邢東礦建下充填開采關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)及工程示范

高浦

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺(tái) 054000）

1 概 況

充填開采是源頭主動(dòng)減少采煤沉陷的方法，但受裝備、技術(shù)、成本等因素限制，在全國范圍內(nèi)僅有13 個(gè)省份已開采或擬開展充填開采，涉及51 家礦業(yè)集團(tuán)公司、75 座煤礦，尤其是不間斷充填開采礦井并不多，其中冀中能源股份有限公司邢東礦不僅在全國率先進(jìn)行了充填開采，而且20 a 來持續(xù)不間斷地研究發(fā)展，取得較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[1-9]。

邢東礦于2002 年研究巷道式矸石充填開采，解決地面排放帶來的環(huán)境問題及矸石井下處理技術(shù)；2010 年建成了全國首個(gè)井下跳汰洗煤系統(tǒng)，并實(shí)施了綜合機(jī)械化高水充填工作面開采技術(shù)；2011 年基于井下采選充一體化構(gòu)想，開展了綜合機(jī)械化矸石充填開采工程實(shí)踐[10]；2019 年在充填開采理論與技術(shù)體系建立的基礎(chǔ)上，提出區(qū)域性矸石處置的智能化矸石充填開采構(gòu)想，并于2021 年初步實(shí)現(xiàn)了礦井全域連續(xù)智能化充填開采，形成基于材料研發(fā)、裝備革新、工藝升級(jí)、不斷實(shí)踐的充填開采研發(fā)與實(shí)踐示范基地。

2 研究背景及關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)

邢東礦主采2 號(hào)煤層，在井田范圍內(nèi)有大小村莊11 個(gè)，村莊及工業(yè)廣場煤柱壓煤量占全礦井儲(chǔ)量的82.8%。由于村莊搬遷費(fèi)用高、搬遷難度大，且邢東礦井田范圍內(nèi)的村莊煤柱相互重疊，最多處達(dá)到了6 個(gè)村莊的煤柱相互重疊，少數(shù)村的搬遷無法解決建下壓煤的實(shí)際問題，因此采用充填技術(shù)盡可能的解放村莊煤柱和其它呆滯煤量，進(jìn)行建下采煤是邢東礦的有效途徑。

在進(jìn)行建下采煤的同時(shí)，由于邢東礦緊鄰市區(qū)，受環(huán)保要求，地面不能建矸石山，所有開拓巷道產(chǎn)生的矸石必須通過巷道進(jìn)行井下充填。為此，邢東礦于2002 年與中國礦業(yè)大學(xué)合作，組建了專項(xiàng)技術(shù)小組，通過積極開展科技攻關(guān)，首創(chuàng)了巷道矸石充填技術(shù)，并自主研發(fā)了矸石充填成套設(shè)備。自2002 年在工業(yè)廣場煤柱區(qū)域內(nèi)成功實(shí)施巷道矸石充填至今，隨著裝備、工藝、材料的不斷發(fā)展，先后實(shí)施了超高水充填開采、綜合機(jī)械化矸石充填開采、地面投料矸石充填開采等技術(shù)，形成了深井全域連續(xù)自動(dòng)充填開采體系。

2.1 巷道矸石充填開采工藝

巷道矸石充填技術(shù)是一項(xiàng)以在井下處理煤矸石為目的的安全、可靠的工藝技術(shù)，其工藝較為簡潔，充填巷掘進(jìn)完成后，及時(shí)將煤矸石充填進(jìn)巷道中。主要工藝為進(jìn)尺或整修、井下跳汰洗選所產(chǎn)矸石，經(jīng)礦車、皮帶、溜子運(yùn)至矸石倉，然后通過給料機(jī)或扒巖機(jī)，再經(jīng)皮帶運(yùn)輸至充填巷迎頭的矸石充填機(jī)，最后通過充填機(jī)拋矸皮帶上下左右擺動(dòng)拋射充填矸石，將巷道充填密實(shí)接頂（圖1）。

