關于錦丘煤礦矸石充填開采可行性的探討

黃曉鵬 陳志峰

(滕州郭莊礦業有限責任公司錦丘煤礦，山東 滕州 277599 )

1 地質概況及研究的必要性

1.1 地質概況

162-1采區位于錦丘煤礦井田西南部地區，地形平坦，地勢由東向西逐漸降低，采區內沒有湖泊、水庫、池塘、古井。該采區設計開采煤層為16煤層，煤層厚度1.07～1.61 m，平均1.23 m。初步設計采區內16煤層基礎儲量約145.7萬t，可采儲量約117.8萬t。該采區16煤的上方有東周村、后辛安村、中辛安村、呂堂村等4個村莊和學校。16煤頂底板巖性見表1。

表1 可采煤層頂底板情況一覽表

1.2 項目研究的必要性

錦丘煤礦162-1采區建筑物壓煤量較大，進行建筑物下壓煤開采將是礦井的一項常態工作。該采區很大一部分儲量都位于地表村莊等建筑物下方，因煤層較薄，村莊搬遷經濟技術上不合理，如果留設煤柱對于資源比較貧乏的錦丘煤礦顯然是不合理的，也是不可行的，因此進行村莊及建筑物下壓煤開采是必須的[1]。

同時，煤炭資源是不可再生的，地表建筑物下壓煤開采是在充分利用煤礦原有生產系統的基礎上進行的，既大力開發了煤炭資源，又延長了礦井壽命，既有較高的經濟效益，又有十分顯著的社會效益，因此進行采區建下壓煤也是非常必要的[2]。

通過對錦丘煤礦地質開采條件及區域地理環境條件的分析，對井下162-1采區煤層開采造成的地表移動變形影響進行預測，對開采引起建筑物產生的移動變形進行分析，在全面分析采區建筑物下壓煤開采方案的基礎上提出切實可行的建筑物下煤層開采方案，以達到更加經濟、合理地采出地下資源的目的。

2 錦丘煤礦矸石利用方案的選擇

2.1 矸石的利用方式

2.1.1 能源方面的應用

煤矸石的熱值較低，作為燃料效果差。在產生大量煤矸石的礦區，可以建設煤矸石電廠，解決該地區的供熱、供電問題[3]。這種利用煤矸石供電供熱的方法具有能耗低、成本低、產量大、原料充足、可循環利用的特點。因此，我國有許多大型產煤區開展煤矸石熱電廠項目。

2.1.2 建筑行業的應用

以煤矸石為原料，可以生產多種建筑原材料，如煤矸石磚、多孔磚、水泥、裝飾磚等。在促進經濟發展的同時，也減少了能源消耗，同時滿足經濟效益和環保效益[4]。

2.1.3 化工行業的應用

煤矸石含有硅、鋁等多種金屬元素，通過一定的化學工藝，可以從煤矸石中提取出金屬元素，用以開發沸石、硫酸鋁等化工產品[5]。

2.1.4 農業的應用

在農業生產[6]中，所用化肥需含有大量K、P、N元素，也可用于矸山的復墾。同時，煤矸石中的有機物是攜帶固氮、分解磷、分解鉀等微生物的理想基質，可以作為微生物的肥料。

2.2 矸石利用方案的確定

錦丘煤礦地處滕州市郊區，地表村莊、人口密度大，下壓煤量大，經過綜合考量，確定了利用矸石膏體為采空區充填，既大力開發了資源又延長了礦井的服務年限。

3 矸石膏體充填開采設計方案

3.1 采區巷道布置方案

采區巷道布置應遵循以下原則：（1）充分利用礦井已有的生產系統，開拓和準備巷道工程量少。（2）采區內生產系統簡單，生產環節少，占用設備、人員少。（3）采區巷道布置要有利于回采，開采損失少，資源回收率高。162-1采區為雙翼采區，其中南翼為正常塊段，北翼為“三下”壓煤塊段。采區準備巷道位于采區中部，與西翼大巷平行布置。采區準備巷道共2條，自北向南分別為采區軌道巷和采區膠帶巷，巷道間距（中-中）約28.7 m。目前采區準備巷道已經形成。

3.2 采煤方法

3.2.1 采煤工藝

根據162-1采區北翼煤層賦存及開采技術條件，設計采煤工作面采用高檔普采技術，采煤機割煤、自行裝煤，刮板輸送機前移配合采煤機裝煤，伸縮帶式輸送機運煤，充填法管理頂板。工作面采用（3×6）排控頂，見六次三次，最小控頂距3.95 m（三排），最大控頂距7.55 m(六排)，柱距0.85 m，排距1.2 m。

