矸石充填工藝應用與地表巖移變形的研究

姚波

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺054000）

0 引 言

近年來，隨著“三下”采煤技術的發展，綠色采煤理念日趨重要，礦井排出的矸石直接堆放到地面，本文以冀中能源股份業有限公司邢東礦為工業背景，根據礦井實際條件，從井下洗選及矸石就地回填的思路出發，研究開發了一整套井下預排矸系統及矸石回填系統，實現了回收建筑物下壓煤及保護耕地的雙贏局面，形成了完善的采煤、洗煤、矸石回填一體化的循環系統。

1 煤礦井下煤矸分離工藝研究

由于受到井下地質條件、特殊環境及硐室空間等條件的限制，地面選煤廠的分選系統、工藝及關鍵設備不能直接應用于井下，井下煤矸分選系統必須在滿足井下煤矸分選能力基礎上，簡化系統布置及分選工藝，優化設計關鍵分選設備結構，使其滿足井下特殊環境及有限空間的限制，并根據井下實際情況，盡可能采取模塊化設計。

根據上述要求，綜合考慮地面選煤廠現有的選擇性破碎工藝、跳汰選煤、重介質選煤等方法，通過對工藝與設備的研究創新，研發了1套井下跳汰排矸選煤工藝。

該跳汰選煤系統入料粒度范圍較寬，處理能力也較大，工藝相對比較簡單，設備操作、維修比較方便，此外該工藝采用煤與矸石在水介質中分選，符合井下安全防火要求，滿足煤炭井下分選的目標。工作面出來的毛煤通過篩縫75 mm的篦子，將大塊送入分級破碎機進行破碎，小于30 mm末煤直接落入末煤倉，落入刮板篩分機的原煤在運輸過程中經過篩分段（篩縫25 mm）進一步篩分，小于25 mm的末煤經刮板篩分機的下層返回末煤倉，上層刮板上的原煤（25～200 mm）經機頭溜入排矸跳汰機進行洗選，分選出合格的塊精煤產品和純矸石。經由雙通道彎曲脫水鏈斗機脫水，脫水后所得精煤產品落入精煤皮帶，矸石經由矸石轉載皮帶落入矸石刮板輸送機，運至矸石倉，如圖1所示。

圖1 井下跳汰排矸系統工藝流程示意Fig.1 Underground jigging and gangue removal system process flow

2 井下矸石利用工藝研究

2.1 矸石利用方案的確定

近年來，利用矸石回填技術進行三下煤開采主要有2種模式。一是采用巷采充填采煤技術，以巖巷、半煤巖巷掘進過程中產生的矸石或者煤炭中的矸石等作為充填材料，通過在井巷保護煤柱、條帶開采留設煤柱等煤柱中掘進充填巷，采出部分煤炭，再利用矸石充填輸送機將矸石充入充填巷，達到置換煤炭資源、控制地表沉陷、實現矸石不出井的目的。二是采用綜采工藝與矸石機械化充填工藝相結合的綜采矸石充填采煤方法，將煤礦“掘、采”二元開采技術體系提升為“掘、采、充”三元開采模式。為提高采區回采率和開采效率，綜合考慮煤炭資源回收率、礦井開采強度、地表沉降以及機械化開采的要求，我們選擇了矸石充填采空區綜合機械化采煤工藝為矸石利用方案。

2.2 矸石處理工藝

（1）矸石粒度選擇。

根據現場實測、實驗室與理論分析研究，確定充填矸石大小小于150 mm混合粒徑級配即可，作為充填矸石小于200 mm混合粒徑級配即可，同時要求破碎矸石不再進行二次篩分。

（2）井下矸石充填運輸系統。

為節約成本，該礦采用矸石倉裝罐，經罐裝運輸至翻罐籠，再由刮板輸送機運輸至水平砟倉的方式，實現矸石由洗選系統運輸至充填系統的目的，然后通過固定在工作面充矸水平機尾的耙巖機，將水平砟倉中的矸石運輸至充矸皮帶，再經充矸皮帶運輸至工作面充填。

洗選后的矸石運輸系統平面圖如圖2所示。

圖2 洗選后的矸石運輸系統平面示意Fig.2 Plane of gangue transport system after washing

在充矸皮帶機尾，設計了1個自移式轉載設備（圖3），可將充矸皮帶上的充填料運輸到充填開采輸送機的機尾上。自移式轉載機與充矸皮帶機尾有3 m的重疊長度，在這3 m距離內只是移動自移式轉載機，而不移動充矸皮帶機尾，避免頻繁移動充矸皮帶機尾影響到充填采煤的效率。