圖1 巷道充填開采工藝技術(shù)流程示意Fig.1 Technology process of roadway filling mining

邢東礦巷道矸石充填的關(guān)鍵技術(shù)是研發(fā)了一種井下巷道矸石充填綜合輸送機(jī)，通過充填機(jī)拋矸皮帶上下左右擺動(dòng)拋射充填矸石，將巷道充填密實(shí)接頂。為確保充填率及地面沉降穩(wěn)定性，選取矸石大小小于150 mm 混合粒徑級(jí)配，減少間隙充填過程（圖2）。

圖2 矸石充填巷迎頭示意Fig.2 Head-on of gangue filling roadway

2.2 井下跳汰洗煤工藝

井下跳汰洗煤技術(shù)可節(jié)約地面洗煤廠占地，解決矸石地面堆放問題，實(shí)現(xiàn)煤矸石井下就地處理的低碳綠色環(huán)保開采模式，其主要工藝為，工作面出來的毛煤通過1 個(gè)篩縫75 mm 的篦子，將大塊送入分級(jí)破碎機(jī)進(jìn)行破碎，小于30 mm 末煤直接落入末煤倉，落入刮板篩分機(jī)的原煤在運(yùn)輸過程中經(jīng)過篩分段（篩縫25 mm）進(jìn)一步篩分，小于25 mm的末煤經(jīng)刮板篩分機(jī)的下層返回末煤倉，上層刮板上的原煤（25～200 mm）經(jīng)機(jī)頭溜入排矸跳汰機(jī)進(jìn)行洗選，分選出合格的塊精煤產(chǎn)品和純矸石。精煤及矸石通過鏈斗機(jī)進(jìn)行脫水，然后分別落入精煤倉及矸石倉（圖3）。

圖3 井下跳汰排矸系統(tǒng)工藝流程示意Fig.3 Process flowof underground jigging gangue discharge system

井下跳汰洗煤的關(guān)鍵技術(shù)是因地制宜建設(shè)井下洗煤廠，由于井下圍巖壓力大，無法施工過大斷面的硐室來滿足大型設(shè)備布置所需要的空間，因此，井下的洗選系統(tǒng)必須要根據(jù)礦井實(shí)際生產(chǎn)能力及井下硐室的實(shí)際斷面規(guī)格進(jìn)行拆分，使設(shè)備按照功能分別布置在不同的硐室，將地面洗煤廠的三維空間布置改為井下洗選的線性布置。

根據(jù)這一特殊要求，邢東礦通過對(duì)工藝與設(shè)備的研究創(chuàng)新，研發(fā)了一種井下跳汰洗選的處理煤矸石工藝，配套設(shè)備主要有空氣跳汰機(jī)、分級(jí)破碎機(jī)、異形排斗式提升機(jī)等等。這些設(shè)備入料粒度及處理能力都能滿足礦井生產(chǎn)需求，且設(shè)備尺寸相對(duì)較小，操作簡潔方便，符合井下硐室空間相對(duì)較小的要求。

2.3 超高水充填開采工藝

超高水充填由于固體料用量少，主要原材料可直接使用礦井水，材料來源充足可靠，是一種生產(chǎn)能力較高的建下充填采煤方法。其主要工藝為通過地面制漿系統(tǒng)及管路輸送系統(tǒng)將A、B 漿液由地面注漿站輸送到井下回采工作面，再通過工作面布置的液壓充填支架將采空區(qū)與工作面分隔開形成漿液充填區(qū)域，待地面輸送的漿液凝固后實(shí)現(xiàn)充填開采。超高水充填開采的關(guān)鍵技術(shù)是研制低成本、穩(wěn)定性好、強(qiáng)度高的充填材料以及與之相適應(yīng)的配套充填回采設(shè)備（圖4）。

圖4 超高水充填工藝流程示意Fig.4 Process of super-high water material filling

2.4 綜合機(jī)械化矸石充填開采工藝

綜合機(jī)械化矸石充填開采技術(shù)相比巷道矸石充填技術(shù)及超高水充填開采技術(shù)兼有煤矸石綜合利用和高效率建下開采的優(yōu)點(diǎn)，是近年來應(yīng)用較廣的充填采煤方法，其主要工藝為通過儲(chǔ)裝運(yùn)系統(tǒng)將矸石在井下存儲(chǔ)、輸送至工作面，再通過矸石充填液壓支架實(shí)現(xiàn)矸石在采空區(qū)的填充。綜合機(jī)械化矸石充填開采的關(guān)鍵技術(shù)是研發(fā)集架后矸石輸送、填充、搗實(shí)于一體的液壓支架（圖5～圖6）。

