東曲礦充填開采工藝技術研究

曹 冬 冬

（西山煤電（集團）有限責任公司安監(jiān)局，山西 太原030053）

0 引 言

充填開采可以利用井下出煤的廢矸石，將其充填到井下工作面回采后形成的采空區(qū)當中，對垮落的頂板上覆巖層形成支撐作用，以達到改善采空區(qū)圍巖應力狀態(tài)的目的。礦井通過采用充填開采技術，不僅能夠達到減少地面矸石山堆置、防治污染的目的，而且具有最大程度低回收資源以及減輕地表采空區(qū)塌陷、保護村莊、恢復生態(tài)、保障耕地的作用，充填開采是對于礦井的綠色開采和可持續(xù)發(fā)展具有積極重要的意義。盡管目前在金屬礦山開采中，充填開采已經(jīng)十分普遍，其技術也十分成熟，而在煤礦開采中，充填開采技術尚未進行普及，并且各礦地質(zhì)條件、生產(chǎn)狀況差異較大。因此，必須根據(jù)各個煤礦現(xiàn)場具體情況，進行具體的充填開采工藝設計與應用。

1 礦井概況

東曲礦是山西焦煤西山煤電所屬的大型國有礦井，位于山西省古交市市區(qū)東南側，東距山西省省會

太原市約56km。井田南北長約10km，東西長7km，面積57.9km2，核定產(chǎn)能4.00Mt/a。太古嵐鐵路線由井田

北部經(jīng)過，并且布置運煤站臺及專線與其相連接，太古公路由井田西部經(jīng)過，礦井交通非常便利。

礦井主要可采煤層有2#、4#、8#、9#煤層，采用平硐開拓、條帶式開采的方式，開采水平為+973 水平、+860 水平、+750 水平等三個水平。礦井通風采用分區(qū)抽出方式，進回風井布置“八進五回”。

礦井水文地質(zhì)類型劃分為中等，礦井瓦斯絕對、相對涌出量分別為133.40m3/min、18.19m3/t，屬高瓦斯礦井。煤層自燃傾向等級方面，2#為Ⅱ類自燃煤層，4#、8#、9#煤層均為Ⅲ類不易自燃煤層。礦井地溫正常。

2 充填開采概況

目前礦井主采2#、8#煤層，其中八采區(qū)8#煤層的埋深在309～350m 范圍內(nèi)，煤厚在1.52～5.04m 范圍內(nèi)，平均4.45m，夾矸1-2 層，含矸率較大。8#布置12個工作面，目前已回采2 個工作面，現(xiàn)回采28808 工作面，尚有規(guī)劃的10 個工作面還未開采，其可采儲量約8.05Mt。八采區(qū)8#煤層頂?shù)装鍘r性見表1。

表1 八采區(qū)8#煤層頂?shù)装鍘r性情況

礦井排矸量1.50Mt/a，其中大粒徑矸石0.30Mt/a，小粒徑矸石1.20Mt/a，平均排矸費用約3 400 萬元/年，平均矸石治理費用約4 500 萬元/年。而八采區(qū)8#煤層的含矸率在40%左右，因此規(guī)劃先對八采區(qū)8#煤層進行充填開采，以構建地面洗選、矸石運輸與井下充填的礦井充填開采完整體系，從而達到選煤廠矸石運輸?shù)骄戮偷靥幚淼哪康摹?/p>

3 矸石運輸方案

3.1 地面矸石運輸方案

礦井選煤廠產(chǎn)出倉下矸石的主要來自于主洗車間的水洗矸和準備車間的大塊矸石，其中來自于主洗車間的水洗矸通過1201 皮帶輸送機運至水洗矸石倉，來自于準備車間的大塊矸石通過261 皮帶輸送機運至大塊矸石倉，水洗矸石倉和大塊矸石倉的倉下矸石運輸方式均為汽車運輸。因此，地面矸石破運方案分為以下兩個部分，其中大塊矸石維持目前矸石破運系統(tǒng)，對水洗矸的運輸系統(tǒng)進行管狀皮帶運輸機改造。

