巷道式充填處理礦井矸石工藝技術研究與應用

楊 明

（冀中能源股份有限公司邢東礦，河北 邢臺 054000）

1 礦井概況及存在問題

冀中能源股份有限公司邢東礦位于邢臺市主城區(qū)周邊，受環(huán)保要求，地面不能建矸石山，且井田內有大小村莊11 個，村莊及工業(yè)廣場煤柱壓煤量占全礦井儲量的87%。為實施綠色開采，矸石不升井，保護生態(tài)環(huán)境，邢東礦建設了井下預排矸系統(tǒng)，將原煤進行煤矸分離，將掘進、整修巖巷產(chǎn)生的矸石都在井下進行工作面充填處理。

為了提高矸石充填工作面產(chǎn)量，降低開采成本，邢東礦對矸石充填工作面進行系統(tǒng)升級改造。升級改造期間無法對礦井矸石進行處理，只能將原煤不經(jīng)過排矸系統(tǒng)直接提升至地面，造成原煤灰分大幅度提高，嚴重影響煤質，煤炭銷售收入也大幅度減少。因此，在矸石充填工作面系統(tǒng)升級改造完成之前，對巷道式充填處理礦井排矸工藝系統(tǒng)進行研究勢在必行[1-2]。

2 工程技術及安全性分析

2.1 技術性分析

巷道式矸石充填適用于不能布置成工作面的邊角煤區(qū)域，由于受自身工藝限制，矸石充填巷只能布置成下山巷道或平巷。由于邢東礦大部分資源為建下壓煤，為有效減少圍巖變形及地表下沉，矸石充填巷道布置方式為掘5 m 寬巷道留5 m 寬煤柱，矩形斷面，沿頂掘進。掘進工藝以掘進機為主。掘進完成后及時進行矸石充填接頂，采用履帶式充填機充填，后路配合運矸皮帶運輸機。在充填巷內充填矸石時，采用后退式充填工藝。充填機拋矸皮帶將矸石拋擲到巷道迎頭，通過上下左右擺動拋射，實現(xiàn)矸石充填均勻、密實、接頂，而后設備逐步后退，進行下一個循環(huán)。

2.2 安全性分析

頂板管理及圍巖變形方面，矸石充填巷頂板支護與正常掘進巷道的頂板支護完全一致，確保錨網(wǎng)支護承載力達到規(guī)范要求，有效抑制了頂板的下沉，保證了掘進過程中的頂板安全。掘進完成后及時充填密實接頂，充填體與錨網(wǎng)支護后的頂板一起形成連續(xù)梁，與預留煤柱一起承載上覆巖層的自重應力，可進一步有效控制頂板巖層移動變形，確保頂板安全，達到有效控制地表變形的效果。同時，良好的充填效果也可有效減少臨近充填巷掘進時的圍巖應力顯現(xiàn)，臨近充填巷道掘進時的圍巖變形較小。

瓦斯和防滅火方面，掘進期間加強了局部通風管理，保證供風穩(wěn)定；按照煤礦安全規(guī)程等相關規(guī)定安設監(jiān)控系統(tǒng)，并保證風電、瓦斯電閉鎖正常使用。每班對巷道迎頭、回風及使用中的機電設備進行瓦斯等有毒有害氣體檢查，杜絕瓦斯積聚、瓦斯超限事故。掘進完成后，及時用矸石將巷道充填密實接頂，杜絕瓦斯積聚。充填體既可以支撐頂板，又同時封閉填充了巷道空間。充填完成后及時建永久密閉墻封閉，在密閉墻里側打設木垛，并用袋裝矸石將密閉墻與充填體間的空隙填實，密閉完成后及時向墻內打眼注漿封堵，確保嚴密不漏風，其安全效果比普通非充填巷道更好，可以有效避免瓦斯積聚和煤層自然發(fā)火等問題。

3 工程實施

3.1 工藝流程

建立井下巷道式矸石充填系統(tǒng)需要解決以下三個方面的問題[3-6]：（1）矸石充填巷道布置區(qū)域的選擇；（2）矸石充填運輸路線優(yōu)化；（3）矸石充填系統(tǒng)設備安裝。