圖5 綜合機(jī)械化矸石充填工藝流程Fig.5 Process of comprehensive mechanized gangue filling

圖6 矸石充填液壓支架落料、推壓示意Fig.6 Blanking and pushing pressure indication of gangue filling hydraulic support

2.5 地面投料矸石充填開采工藝

地面投料矸石充填開采工藝是將綜合機(jī)械化矸石充填技術(shù)與地面矸石站結(jié)合，通過將區(qū)域性礦井矸石集中投放處理，實(shí)現(xiàn)常規(guī)開采礦井煤矸石綜合治理與建下開采礦井充填成本降低的雙贏局面。其主要工藝為采用地面投料的方式，將外運(yùn)矸石經(jīng)垂直投料系統(tǒng)、井下固體充填物料輸送系統(tǒng)，輸送到支架后部刮板輸送機(jī)，投放到采空區(qū)，最后由充填液壓支架推壓密實(shí)機(jī)構(gòu)進(jìn)行推壓密實(shí)（圖7）。

圖7 地面矸石充填系統(tǒng)示意Fig.7 Ground gangue filling system

地面投料，尤其是深井地面投料矸石充填的關(guān)鍵技術(shù)為建設(shè)落料速度可控、防沖擊、防堵管的矸石地面投放系統(tǒng)，主要包括地面矸石站、矸石投料孔及緩沖裝置3 部分。其中緩沖裝置主要組成部分為投料孔底錐形緩沖器和密閉門為主的風(fēng)壓控制裝置，用來緩沖矸石沖擊、控制投料孔內(nèi)矸石下落速度。在初始投料時(shí)，投料井和充填倉中的氣體會(huì)產(chǎn)生“氣墊”作用，阻止充填料下墜，尤其對(duì)于充填料中的微小顆粒，效果明顯。當(dāng)粒徑較大的充填料運(yùn)行至井底時(shí)，充填料沖破“氣障”，開始正常投料。物料投放過程中形成封閉氣場，氣場的強(qiáng)弱表征著投放量的大小，通過調(diào)整氣壓，可實(shí)現(xiàn)大垂深矸石投放速度控制，建成防沖擊防堵管的安全高效投放系統(tǒng)（圖8）。

圖8 地面矸石投料緩沖系統(tǒng)示意Fig.8 Ground gangue feeding buffer system

3 邢東礦建下充填開采工程實(shí)踐

3.1 全域連續(xù)巷道矸石充填工程實(shí)踐

自2002 年開始，邢東礦在工業(yè)廣場等煤柱區(qū)域，實(shí)施巷道矸石充填技術(shù)。為了提高資源回收率，在原有單一巷道矸石充填工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)擬充填開采區(qū)域統(tǒng)一規(guī)劃，設(shè)置集中運(yùn)矸聯(lián)巷，通過留5 m 寬煤柱掘5 m 寬巷道的方式進(jìn)行充填巷布置，待充填巷上覆巖層穩(wěn)定后再充填開采剩余煤柱，實(shí)現(xiàn)全域巷道矸石充填。邢東礦自2002 年—2012 年，累計(jì)掘進(jìn)充填巷道105 條，總長度31 259 m，出煤123 萬t，充填矸石125 萬t。

3.2 全域連續(xù)工作面充填工程實(shí)踐

由于邢東礦建下壓煤達(dá)83%，大面積連續(xù)充填開采是礦井生存發(fā)展必須要突破的重大技術(shù)難題，與單一小面或局部范圍內(nèi)充填開采相比，大面積連續(xù)充填開采時(shí)充填材料和裝備都有更高的要求。涉及難點(diǎn)有，大面積充填開采條件下地表沉陷變形難控制，缺少適合連續(xù)充填、承載性能優(yōu)良的充填材料，現(xiàn)有充填開采產(chǎn)能小、成本高，不能實(shí)現(xiàn)規(guī)模化。

