石0.30Mt/a，小粒徑矸石1.20Mt/a，平均排矸費(fèi)用約3 400 萬元/年，平均矸石治理費(fèi)用約4 500 萬元/年。而八采區(qū)8#煤層的含矸率在40%左右，因此規(guī)劃先對(duì)八采區(qū)8#煤層進(jìn)行充填開采，以構(gòu)建地面洗選、矸石運(yùn)輸與井下充填的礦井充填開采完整體系，從而達(dá)到選煤廠矸石運(yùn)輸?shù)骄戮偷靥幚淼哪康摹?/p>

3 矸石運(yùn)輸方案

3.1 地面矸石運(yùn)輸方案

礦井選煤廠產(chǎn)出倉(cāng)下矸石的主要來自于主洗車間的水洗矸和準(zhǔn)備車間的大塊矸石，其中來自于主洗車間的水洗矸通過1201 皮帶輸送機(jī)運(yùn)至水洗矸石倉(cāng)，來自于準(zhǔn)備車間的大塊矸石通過261 皮帶輸送機(jī)運(yùn)至大塊矸石倉(cāng)，水洗矸石倉(cāng)和大塊矸石倉(cāng)的倉(cāng)下矸石運(yùn)輸方式均為汽車運(yùn)輸。因此，地面矸石破運(yùn)方案分為以下兩個(gè)部分，其中大塊矸石維持目前矸石破運(yùn)系統(tǒng)，對(duì)水洗矸的運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)行管狀皮帶運(yùn)輸機(jī)改造。

將現(xiàn)有的1201 皮帶機(jī)按現(xiàn)在的角度16°向前延伸47m，新建一個(gè)水洗倉(cāng)φ15m×48m，地下5m，倉(cāng)的容量約為7500t，倉(cāng)下設(shè)有給料機(jī)，水洗矸通過管狀皮帶輸送機(jī)運(yùn)至井口，與井下皮帶機(jī)搭接，皮帶機(jī)的參數(shù)與井下的皮帶機(jī)配套，其中管狀皮帶帶寬B=1350mm，管徑φ350mm，運(yùn)量Q=800t/h。同時(shí)在管狀皮帶安裝太原鑫隆瑞電子科技有限公司生產(chǎn)的全懸浮電子皮帶秤LCS-XF，進(jìn)行計(jì)量測(cè)算返運(yùn)至井下矸石的數(shù)據(jù)。由于沿路有多處穿過馬路，而且場(chǎng)地上有兩條排洪涵，因此皮帶地上、地下兩部分，地下采用鋼筋砼箱涵結(jié)構(gòu)。

設(shè)備供電由東曲選煤廠和東曲礦各帶一部分，設(shè)皮帶保護(hù)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、就地PLC 控制箱、中央控制柜。選煤廠新建水洗倉(cāng)倉(cāng)上及倉(cāng)下設(shè)備，電源(380V)取自主廠房1#變電所。主廠房配電室增加：變頻器柜1 臺(tái)、低壓開關(guān)柜5 臺(tái)。高壓電源取自+973配電室6kV 配電柜，管狀皮帶驅(qū)動(dòng)機(jī)房新增一臺(tái)KBSGZY1000/6/1.2 移變供管狀皮帶電源。

3.2 井下矸石運(yùn)輸方案

新施工一排矸通道，與井下現(xiàn)有高抽運(yùn)輸巷貫通，實(shí)現(xiàn)地面矸石入井，其中排矸通道全長(zhǎng)2 108m，巷道凈寬4.2m（表土段110m，巖巷577m，煤巷1 422m）；高抽運(yùn)輸巷反向延伸192m，全部為巖巷。實(shí)現(xiàn)矸石運(yùn)輸?shù)匠涮罟ぷ髅婀残? 部帶式輸送機(jī)，帶式輸送機(jī)參數(shù)如下：帶寬1 000mm，帶速3.15m/s，能力800t/h。

