矸石充填與垮落混合開采優化及設備選型配套

趙國柱

（山西省陽泉蔭營煤業有限責任公司，山西 陽泉 045011）

引言

高瓦斯低透氣性煤層在實際開采中具有一定的危險性，歸其原因為該煤層不具備常規煤層保護層的開采條件。因此，針對高瓦斯地透氣性煤層需采區合理、高效、安全的開采方式進行開采。為此，提出矸石充填與垮落相混合的綜采方式，該綜采方式與傳統開采方式相比在裝備、工藝等方面存在較大的差異[1]。因此，矸石充填與垮落混合開采的實際應用需對其開采工藝進行優化并為其配套合理的裝備解決瓦斯防止和采場礦壓的問題，從而保證高瓦斯低透氣煤層的安全、高效開采。

1 14 號煤層開采概況

綜采工作面隨著開采的不斷深入所面臨的煤層沖擊和瓦斯突出的危險性逐漸增大，大部分礦井主要表現為瓦斯含量增加、瓦斯滲透率低以及抽放率低等問題。采用傳統的卸壓開采方式的主要局限性在于缺乏合適的煤層作為保護層進行開采。某礦14號煤層屬于上述特點的高瓦斯、低透氣性煤層。14號煤層位于15 號煤層上方，該煤層厚度為0.5 m，賦存條件不穩定，在采用傳統卸壓開采時期對應的保護層為14 號煤層上方的厚巖層，在實際開采中存在如下問題：

1）該煤層工作面的總矸石量約810 萬m3，如果將低下的所有矸石量全部排放至地面需要在地面增加將近13.5 個矸石山，矸石在地面的堆積若處理不當極易造成污染，而且地面也缺乏矸石堆放的空間。

2）同時，就當前工作面所配置的運輸設備對應的運輸能力并不能夠滿足矸石的正常運輸任務，還需增加運輸設備，從而增加運輸成本。

3）14 號煤層目前所配置的主運輸系統為單一運輸方式，在運輸過程中同時運輸矸石和煤炭會造成煤炭質量降低，從而造成煤炭產能的下降。

4）盡管14 號煤層的平均煤層厚度僅為0.5 m，但是其煤質屬于優質主焦煤，由于矸石導致煤質下降極易造成煤炭資源浪費[2]。

綜上所述，采用傳統的卸壓開采方式主要矛盾在于無法對工作面瓦斯進行合理、有效處理，同時還存在降低煤炭質量的隱患。為此，本文提出在14 號煤層工作面應用矸石充填和垮落混合的開采方式。

2 矸石充填與垮落混合開采工藝概述

所謂矸石充填與垮落混合開采工藝指的是矸石充填綜采和傳統垮落綜采有機結合后的開采方式。矸石充填與垮落混合開采工藝工作面所配置的系統包括有充填矸石破碎輸送系統、矸石不升井系統以及混合綜采面開采作業系統；該開采工藝與傳統單一的綜采方式相比具有單產單效高、實現工作面高效采煤與充填矸石并舉以及煤炭資源回收率高等優勢。

實現矸石充填與垮落混合開采方式的高效、安全生產的基礎需保證混合綜采工作面設備的最優選型配套（采煤液壓支架與傳統綜采液壓支架的相互配套、液壓支架推移步距的配套等）、矸石充填段各關鍵設備的相互配套（充填采煤機液壓支架、多孔底卸式輸送機、矸石裝載機、夯實機構等）[3]。

3 矸石充填與垮落混合綜采工藝優化

與傳統綜采工藝不同，矸石充填與垮落混合綜采工藝包括有井下煤流矸石分選工藝、混合綜采面充填段矸石破碎運輸工藝、混合綜采面開采工藝。各個開采工藝對應的綜采工藝流程如下頁圖1 所示。

圖1 矸石充填與垮落混合開采工藝流程

為保證混合綜采工藝在工作面的應用效果，在傳統開采工藝的基礎上需對具體的開采工藝進行改進，以確保其適用于高瓦斯低透氣率的煤層。

3.1 井下煤流矸石分選系統工藝

可應用于井下煤矸石分選的方法包括有選擇性破碎法、重介質選煤法、動篩跳汰機選煤法等。綜合上述分選方法在實際應用的評價，重介質選煤法、動篩跳汰機選煤法比選擇性破碎法的分選效率高、安全性高以及應用范圍更廣。同時，考慮到重介質分選系統可在井下拆解且便于運輸。本工程以傳統重介質選煤法為基礎進行優化改進，得出適用于混合綜采工藝的分選流程，如圖2 所示。

圖2 混合綜采重介質分選工藝流程

3.2 充填段矸石破碎運輸工藝

混合綜采工藝中的矸石充填主要是為了減小運輸至地面的矸石量，在井下對矸石進行消耗。因此，混合綜采對應的矸石破碎運輸工藝分為兩個階段：矸石從生產面運輸至矸石倉、將矸石從矸石倉運輸至混合綜采面的充填段。兩個階段對應的矸石破碎運輸工藝流程如下：

第一階段：生產面矸石—保護層工作面下進風巷—西翼運矸聯巷—第二回填聯巷—西翼運矸聯巷—洗選硐室。

第二階段：矸石倉—西翼運矸巷—混合綜采工作面運矸巷—充填段后方采空區。

3.3 混合綜采工藝

混合綜采工藝開采方案分為兩種，包括有充填段密實充填和充填段自然卸料充填。鑒于本工程采用混合綜采工藝中的充填目的是為消耗工作面的矸石，故采用自熱卸料的充填方案為核心開展混合綜采。

采煤工藝：本工程采用雙滾筒采煤機，其中前滾筒主要任務是截割頂煤，后滾筒主要任務是截割底煤，采用先推移液壓支架后推移刮板輸送機。混合綜采工藝中的充填作業和采煤作業為平行工序，具體為：當采煤機截割完成并前行20 m 左右時，充填液壓支架推移直后開始矸石充填段的充填工序[4]。

4 矸石充填與垮落混合開采工藝設備配套及工程應用

4.1 矸石充填與垮落混合開采工藝的設備配套

混合綜采工藝涉及到的設備除了采用傳統的設備類型外，還需為其配置專業的充填采煤液壓支架。該液壓支架是在普通液壓支架的基礎上將其原夯實機構改造為擋矸板，具體改造如圖3 所示。

圖3 充填采煤液壓之際改造前后對比

同時，結合本工程的實際生產需求和地質、煤層等條件相關關鍵設備的配套選型結果如表1 所示。

表1 混合綜采設備配套選型結果

4.2 工程應用效果

采用混合綜采工藝需配置專門的設備并對工作面進行建設，結合工程實際情況開采前設備及建設總共需投入成本1.1 億元；采用混合綜采工藝解決了高瓦斯低透氣率煤層的開采，預計可開采煤炭的直接經濟效益為20.3 億元，總利潤約為19.2 億元。