中峪礦井井下矸石分選充填系統設計

郭立斌

(中國煤炭科工集團 北京華宇工程有限公司，北京 100120)

煤矸石作為煤炭開采的固體廢棄物，其資源化利用越來越重要，不僅要考慮地面綜合利用，更重要的是應考慮井下減排和井下利用。中裕礦井是正在建設的大型現代化礦井，開采條件較為復雜，矸石排放量較大。實現矸石的井下分選和充填利用，是建設安全高效綠色礦井的必然要求，也是建設綠色礦山、實現煤炭高質量發展的必然選擇[1]。因此，從設計源頭上考慮井下矸石分選充填系統設計，創造條件實現井下分選，井下充填，減少煤矸石排放，提高煤矸石的井下綜合利用率就成為礦井設計中的重要環節。

1 礦井概況

中峪礦井位于山西省中南部的長治市沁源縣和臨汾市安澤縣、古縣三縣交界處，是正在規劃建設的大型現代化礦井，設計生產能力500萬t/a[2]。井田主要可采煤層為山西組的1、2號煤層和太原組下部的9+10、11號煤層，其中1號煤層為薄煤層，其余煤層為中厚煤層。礦井煤層埋深較大，部分煤層受到奧灰巖溶水威脅，存在煤與瓦斯突出危險性。因此在設計中應充分考慮以上災害的防范。

設計確定南翼投產南一采區，北翼投產北一采區。薄煤層和中厚煤層均采用一次采全厚長壁采煤法，全部垮落法管理頂板。設計投產約3年后考慮充填開采以解決矸石處置問題，同時對水害、瓦斯、沖擊地壓將起到明顯的抑制作用。

2 井下矸石分選充填特點

矸石井下充填屬于煤矸石的直接利用技術，也是減少矸石排放、加強矸石利用的第一選擇，該技術從源頭上減少矸石出井，最大限度將煤矸石用于礦井回填，用煤矸石置換出煤炭，使矸石利用率達到90%以上，是目前最好的矸石處理方式[3]。該技術在河北、山東和山西等煤礦已經成功實施，許多煤礦企業積極探索并實施了煤矸石充填開采工藝技術，集成創新了較為成熟的充填技術和裝備，提高了資源回收率，取得了良好的社會和環境效益[4]。

煤矸石充填適用條件：①“三下采煤”，由于人口和經濟發展迅速，造成 “三下”壓煤量越來越多，采用煤矸石充填技術，起到支撐頂板、防止地面沉陷和水平變形的作用，提高資源回收率；②非“三下采煤”，煤矸石也可用于非“三下”采煤工作面采空區充填，如掘進巷道充填、長壁工作面采空區充填和廢棄巷道充填。

3 中峪礦井井下分選充填設計

3.1 井下矸石分選技術

井下矸石分選技術是破解傳統煤炭生產環境問題的關鍵技術之一，是我國選煤工業的一個科學發展方向。其特點是：將選煤系統建設在井下硐室和巷道中，在井下完成煤矸分離，矸石作為井下充填原料，或直接充填采空區，僅需要將精煤產品升井至地面倉儲。近年來，固體充填技術的迅速發展為井下矸石分選技術提供了技術支撐[5]。通過采煤、選煤、充填技術的集成和耦合，實現采選充一體化，既處理了矸石廢棄物，又能提高煤炭資源回收率，實現低碳、循環、綠色發展[6]。國家能源局、財政部、國土資源部和環境保護部在2013年1月9號聯合發布的《煤礦充填開采工作指導意見》中提出：鼓勵新建煤礦在井下進行毛煤預排矸或建設井下選煤系統，矸石直接在井下用于充填開采。很多煤礦企業已經進行了一些井下選煤的實踐，分別采用了井下選擇性破碎、跳汰、重介淺槽及智能干選實現了井下塊煤排矸，積累了寶貴的工程經驗[7，8]。TDS智能干選機可根據煤質情況靈活調整“選煤”還是“選矸”。矸少的時候，TDS“選矸”；矸多的時候，TDS則可以 “選煤”，可以靈活切換，“誰少選誰”。

3.1.1 分選原理

設計根據礦井原煤篩分資料與TDS智能干選實際操作經驗預計：礦井粒徑大于50mm的矸石預計占原煤總量的12%，約0.60Mt/a。設計對全礦井原煤全部進行分選，分選出粒徑50mm以上的矸石直接在井下排矸。為此，在井底煤倉兩側的南、北翼帶式運輸大巷分別布置1套煤矸分選系統。原煤經運煤帶式輸送機進入TDS智能干選機處理50～300mm粒徑的大塊煤矸；原煤經篩孔50mm的篩分機篩分后，篩下物(粒徑小于50mm末煤)進入運煤帶式輸送機；篩上物(+50mm)通過溜槽進入TDS智能干選系統，分選后的矸石落入TDS下部的運矸帶式輸送機進入選矸儲料倉(D5.0m)，分選出的塊煤與篩下物(粒徑小于50mm末煤)一起通過運煤帶式輸送機進入井底煤倉，如圖1所示。需要充填供料時，倉內矸石經儲料倉下口甲帶給料機放出，相繼進入矸石聯絡巷、進風大巷的運矸帶式輸送機運輸至南翼掘進矸石儲料倉內，與掘進矸石一起備用充填作業。

