神東礦區井下回采矸石處理和地面矸石重復利用技術

高登云，李瑞群

(神東煤炭集團有限責任公司 生產管理部，陜西 神木 719300)

煤礦開采過程中會產生大量矸石，矸石排放到地面不僅占用大片土地，堆放時間過長還會發生自燃，對空氣和地面環境造成污染，同時也帶來了火災安全隱患。特別是在生態環境相對脆弱的西部礦區，由矸石排放帶來的環境危害更加嚴重，系統地解決由煤矸石處置帶來的環境問題，采取有效措施對矸石進行處理并加以利用，對于西部礦區生態環境保護意義重大。神東礦區一直高度重視煤礦開采區的環保工作，以技術創新推動綠色開采，針對煤矸石的處置問題，神東通過優化巷道設計和設備配套從源頭上減少矸石的產生，施工專用排矸巷用于排放井下可分裝分運的矸石，并在井下施工中再次利用這部分矸石，實現了矸石零升井；對于地面洗選出的矸石，重新輸送到井下用于充填開采，也可用作地面制磚材料。通過以上舉措的實施，解決了井下矸石處理和矸石排放帶來的環境污染問題，有效保護了西部礦區的生態環境[1-3]。

1 矸石分類

神東礦區煤層賦存穩定，傾角平緩，埋藏淺，礦井多為平硐或斜井開拓，采用盤區式布置方式，部分礦井直接采用大巷條帶式無盤區布置，井下巷道絕大部分采用煤巷布置。根據神東礦區井下矸石產生的來源不同，可將其分為井下可分裝的矸石和地面洗選產生的矸石。其中，井下可分裝的矸石主要是來自開拓巷道、過斷層沖刷等地質構造期間掘進巖石巷道產生的矸石，這些矸石容易分離出來，對這些矸石主要采用井下無軌膠輪車進行分裝運輸。洗選產生的矸石是指原煤從井下運出后經過洗選后產生的矸石，這種矸石在未經洗選之前很難從煤流中分離出來，目前神東礦區還無法在井下實現這些矸石的分裝分運，因此暫時也不能在井下直接進行利用，需要經地面洗選后再輸送到井下進行利用。

2 優化設計減少矸石產生

為了減少矸石的產生，神東礦區在巷道設計時遵循“能布置煤巷絕不布置巖巷”的原則，盡量將巷道布置在煤層中；當遇到沖刷或斷層等特殊地質構造時，采取“異形”工作面設計或跳采設計躲避開地質構造影響區域[4-6]，從而大大減少矸石的產生量。

2.1 過沖刷區域的工作面巷道優化設計

對于受到沖刷區域影響的煤體，為了減少矸石的產生，在工作面設計時通過優化巷道躲避開沖刷區域。以活雞兔井12上315-3綜采面設計為例，采取“異形”綜采工作面縮面設計，12上315-3“異形”綜采工作面設計如圖1所示，通過優化設計12上315-3面可減少掘進巖石巷道約300m，巷道掘進減少矸石產生量約6000m3，綜采工作面減少割巖矸石產生量52000m3。

圖1 12上315-3“異形”綜采工作面縮面設計

2.2 過斷層區域工作面巷道優化設計

對于受到斷層影響的區域，為了躲避過斷層而產生大量矸石，采用“異形”綜采工作面設計，以哈拉溝煤礦22408綜采工作面過斷層為例，該面同樣采用“異形”工作面設計如圖2 所示，在掘進和綜采期間合計減少產生矸石量25000m3。

2.3 過構造期間搬家跳采設計

對于受沖刷、斷層等地質構造影響十分嚴重的區域，無法采用“異形”工作面設計躲避開地質構造的情況，則采取跳采搬家的設計方法減少矸石產生。以柳塔煤礦22201綜采工作面為例，該工作面中部有斷層群發育，該面采用搬家跳采的設計，躲開斷層影響區域，大大減少了矸石的產生，如圖3所示。

圖2 22408綜采工作面過斷層“異形”布置

圖3 22201綜采工作面過斷層群搬家跳采

2.4 綜采面運輸巷機頭段與大巷平交設計

綜采工作面運輸巷機頭段與大巷以往通常采用立交設計，即綜采工作面機頭段巷道在大巷的上部層位掘進，這樣勢必要掘進巖巷，不可避免地產生大量矸石；通過優化后采用平交設計，降低了巷道割巖厚度，大大減少了掘進矸石的產生。以活雞兔井22310運輸巷機頭段巷道掘進為例，如果運輸巷機頭段采用立交布置方式，割巖量達到2300m3；而運輸巷機頭段采用平交布置方式，割巖量僅為670m3，可減少巖石掘進量1630m3，如圖4所示。