將現(xiàn)有的1201 皮帶機按現(xiàn)在的角度16°向前延伸47m，新建一個水洗倉φ15m×48m，地下5m，倉的容量約為7500t，倉下設有給料機，水洗矸通過管狀皮帶輸送機運至井口，與井下皮帶機搭接，皮帶機的參數(shù)與井下的皮帶機配套，其中管狀皮帶帶寬B=1350mm，管徑φ350mm，運量Q=800t/h。同時在管狀皮帶安裝太原鑫隆瑞電子科技有限公司生產(chǎn)的全懸浮電子皮帶秤LCS-XF，進行計量測算返運至井下矸石的數(shù)據(jù)。由于沿路有多處穿過馬路，而且場地上有兩條排洪涵，因此皮帶地上、地下兩部分，地下采用鋼筋砼箱涵結構。

設備供電由東曲選煤廠和東曲礦各帶一部分，設皮帶保護、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、就地PLC 控制箱、中央控制柜。選煤廠新建水洗倉倉上及倉下設備，電源(380V)取自主廠房1#變電所。主廠房配電室增加：變頻器柜1 臺、低壓開關柜5 臺。高壓電源取自+973配電室6kV 配電柜，管狀皮帶驅(qū)動機房新增一臺KBSGZY1000/6/1.2 移變供管狀皮帶電源。

3.2 井下矸石運輸方案

新施工一排矸通道，與井下現(xiàn)有高抽運輸巷貫通，實現(xiàn)地面矸石入井，其中排矸通道全長2 108m，巷道凈寬4.2m（表土段110m，巖巷577m，煤巷1 422m）；高抽運輸巷反向延伸192m，全部為巖巷。實現(xiàn)矸石運輸?shù)匠涮罟ぷ髅婀残? 部帶式輸送機，帶式輸送機參數(shù)如下：帶寬1 000mm，帶速3.15m/s，能力800t/h。

4 綜采充填工作面概況

首充28802 工作面地面位于麻坪嶺村莊東南，蓋山厚度192～340m，工作面東、西、北、南方向分別與已回采的28804 工作面、已規(guī)劃的28802-1 工作面、大巷保護煤柱、+860 水平西翼軌道巷相鄰，上覆2#、4#煤層工作面已開采完畢，4#煤層與8#煤層之間的層間距在77～80m 范圍內(nèi)。工作面所掘進8#煤層屬上石炭統(tǒng)太原組煤層，煤層平均厚度4.45m，結構復雜，煤層厚度變化不大，屬穩(wěn)定煤層。工作面兩順槽及28802 回風措施巷沿8#煤層頂板跟頂掘進。28802 工作面利用+860 水平東翼下組煤系統(tǒng)，工作面順槽與

+860 東翼下組煤皮帶巷、+860 東翼下組煤軌道巷、八采邊界回風巷、860 高抽運輸巷等溝通形成系統(tǒng)，28802 工作面的軌道順槽、皮帶順槽和切眼的長度分別為1085m、1054m 和125.5m，28802 回風措施巷長1105m，28802 軌順聯(lián)絡巷長138m，28802 皮順聯(lián)絡巷利用28804 皮帶順槽的聯(lián)絡巷，28802 回風聯(lián)絡巷長175m。對軌道順槽和切眼設計要求拉低300mm，并進行混凝土鋪底硬化，厚度300mm，混凝土設計標號C30，滿足膠輪車運輸要求。

5 綜采充填工藝方案

5.1 充填采煤平行作業(yè)工藝

矸石充填作業(yè)在緊隨采煤作業(yè)進行，按順序啟動充填刮板輸送機、運矸膠帶輸送機等機電設備，對工作面采空區(qū)進行充填作業(yè)。矸石運輸主要通過地面選煤廠、地面矸石運輸系統(tǒng)、井下矸石運輸系統(tǒng)、順槽轉載皮帶，最后轉運到工作面充填刮板輸送機，井下矸石的充填過程是充填物料被布置于充填刮板輸送機上的卸料孔充填進采空區(qū)當中，再通過推壓機把矸石等充填物料壓密并與采空區(qū)接頂。充填工作面采煤與充填平行作業(yè)，準備充填支架調(diào)整時間，充填采煤作業(yè)時序如圖1 所示。