針對(duì)地表沉陷變形難控制問題，邢東礦結(jié)合河北工程大學(xué)，研發(fā)了一種適合大面積連續(xù)充填開采的易成型、快承載、高強(qiáng)度碾壓充填材料及充填工藝與裝備，改變了矸石散狀固體充填材料特征，有效控制了深井厚煤層充填開采圍巖變形及地表沉陷。矸石散狀固體顆粒間無粘結(jié)連接，沒有變形約束，具有明顯的流動(dòng)性和壓硬性，與膠結(jié)料混合后，不加壓仍是散狀材料，施壓后，立即固化成型，充分碾壓后具備較高的支撐強(qiáng)度，形成膠結(jié)時(shí)間可控的類貧碾壓混凝充填材料（圖9）。

圖9 類貧碾壓混凝充填材料現(xiàn)場效果圖Fig.9 Field effect of poor roller compacted coagulation filling material

針對(duì)充填開采產(chǎn)能小、成本高，不能實(shí)現(xiàn)規(guī)?；膯栴}，邢東礦在應(yīng)用類貧碾壓混凝充填材料提高充填體成型效率的基礎(chǔ)上，采取成組移架、交替落料、同步推實(shí)的工序，提高充填效率和充填效果，現(xiàn)場采充作業(yè)平行度提高至80%，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；涮铋_采（圖10）。2021 年邢東礦11233 工作面開展采充平行作業(yè)實(shí)施矸石充填，月產(chǎn)能力達(dá)到了7.2 萬t，實(shí)現(xiàn)了該礦井全年產(chǎn)量全部由充填開采完成。根據(jù)測算，邢東礦利用全域連續(xù)工作面充填開采共增加產(chǎn)值4.56 億元，新增利潤4.11 億元。此外節(jié)約村莊搬遷費(fèi)用、矸石地面占地費(fèi)、運(yùn)輸費(fèi)、環(huán)保費(fèi)每年約4 600 萬元。

圖10 矸石充填作業(yè)工序Fig.10 Gangue filling operation process

4 邢東礦充填開采發(fā)展構(gòu)想

邢東礦充填開采經(jīng)過20 a 的實(shí)踐與不斷研發(fā)，建立了全域連續(xù)充填開采技術(shù)體系，實(shí)現(xiàn)了安全高效的不遷村采煤。但充填成本相較常規(guī)開采噸煤成本仍然要增加約37 元，此外相比常規(guī)開采，充填開采單面產(chǎn)能仍然較低。2020 年，邢東礦著手建設(shè)智能化煤礦。2021 年，將智能化技術(shù)與矸石充填技術(shù)有效整合，以智能化矸石充填工作面建設(shè)為基礎(chǔ)，打造了國內(nèi)首個(gè)智能化矸石充填工作面，實(shí)現(xiàn)了在地面分控中心對(duì)井下采煤、充填、原煤及矸石運(yùn)輸?shù)淖詣?dòng)化控制。

當(dāng)前的矸石充填智能化系統(tǒng)僅能實(shí)現(xiàn)記憶截割、跟機(jī)作業(yè)、自動(dòng)推壓搗實(shí)，鑒于邢東礦地質(zhì)條件復(fù)雜，尚無法實(shí)現(xiàn)工作面采煤及充填的無人化。通過在采煤及充填控制過程中建立多元離散數(shù)據(jù)感知系統(tǒng)，確定采煤及充填效果判據(jù)，依據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測技術(shù)，對(duì)采煤及充填效果進(jìn)行快速評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)工作面無人值守，進(jìn)而降低充填成本。

5 結(jié) 語

邢東礦通過20 a 持續(xù)不間斷對(duì)充填開采的實(shí)踐與研發(fā)，推動(dòng)了單面局部到大面積全域充填開采的技術(shù)進(jìn)步，使得充填技術(shù)真正可以實(shí)現(xiàn)不遷村開采。通過提高采充平行度，實(shí)現(xiàn)了規(guī)?；_采，降低了充填成本，提高了充填開采的可推廣價(jià)值。通過打造區(qū)域性矸石處理模式，主動(dòng)保護(hù)了礦區(qū)及周邊生態(tài)環(huán)境，探索了生態(tài)礦山發(fā)展方向，推動(dòng)了煤炭行業(yè)綠色低碳轉(zhuǎn)型發(fā)展。