圖4 運輸巷與機頭段巷道掘進施工

3 井下可分裝矸石的處理和利用

對于井下可分裝的矸石，采取施工專用排矸巷在井下排放并在井下施工中直接利用的方法進行處置。

3.1 在井下邊角區域施工巷道排放矸石

工作面巷道與井田邊界或地質構造的邊角區域形狀通常不規則，無法采用綜采進行回收，可以選擇在這些區域施工排矸巷排放矸石。在工作面切眼與井田邊界區域施工排矸巷如圖5所示，在斷層附近施工排矸巷如圖6所示。井下排矸巷施工按照“就近原則”和“夠用原則”?！熬徒瓌t”是指在集中產生矸石的區域施工排矸巷；“夠用原則”是指排矸巷的施工滿足井下排矸使用即可，避免施工過多的無效巷道。

圖5 井田邊界區域的排矸巷布置

圖6 斷層附近區域的排矸巷布置

3.2 矸石在井下施工中的利用

矸石在煤礦井下主要用于風橋坡面充填和對強度要求不高的運輸巷機頭基礎充填，也可以用作墊路施工。

1)井下風橋施工。施工風橋時，需要在風橋橋面的兩側墊起坡面，坡面的施工材料選用井下矸石進行充填，如圖7所示。每施工一座風橋可消耗矸石90m3，不僅對井下矸石進行了處理，而且減少了施工材料的消耗，每施工一座風橋可節約費用約3萬元。

圖7 利用井下矸石施工風橋示意圖(mm)

2)井下墊路。井下路面的施工同樣可以利用矸石，例如掘進工作面有時遇到底板松軟的條件時，工作面極易形成大坑，可以利用矸石配合石子進行路面基礎回填。另外巷道在施工混凝土底板前，也需要整體調坡，對于較大的低洼點同樣可以利用矸石墊路。

4 地面洗選矸石的利用

對于地面洗選產生的矸石，經加工后再輸送到井下用于充填開采[7-15]，井下充填開采包括巷柱式充填開采和綜采面充填開采兩種工藝，目前神東礦區主要采用巷柱式充填開采，綜采面充填開采正在試驗階段。此外，地面洗選矸石還可以用作磚廠制磚材料。

4.1 矸石在巷柱式充填開采中的應用

4.1.1 充填開采設計

寸草塔礦22112工作面回撤輔巷與22煤輔運大巷之間的區域，平均煤厚2.8m，煤層傾角1°～5°，受沖刷影響無法布置綜采工作面，在該區域布置巷柱充填開采工作面，巷柱式充填開采巷道平面布置如圖8所示，平巷寬度5.4m，高度2.8m，每條巷柱長度30m。

圖8 巷柱式充填開采巷道平面布置(mm)

4.1.2 充填料的組成和配比

充填料為似膏體充填材料，其基本成分為：水泥、粉煤灰、矸石和水，水占總質量的20%，干料占80%，其中矸石占干料總質量的 80%，粉煤灰和水泥共占干料總量的 20%。矸石粒徑要求中粒(5～10mm)細粒(<5mm)比例為4∶6，粉煤灰與水泥的質量比為2∶1，膠結充填料漿的平均密度約為 1.9t/m3。經現場實測：充填膏體材料初凝3h，終凝時間7h，7d強度約4MPa，即可鄰近開采。

4.1.3 材料制備

采用多管路同時充填的方法，縮短單管充填距離，保證充填效果，充填材料制備工藝如圖9所示。

圖9 充填材料制備工藝流程

4.1.4 充填管路

井下注漿泵出口壓力要求達到15～16MPa，主管路使用?219無縫鋼管，支管選用?108膠管。充填要保證連續性，一次接頂；在充填時采用多管路同時充填的方法，縮短單管充填距離，保證充填效果。

4.1.5 充填作業

充填作業采用邊采邊充、采1留2的開采工藝。每班回采1條巷柱30m，早班一次充填完畢。第1條巷柱回采后，應在同側隔2條巷柱的位置再回采，中間煤柱寬度不少于10m，有效防止頂板支承壓力的傳遞，以此類推，待第16條巷柱回采完畢后，第1條充填后的巷柱凝固8d時間，強度已滿足支護要求，開始回采其相鄰巷柱。

4.2 綜采面充填開采

除了采用巷柱式充填外，神東煤炭集團也在積極探索在綜采工作面實施充填開采，這種充填工藝是利用專門的矸石充填液壓支架，將地面洗選矸石通過鉆孔輸送到井下，再通過帶式輸送機運至工作面實施充填作業。

4.3 利用矸石制磚

矸石除了在井下作為工程材料使用外，還可以升井作為紅磚的制作材料進行利用。例如神東煤炭集團大柳塔煤礦每年為大柳塔鎮前柳塔村磚廠提供用于燒磚的矸石45萬t，每年可為磚廠節約材料費用180萬元，帶動了地方經濟的發展，實現了矸石變廢為寶。

5 結 語

神東礦區采用綜合矸石處理和利用技術，采取設計源頭優化、綜采設備合理配套、井下矸石的排放和利用、充填開采利用等多種手段，實現了井下矸石“零升井”和矸石的重復再利用，解決了礦井矸石排放造成的環境問題，有效地保護了西部礦區自然環境。