麻家梁礦四采區膏體充填開采系統設計研究與應用

陳 程

(大同煤礦集團 設計研究有限責任公司，山西 大同 037003)

1 基本概況

麻家梁礦井三采區、四采區北部有大量地面建筑物，井田范圍中部貫通有高壓線纜，“三下”壓煤極為嚴重[1-3]。“三下”充填開采區域為4號層四采區，4號層壓煤量為4 573.9萬t，9號層壓煤量為16 191.6萬t，其資源儲量占總資源儲量的85%以上。4號煤層厚度為1.75～6.44 m/4.57 m，下距5號煤層5～10 m，可采系數100%，煤層結構較簡單，一般含1～4層夾矸，厚度變化較大，個別夾矸大于最低可采厚度，夾矸層位不穩定。老頂為中粉砂巖、中砂巖，平均厚度為16.10 m；直接頂為泥巖或各類砂巖互層，平均厚度為3.10 m；直接底為泥巖、高嶺質泥巖，平均厚度為5.50 m；老底為中、細、粉砂巖或泥巖，平均厚度為5.00 m。據現有資料分析，四采區西中南部揭露1條古河流沖刷帶，受沖刷影響煤層變薄，最薄處煤厚 1.75 m，沖刷帶寬1 km左右，沖刷帶走向北偏東40°延伸，沖刷幅度最大可達5 m左右，沖刷帶巖性為灰白色細砂巖，厚度為1.75～12.48 m/7.57 m。

2 巷道布置

根據井田內開拓布局及開拓現狀，14402工作面已于2019年回采1 069 m后封閉，工作面面長272 m，可采剩余走向長969 m，煤厚3.47 m，預計可采儲量130萬t。4號層四采區的充填開采仍利用現有二采區大巷作為開采四采區的采區大巷，14402膏體充填工作面主要巷道包括：14402膠帶巷道、14402輔運巷道、14402切巷。根據已經開采的14101和14102綜采工作面，回采過程中的煤層瓦斯涌出量情況，確定工作面巷道布置采用雙巷布置[4-5]，通風采用一進一回，即工作面進風側沿煤層底板布置膠帶巷道，用于煤炭運輸兼進風；回風側沿煤層底板布置輔運巷道，用于輔助運輸兼回風。巷道布置如圖1所示。

圖1 膏體充填巷道布置示意(mm)

3 膏體充填開采系統設計

工作面回采進入“三下”壓煤開采區域后，采用正規膏體架后充填方式，注漿膏體采用高強度充填，充填材料由矸石1.2 t/m3、粉煤灰、水泥等和礦井水按一定配比制成充填材料，如果膏體膠結料用量50 kg/m3，質量百分比2.5%，粉煤灰250 kg/m3，質量濃度82%，則膏體料漿凝結28 d的抗拉抗壓強度為1.9 MPa，平均彈性模量為3 517 MPa[6]。

膏體充填開采系統主要包括地面充填系統和井下充填系統兩部分，井上下系統相互配套，協同運行。地面充填站由四大工程模塊組成，其中包括矸石破碎加工模塊、充填料倉儲模塊、配比攪拌及泵送模塊和智能化充填系統控制模塊。井下充填系統主要包括井下的管路輸送系統、采煤系統、隔離充填系統[7-9]。

3.1 矸石破碎加工模塊

矸石破碎系統主要包括細破車間、篩分車間及轉運膠帶等部分。細破車間布置在現矸石倉西南側、西北側布置篩分車間，原矸采用矸石倉配合給料機、膠帶上料，矸石運至矸石倉進行存儲，通過帶式給料機運至破碎機進行粗破，再經轉運膠帶機運至高細破碎機進行細破，最后通過膠帶機運至篩分車間進行篩分，成品矸石經上倉膠帶機和分倉膠帶機運至成品矸石倉，將篩上物運至細破車間進行二次破碎。

在設計系統時，考慮洗矸水分和洗矸破碎的影響，經調研和矸石取樣破碎，選用適合洗矸水分的高細破碎機，破碎能力為200 t/h，破碎粒度能滿足配料要求。雖然高細破碎機的出料粒度小于15 mm，隨著破碎機錘頭的磨損，仍有大顆粒物料排出破碎機，因此在系統中配置1臺篩分機，確保進倉物料的粒度滿足要求，篩分機能力與破碎系統能力相匹配。由于洗矸的矸石粒徑小于200 mm，在破碎前，先進行除雜和除鐵，避免各類異物對破碎的影響[10]。矸石破碎系統工藝流程如圖2所示。

3.2 充填料倉儲模塊

礦井洗矸利用礦井現有成品矸石倉進行原矸存儲。利用鋼板圓筒倉存儲成品矸石，目前矸石日消耗最大量為3 270 t/d，共設計4個700 t的矸石倉，經破碎篩分加工后，使用膠帶機轉運分倉，堵倉問題通過安設破拱裝置進行解決。

圖2 矸石破碎系統工藝流程框圖

3.3 配比攪拌及泵送模塊

為了縮短充填的時間，實現充采平衡，按照雙攪拌機設計配比攪拌系統，兩套雙攪拌系統同時工作，設計能力達到240 m3/h，其中一個攪拌系統出現故障后，另一個可以正常工作，不會影響充填安全[11]。配比攪拌系統采用雙系統平行布置[12]，工藝流程框圖如圖3所示。采用鋼板筒倉存儲粉煤灰倉和膠結料，分別布置在充填車間的兩側，通過螺旋輸送機將料運送到充填車間稱量系統，在充填車間內設置沉淀池，布置2臺充填泵，配比攪拌平臺與充填車間獨立設計，考慮充填車間起吊設備最大重量為8.5 t的攪拌機，在充填車間布置1臺10 t行車和提升通道。

圖3 配比攪拌系統工藝流程框圖

3.4 管路輸送系統

麻家梁煤礦充填管路初步考慮通過鉆孔進入井下充填系統，充填泵出口至鉆孔距離120 m，管路布置在充填站內，且地面水平管線短，便于維護。

4 效果分析

在麻家梁礦搭建礦井充填開采地面巖移觀測站，觀測站建在14402工作面地表上方，觀測日期至2021年11月20日，共設計20個觀測點，觀測地表下沉結果如圖4所示。

從圖4可以看出，14402工作面采用膏體充填開采后，地表上方各觀測點的最大下沉量為14 mm，最大下沉量點在18號測點位置，月度最大下沉量為6 mm，下沉量點在11號測點位置。根據觀測資料，得出如下結論：區域內煤層埋藏較淺，地表顯現較快，采用膏體充填工藝后頂板未出現垮落，地面出現微小彈性變形，曲線形態符合充填開采地表一般巖移規律，地表沉陷控制較好，達到設計要求。

圖4 膏體充填開采地表下沉曲線對比圖

5 結 語

1) 以14402工作面為研究對象，采用膏體充填工藝進行開采，詳細介紹地面充填系統和井下充填系統，工作面的充實率高、膏體強度可調，地表沉陷較小。

2) 根據麻家梁礦的實際情況，通過現場觀測，采用膏體充填開采后，頂板未出現垮落，地面只出現微小的彈性變形，地表沉陷效果控制較好，提高了矸石回收率，延長了礦井服務年限。