圖1 充填采煤作業(yè)時序示意圖

5.2 充填作業(yè)流程

在采煤機截割煤壁一段距離之后，進行充填作業(yè)，其主要工藝流程有以下幾個方面：

1）采煤機截深800mm，按照正規(guī)循環(huán)作業(yè)進行操作，在采煤機截割5 架支架的距離后，將這5 架支架進行推架操作，并進行充填作業(yè)前的相關設備檢查工作。

2）按順序啟動充填刮板輸送機、運矸膠帶輸送機等機電設備。

3）沿著充填刮板輸送機的機尾到機頭進行充填作業(yè)，首先開啟器機尾的1 號到5 號卸料孔投放矸石等充填物料，來充填其后方的采空區(qū)區(qū)域，直至其下方鏈條將充填物料拉平到一定高度之后，此時將1 號卸料孔關閉，同時開啟推壓機把投入采空區(qū)的矸石等充填物料壓密并接頂。

4）重復上述工序依次開啟2、3、4、5#卸料孔投放充填物料，并依次分別采用推壓機把投入采空區(qū)的矸石等充填物料壓密并接頂。

5）跟隨采煤機截割過程、支架移架的采煤作業(yè)工序，充填工序按照上述1#到5#卸料孔開閉及推壓機壓密接頂工序，依次重復這一工序進行操作直至對機頭后方采空區(qū)充填作業(yè)結束并關閉各個卸料孔后，這一輪充填作業(yè)結束，并根據(jù)采煤作業(yè)進行下一輪的充填作業(yè)。

充填作業(yè)工序流程如圖2 所示。

圖2 充填作業(yè)工序流程示意圖

圖3 所示為充填作業(yè)斷面示意圖。

圖3 充填作業(yè)斷面示意圖

5.3 采煤充填工藝

該面采用單一厚煤層一次采全高傾斜長壁后退式采煤法，用矸石充填方法控制采空區(qū)頂板。

1）采充工藝。①采煤工藝順序：雙滾筒采煤機割煤→刮板輸送機運煤→液壓支架支護頂板→推移刮板輸送機；②充填施工工藝：機尾拉移支架→運矸皮帶與后部刮板運輸機搭接→工作面中間依次充矸→依次搗實→機頭、機尾充矸搗實（注：端頭支架對采空區(qū)充填不密實時，要安排人工對上下端頭攉矸充填）；③充矸搗實過程：本架漏矸多次→本架搗實多次→鄰架漏矸多次→鄰架搗實多次，多次漏矸，多次搗實，直至采空區(qū)充填物料充分接頂并充搗壓實，達到設計壓力為止（24MPa 以上）。

2）運矸方式。矸石經(jīng)選煤廠水洗倉→管狀皮帶→排矸通道→860 高抽運輸巷→28802 工作面軌道順槽，再經(jīng)SGBC764/2×200 型填矸輸送機到達工作面充填區(qū)域。

3）落煤方式。采用MG500/1200-WD 型太礦采煤機雙向穿梭采煤，前滾筒割頂煤，后滾筒割底煤，滾筒自旋使其截齒將煤破碎，截深800mm。

4）裝煤方式。利用機組滾筒螺旋葉片和運輸機鏟煤板將煤自行裝入運輸機。

5）運煤方式。工作面采用SGZ-900/1050 型雙中心鏈可彎曲刮板輸送機、28802 皮帶順槽采用SZZ900/315 型刮板轉載機和SSJ-1200/2*315 型皮帶機運煤。

6）工作面支護。工作面主體支護設備是ZC9100/30/55 型液壓支架，兩端頭各使用一套ZZTC19340/30/43 型端頭支架支護，上下巷20m 內(nèi)使用ZTC40000/25/45 型超前支架；采用矸石充填控制頂板下沉。

6 結 語

按照礦井排矸量1.50Mt/a，礦井排矸系統(tǒng)費用約每年8 000 萬元，對其進行充填開采改造后成本約每年6 000 萬元，可節(jié)省成本約每年2 000 萬元。本次東曲礦充填開采改造具有良好技術條件、較好的經(jīng)濟利潤水平，有著良好的經(jīng)濟技術效果。此外，通過本次充填開采改造還對山西省其他礦井及“三下”采煤具有一定的借鑒作用，有著良好的市場應用前景。