（1）落煤方法。采用MG2×100/458-BWD型雙滾筒采煤機沿頂板雙向割煤，前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤和掃浮煤，一刀一個循環。進刀方式為斜切進刀（采用割三角煤的進刀方式），進刀長度30 m，滾筒截深0.6 m。

（2）裝煤方法。采煤機自行裝煤，工作面刮板輸送機配合裝煤，人工清理浮煤。

（3）運煤方法。在采煤工作面，用刮板運輸機運煤，型號為SGZ630/220，膠帶順槽轉載機型號為SGB-620/40T、DTL80/40/2×75，配合運煤。

（4）支護形式。工作面支護采用DW型外注式單體液壓支柱配木帽（楔）支護頂板，支撐高度范圍為792～2800 mm。

（5）頂板管理。采用充填法管理頂板。

充填工作面設備見表2。

表2 充填工作面設備表

3.2.2 充填工藝

按照普采工藝流程完成6個割煤、推溜、支柱正規作業循環，達到最大控頂距時，進入膏體充填工藝階段。

（1）充填準備。當工作面推進到最大控頂距離時，將充填管道鋪設在側排與次側排煤柱之間的空隙中，模板安裝在中間巷道采空區側附近。分段回柱填筑，按“見五填二，自下而上”的順序進行填筑，每段長度為10～15 m，在填筑點用緩彎90°鋼管接頭伸入填筑區，長度不大于0.8 m，高度不大于1.0 m，在每個垂直于工作面的填筑作業點鋪設模板，防止膏體向上流動。用模板靠邊排，塑料彩布封閉，相鄰模板盡量接茬。模板外側固定單體柱側排，規則柱中間設置密柱，防止模板傾倒。立柱間距小于0.3 m，初撐力大于50 kN，禁止使用超高立柱。一個充填周期完成后，取下上一周期的模板和塑料彩布，回收后移至下一周期繼續使用。每3個循環更換一次塑料彩布，模板可隨時更換。

（2）檢查準備。通過井上井下檢查、聯系，確認系統正常，設備完好，方可進入下一步工作。

（3）管道充水。專人觀察充填管末端處出水情況，工作面見水后報告充填站，其作用主要體現在潤管，減少泵送時充填料水分流失。

（4）灰漿推水。泵送膏體料漿前，用清管器將清潔球裝入充填管道，然后啟動充填泵，使清水在清潔球前面，后面是料漿，清水通過泵壓通過充填管道和排水管道排入礦區沉淀池，清潔球從管道中排出后，用液壓開關閥通過工作面的充填管道將充填料漿充填到待充填的空間中。

（5）膏體推灰漿。少量砂漿不足以排出管內全部清水，主要起到隔離正常填充的膏體的作用。當計量好的砂漿泵送上來時，應將正常配比的漿體放入料斗中，并連續泵送。此時，填充管道前段為清水，中段為砂漿，后段為矸石膏體。

（6）灰漿推膏體。當泵送充填料漿達到設計充填量時，如無特殊情況，地面充填站應準備少量粉煤灰砂漿，并適當降低泵送速度。當灰斗內正常配比的漿液泵送快結束時，將粉煤灰砂漿放入緩沖斗內，用粉煤灰砂漿將灰斗內的膏體和充填泵入口全部推入充填管道，使后續沖洗水不會與膏體混合，造成漿液離析，造成堵管。

（7）水推灰漿。充填后，要對管道進行沖洗，防止管道被堵塞。在泵送料漿斗內的粉煤灰砂漿前，向料漿斗內注入清水，泵入充料漿后的清水沖洗管道。清洗時，水庫水泵直接向混合器供水。

（8）工作結束后，報告控制室。

4 效益分析

16煤按照每年26萬t配采，噸煤充填成本按照138.53元/t計算，年度增加直接成本3 601.78萬元，按礦井核定年產量72萬t計算，噸煤成本增加50.03元。而充填開采可以享受資源稅減免50%優惠，每年可節省317.82萬元，可以減少矸石山固體廢棄物占壓稅83.44萬元，可以減少塌陷地補償83.44萬元，則全礦噸煤成本可以減少6.7元。綜合計算，采用充填開采，礦井噸煤成本增加43.33元，每年預計減少凈利潤3 119.38萬元，可以實現凈利潤2 520.62萬元（按未充填開采時年純利潤5640萬元計算），可保持礦井有較好盈利能力。

5 結論

（1）結合錦丘煤礦下壓煤和矸石處理的需要，確定了采用矸石膏體對162-1采空區進行充填；

（2）提出了矸石膏體充填開采的設計方案，預計增加凈利潤2 520.62萬元，并延長了礦井的服務年限；

（3）該項目具有環保、節能、高效、可靠性強等優點，且技術相對成熟，建議盡快實施。