4 綜采充填工作面概況

首充28802 工作面地面位于麻坪嶺村莊東南，蓋山厚度192～340m，工作面東、西、北、南方向分別與已回采的28804 工作面、已規(guī)劃的28802-1 工作面、大巷保護(hù)煤柱、+860 水平西翼軌道巷相鄰，上覆2#、4#煤層工作面已開采完畢，4#煤層與8#煤層之間的層間距在77～80m 范圍內(nèi)。工作面所掘進(jìn)8#煤層屬上石炭統(tǒng)太原組煤層，煤層平均厚度4.45m，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，煤層厚度變化不大，屬穩(wěn)定煤層。工作面兩順槽及28802 回風(fēng)措施巷沿8#煤層頂板跟頂掘進(jìn)。28802 工作面利用+860 水平東翼下組煤系統(tǒng)，工作面順槽與

+860 東翼下組煤皮帶巷、+860 東翼下組煤軌道巷、八采邊界回風(fēng)巷、860 高抽運(yùn)輸巷等溝通形成系統(tǒng)，28802 工作面的軌道順槽、皮帶順槽和切眼的長(zhǎng)度分別為1085m、1054m 和125.5m，28802 回風(fēng)措施巷長(zhǎng)1105m，28802 軌順聯(lián)絡(luò)巷長(zhǎng)138m，28802 皮順聯(lián)絡(luò)巷利用28804 皮帶順槽的聯(lián)絡(luò)巷，28802 回風(fēng)聯(lián)絡(luò)巷長(zhǎng)175m。對(duì)軌道順槽和切眼設(shè)計(jì)要求拉低300mm，并進(jìn)行混凝土鋪底硬化，厚度300mm，混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)C30，滿足膠輪車運(yùn)輸要求。

5 綜采充填工藝方案

5.1 充填采煤平行作業(yè)工藝

矸石充填作業(yè)在緊隨采煤作業(yè)進(jìn)行，按順序啟動(dòng)充填刮板輸送機(jī)、運(yùn)矸膠帶輸送機(jī)等機(jī)電設(shè)備，對(duì)工作面采空區(qū)進(jìn)行充填作業(yè)。矸石運(yùn)輸主要通過地面選煤廠、地面矸石運(yùn)輸系統(tǒng)、井下矸石運(yùn)輸系統(tǒng)、順槽轉(zhuǎn)載皮帶，最后轉(zhuǎn)運(yùn)到工作面充填刮板輸送機(jī)，井下矸石的充填過程是充填物料被布置于充填刮板輸送機(jī)上的卸料孔充填進(jìn)采空區(qū)當(dāng)中，再通過推壓機(jī)把矸石等充填物料壓密并與采空區(qū)接頂。充填工作面采煤與充填平行作業(yè)，準(zhǔn)備充填支架調(diào)整時(shí)間，充填采煤作業(yè)時(shí)序如圖1 所示。

圖1 充填采煤作業(yè)時(shí)序示意圖

5.2 充填作業(yè)流程

在采煤機(jī)截割煤壁一段距離之后，進(jìn)行充填作業(yè)，其主要工藝流程有以下幾個(gè)方面：

1）采煤機(jī)截深800mm，按照正規(guī)循環(huán)作業(yè)進(jìn)行操作，在采煤機(jī)截割5 架支架的距離后，將這5 架支架進(jìn)行推架操作，并進(jìn)行充填作業(yè)前的相關(guān)設(shè)備檢查工作。

2）按順序啟動(dòng)充填刮板輸送機(jī)、運(yùn)矸膠帶輸送機(jī)等機(jī)電設(shè)備。

3）沿著充填刮板輸送機(jī)的機(jī)尾到機(jī)頭進(jìn)行充填作業(yè)，首先開啟器機(jī)尾的1 號(hào)到5 號(hào)卸料孔投放矸石等充填物料，來充填其后方的采空區(qū)區(qū)域，直至其下方鏈條將充填物料拉平到一定高度之后，此時(shí)將1 號(hào)卸料孔關(guān)閉，同時(shí)開啟推壓機(jī)把投入采空區(qū)的矸石等充填物料壓密并接頂。