圖1 TDS智能干選機原理

3.1.2 分選工藝流程

南翼大巷帶式輸送機在距離機頭卸載316m處設置固定卸料車，通過帶翻板的分叉溜槽將原煤轉載至上分級篩運煤帶式輸送機，原煤經上分級篩運煤帶式輸送機運輸至原煤分級篩進行篩分，-50mm的末煤經篩下運煤帶式輸送機轉載至南翼大巷帶式輸送機進入井底煤倉。篩上+50mm原煤經過兩臺振動布料器進入TDS智能干選機分選，分選后的矸石經去矸石倉運矸帶式輸送機運至南翼分選矸石倉倉口，經篩分破碎后進入矸石倉，矸石倉下口設甲帶給料機，矸石經倉下運矸帶式輸送機轉載至+270m水平南翼進風大巷運矸帶式輸送機進入掘進矸石運輸系統。分選后的煤經篩下運煤帶式輸送機轉載至南翼大巷帶式輸送機進入井底煤倉。井下煤矸分選系統工藝流程如圖2所示。

3.1.3 分選系統設備

井下煤矸分選系統的主要設備由上分級篩運煤帶式輸送機、原煤分級篩、振動布料器、TDS智能干選機、篩下運煤帶式輸送機、去矸石倉運矸帶式輸送機、重型篩分機、 礦用分級破碎機、倉下甲帶給料機、 倉下運矸帶式輸送機構成，其中TDS智能干選機是整個分選系統的關鍵設備。

圖2 井下煤矸分選系統工藝流程圖

TDS智能干選機不同于傳統選煤方法，它不是按密度差異進行分選的，而是采用大數據計算和智能識別技術，針對不同的煤質特征建立與之相適應的分析模型，采用X射線源對煤與矸石進行數字化識別，最終通過高靈敏高可靠執行機構將矸石(或煤)排出。中峪礦井TDS智能干選機設計處理50～300mm粒徑的大塊煤矸，處理能力260t/h，功率108kW。

3.2 井下矸石充填系統

3.2.1 長壁工作面充填開采特點

近年來，井下矸石充填的方法和技術發展迅速，其中長壁工作面充填開采、巷道式充填開采、旺格維利采煤方法充填、廢舊巷道矸石充填等多種充填方法和技術，都得到了較為成功的應用[9，10]。針對該礦井復雜的地質條件，經綜合分析對比，設計選擇長壁工作面充填開采[11]，其特點如下：

1)有效地避免矸石地面排放帶來的環境問題，具有較好的環境效益。

2)抑制煤層及頂底板的動力現象，減輕煤炭開采對地表的影響，減少和避免地表塌陷；對于控制導水裂隙帶及底板破壞深度發育，實現承壓水上安全開采較為有利。

3)減少沖擊地壓幾率、瓦斯積聚空間，降低采空區突水、瓦斯爆炸、有害氣體突出、浮煤自燃等事故發生可能性，提高礦井安全保障程度。

生產中也可以考慮綜合充填工藝[12-15]，逐步試驗在地面保護區下充填開采，實現資源回收與地面保護的雙贏。

3.2.2 井下矸石運輸及充填系統

礦井南北兩翼的掘進矸石均通過布置于進風大巷中的帶式輸送機運輸匯總至南翼掘進矸石儲料倉(D6.0m，+270m水平進風大巷與南一采區進風上山交叉位置)，在儲料倉上口布置破碎篩分機，粒徑100mm的矸石篩分后直接落入料倉內，100mm粒徑以上的矸石進入破碎機破碎至粒徑100mm以下后再落入料倉。需使用矸石充填物料時，從儲料倉下口經給料機放出，通過帶式輸送機連接進入井下充填矸石輸送系統。

3.2.3 井下矸石充填系統工藝流程

矸石充填儲料倉倉下口設甲帶給料機，矸石經矸石充填斜巷運矸一部帶式輸送機、矸石充填斜巷運矸二部帶式輸送機、南一采區2煤軌道上山一部運矸帶式輸送機、南一采區2煤軌道上山二部運矸帶式輸送機、南一采區2煤回風巷道運矸帶式輸送機到達工作面運矸巷道，通過運矸巷道內的轉載輸送機、多孔底卸式輸送機輸送、充填采空區。

3.2.4 充填工作面設備選型

1號煤層屬于薄煤層，目前充填工藝無法達到理想充填效果，故考慮3年后2號煤層及后期下組煤采用充填開采以解決矸石處置問題。設計初期針對2煤綜采工作面進行改造，形成工作面前部采煤，后部使用多孔底卸式輸送機等實現采空區矸石充填，即采用綜合機械化固體充填采煤工藝。矸石充填工作面采煤設備，要與原有的2煤工作面采煤設備相匹配，達到生產效率和經濟效益的最大化。

1)2號煤層工作面原有液壓支架更換為ZC9600/16/36四柱支撐式充填采煤液壓支架，選用電液閥控制，主要技術參數為：支護高度1.6～3.6m，工作阻力9600kN，初撐力7752kN，質量約35t/架。

2)多孔底卸式輸送機選用SGBC764/250型，主要技術參數為：設計長度155m，運輸能力500t/h，卸料孔尺寸345mm×460mm，電機功率250kW，額定電壓1140V。

3)自移式充填物料轉載輸送機選用GSZZ-800/15型，主要技術參數為：運輸能力500t/h，帶寬0.8m，v=2.5m/s，邁步自移行程10m，卸載高度2.2～4.1m，電機功率15kW，額定電壓1140V。

4 結 語

綠色發展是煤炭規劃發展的迫切要求和重要理念，作為開采條件復雜的現代化大型礦井，中峪礦井設計從源頭上減少煤矸石排放，創造條件實現井下分選，井下充填，提高煤矸石的井下綜合利用率，實現生態環境與經濟效益的和諧統一，為相似條件下煤礦井下分選充填設計應用提供了可靠借鑒，得到了設計評估單位及建設單位的高度評價。