充填巷盡量選擇在不能布置工作面的邊角煤、呆滯煤，在處理矸石的同時，還能回收煤炭資源，提高經(jīng)濟效益。同時還要考慮矸石充填路線問題，在不影響目前礦井正常生產(chǎn)的情況下，盡量減少巷道工程量，減少設備布置，充填路線簡潔、高效。

選取礦井回風斜井區(qū)域布置矸石充填巷，該區(qū)域距離井下排矸系統(tǒng)近，多為邊角煤，無法布置工作面。矸石運輸路線：排矸系統(tǒng)產(chǎn)生矸石→-760 m大巷矸石倉→-760 m 軌道大巷→-760 m 上部車場→-760 m 矸石倉→回風斜井→矸石充填巷。矸石運輸路線如圖1。

圖1 巷道式充填處理礦井排矸工藝技術流程圖

3.2 工程投入及設備選擇

（1）矸石運輸路線上-760 m 上部車場失修嚴重，需要進行全斷面整修，工程量105 m。費用包括：人工費4000 元/m，材料費4475 元/m，工程量為105 m，合計（4000+4475）×105 ≈89 萬元。

（2）-760 m 矸石倉上口安裝1 部翻罐籠，用以將罐車內矸石裝載至-760 m 矸石倉；-760 m 矸石倉下口安裝1 臺給煤機，用以將矸石卸料至皮帶運輸機。回風斜井安裝1 部800 皮帶，充填巷內安裝1 部650 皮帶，作為矸石運輸皮帶。拋矸機由掘進機改造完成。

翻罐籠購置、安裝費用：27 萬元；給煤機購置、安裝費用：9萬元；1部800充矸皮帶購置、安裝費用：120 萬元；1 部650 皮帶購置、安裝費用：86 萬；拋矸機改造：40 萬元。工程前期總投入371 萬元。礦井巷道式矸石充填工藝流程如圖2。

圖2 礦井巷道式矸石充填系統(tǒng)圖

4 工程實施效果

根據(jù)礦井每月產(chǎn)生矸石量（約5000 t/月），提前謀劃，組織隊伍掘進矸石充填巷，巷道掘進完成后及時進行充填，充填必須接頂，充填完成后及時封閉。在礦井矸石充填工作面升級改造期間（2019 年9 月至2020 年10 月），礦井共掘進矸石充填巷5120 m，回收煤炭資源15.7 萬t，充填矸石10.2 萬m3。

邢東礦未經(jīng)排矸原煤灰分約為33%，經(jīng)過排矸充填系統(tǒng)后灰分可降至30%左右，灰分每降低1 個百分點，噸煤售價提高12 元。矸石充填工作面升級改造期間礦井商品煤提升量為117.2 萬t，由此礦井增加收益約為3×12×117.2=4219.2 萬元，大大提升了煤炭質量，具有較高的經(jīng)濟效益。同時，產(chǎn)生的矸石就近井下充填，降低了矸石治理成本，對環(huán)保有重大意義。

邢東礦井產(chǎn)生矸石主要以排矸系統(tǒng)和巖巷掘進、整修巷道的矸石為主，每月5000 t 左右。根據(jù)礦井規(guī)劃，邢東礦矸石充填工作面系統(tǒng)升級改造完成之前，屬于礦井矸石工作面的接續(xù)期間。礦井矸石通過巷道式充填處理，在處理礦井自產(chǎn)矸石、保護環(huán)境、降低原煤灰分、提高經(jīng)濟效益方面都有顯著優(yōu)點，開展該項目勢在必行。

5 結論

目前國家對環(huán)境重視程度越來越高，對煤礦綠色開采要求也相應提高。邢東礦結合生產(chǎn)實際，在矸石工作面升級改造期間建立巷道式矸石充填系統(tǒng)實現(xiàn)矸石井下就近處理，降低原煤灰分的同時回收了邊角煤，具有較好的經(jīng)濟效益和社會效益，在有類似條件的礦井中具有很高的推廣價值。