4）重復(fù)上述工序依次開啟2、3、4、5#卸料孔投放充填物料，并依次分別采用推壓機(jī)把投入采空區(qū)的矸石等充填物料壓密并接頂。

5）跟隨采煤機(jī)截割過程、支架移架的采煤作業(yè)工序，充填工序按照上述1#到5#卸料孔開閉及推壓機(jī)壓密接頂工序，依次重復(fù)這一工序進(jìn)行操作直至對(duì)機(jī)頭后方采空區(qū)充填作業(yè)結(jié)束并關(guān)閉各個(gè)卸料孔后，這一輪充填作業(yè)結(jié)束，并根據(jù)采煤作業(yè)進(jìn)行下一輪的充填作業(yè)。

充填作業(yè)工序流程如圖2 所示。

圖2 充填作業(yè)工序流程示意圖

圖3 所示為充填作業(yè)斷面示意圖。

圖3 充填作業(yè)斷面示意圖

5.3 采煤充填工藝

該面采用單一厚煤層一次采全高傾斜長(zhǎng)壁后退式采煤法，用矸石充填方法控制采空區(qū)頂板。

1）采充工藝。①采煤工藝順序：雙滾筒采煤機(jī)割煤→刮板輸送機(jī)運(yùn)煤→液壓支架支護(hù)頂板→推移刮板輸送機(jī)；②充填施工工藝：機(jī)尾拉移支架→運(yùn)矸皮帶與后部刮板運(yùn)輸機(jī)搭接→工作面中間依次充矸→依次搗實(shí)→機(jī)頭、機(jī)尾充矸搗實(shí)（注：端頭支架對(duì)采空區(qū)充填不密實(shí)時(shí)，要安排人工對(duì)上下端頭攉矸充填）；③充矸搗實(shí)過程：本架漏矸多次→本架搗實(shí)多次→鄰架漏矸多次→鄰架搗實(shí)多次，多次漏矸，多次搗實(shí)，直至采空區(qū)充填物料充分接頂并充搗壓實(shí)，達(dá)到設(shè)計(jì)壓力為止（24MPa 以上）。

2）運(yùn)矸方式。矸石經(jīng)選煤廠水洗倉(cāng)→管狀皮帶→排矸通道→860 高抽運(yùn)輸巷→28802 工作面軌道順槽，再經(jīng)SGBC764/2×200 型填矸輸送機(jī)到達(dá)工作面充填區(qū)域。

3）落煤方式。采用MG500/1200-WD 型太礦采煤機(jī)雙向穿梭采煤，前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤，滾筒自旋使其截齒將煤破碎，截深800mm。

4）裝煤方式。利用機(jī)組滾筒螺旋葉片和運(yùn)輸機(jī)鏟煤板將煤自行裝入運(yùn)輸機(jī)。

5）運(yùn)煤方式。工作面采用SGZ-900/1050 型雙中心鏈可彎曲刮板輸送機(jī)、28802 皮帶順槽采用SZZ900/315 型刮板轉(zhuǎn)載機(jī)和SSJ-1200/2*315 型皮帶機(jī)運(yùn)煤。

6）工作面支護(hù)。工作面主體支護(hù)設(shè)備是ZC9100/30/55 型液壓支架，兩端頭各使用一套ZZTC19340/30/43 型端頭支架支護(hù)，上下巷20m 內(nèi)使用ZTC40000/25/45 型超前支架；采用矸石充填控制頂板下沉。

6 結(jié) 語

按照礦井排矸量1.50Mt/a，礦井排矸系統(tǒng)費(fèi)用約每年8 000 萬元，對(duì)其進(jìn)行充填開采改造后成本約每年6 000 萬元，可節(jié)省成本約每年2 000 萬元。本次東曲礦充填開采改造具有良好技術(shù)條件、較好的經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)水平，有著良好的經(jīng)濟(jì)技術(shù)效果。此外，通過本次充填開采改造還對(duì)山西省其他礦井及“三下”采煤具有一定的借鑒作用，有著良好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。