圖3 自移式轉載設備結構原理示意Fig.3 Self-moving transfer equipment structure principle

（3）矸石充填系統及工藝。

采空區矸石充填工作主要由矸石運輸機及充填搗實機構共同完成。矸石經充矸皮帶及自移式轉載機運至工作面架后矸石充填運輸機上，再通過SGZ-730/132X2型填矸輸送機將矸石運輸至待填充區域，通過卸料孔將矸石卸載至采空區，最后通過搗實機構將矸石充分搗實并完全接頂。

為提高矸石充填的自動化程度和矸石充填的質量，節省人力成本，在矸石充填工作面安裝充填支架電液自動控制系統，通過自動協調匹配或人工遠程干預方式，在工作面現場操作無人條件下實現“矸石回填自動控制”生產工藝流程，通過支架壓力傳感器，角度傳感器，行程傳感器以及落料高度檢測傳感器將數據傳回中央控制器，依靠控制程序實現對矸石充填率和壓實度的條件判斷，保證了充填效果達到設定要求。充填之間電液系統不僅提高了充填作業效率和工作面整體推進速度，同時也減輕了操作工人的勞動強度，節約了用工成本，提高了充填效果。

3 工程應用

邢東礦將礦井工作面采出的毛煤通過井下洗選系統篩選，跳汰出的矸石經罐裝運輸至1200采區矸石充填工作面集中回填，整套系統在井下形成了“采煤—洗選—充填—采煤”的循環閉合體系，形成了邢東礦特有的采選充一體化系統。自2012年11月開始，在1200采區東翼實施矸石充填工作面回采，至今共布置2個工作面，均完成充填回采。實現平均每月出煤4 500 t，處理矸石5 400 t，實現降低毛煤灰分4%。

邢東礦1200采區共布設AN、BW兩條觀測線，158個觀測點的地表移動觀測站，從觀測結果來看，隨著采空區范圍擴大，采動影響對地表的破壞程度也逐漸加強，截至2016年6月28日，地表各觀測點的移動變形對建筑物破壞等級屬于Ⅰ級破壞程度。

3.1 觀測結果

（1）下沉量，AN線最大下沉點AN33、下沉量-301.8 mm，BW線最大下沉點BW61、下沉量-301.9 mm。

（2）傾斜變形，AN線傾斜變形極值正向+1.142 mm/m（AN28～AN29）、負向-1.172 mm/m（AN47～AN48）。BW線傾斜變形極值正向+1.603 mm/m（BW100～BW101）、負向-1.184 mm/m（BW44～BW45）。

（3）水平變形，AN線拉伸變形極值1.124 mm/m（AN59～AN60），壓縮變形極值-1.521 mm/m（AN36～AN37）。BW線拉伸變形極值0.193 mm/m（BW83～BW84），壓縮變形極值-1.521 mm/m（BW58～BW59）。

3.2 地表巖移特征

（1）下沉，AN各觀測點下沉未呈明顯全盆地形狀。BW線各觀測點的下沉曲線近似成直線狀，下沉近似呈全盆地形狀。

（2）傾斜變形，AN、BW線各觀測點的傾斜變形規律性較差、傾斜變形的方向不穩定、零值點很難確定。

（3）水平變形，AN、BW線各觀測點的水平變形隨井下采空區的變化而不停變化，其規律性較差。

在邢東礦1200東翼工作面附近建立了2條觀測線充填工作面回采至今，通過對各觀測站的持續觀測，各觀測點的最大下沉量為-301.9 mm，下沉速度值較小，傾斜變形、曲率變形、水平移動及水平變形對地面建筑物的破壞程度基本屬于Ⅰ類破壞程度，保證地面建（構）筑物的正常使用。

4 結 語

煤礦井下采選充一體化技術研究是一項將矸石處理、三下壓煤回收、耕地保護等多種矛盾有效協調的手段，通過這項技術，可以把煤礦生產過程中所產生的矸石全部填入井下，實現矸石不升井、地面不建矸石山，并利用矸石換取煤炭資源，得到綜合的經濟、社會效益。該技術為類似的礦井提供了一條可供借鑒的有效模式，具有極大的推廣應用價值。