堤壩下矸石不升井充填采煤技術(shù)實(shí)踐

李 劍，王東升，王志平，康 濤，耿佃凱

（1.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院，江蘇 徐州 221116；2.深部煤炭資源開(kāi)采教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 徐州 221008）

隨著開(kāi)采能力逐年加大，兗礦集團(tuán)濟(jì)三煤礦“三下”壓煤?jiǎn)栴}凸顯。礦井剩余可采儲(chǔ)量3.61億t，“三下”壓煤高達(dá)1.93億t，占可采儲(chǔ)量的53.39%，其中，南陽(yáng)湖泊及其堤壩下壓煤占17.12%。同時(shí)，濟(jì)三礦排矸主要以帶式輸送機(jī)運(yùn)輸為主，隨著礦井的開(kāi)拓延深，排矸線(xiàn)路不斷加長(zhǎng)，運(yùn)輸環(huán)節(jié)持續(xù)增加，排矸費(fèi)用隨之加大。十八采區(qū)開(kāi)拓掘進(jìn)時(shí)，排矸路線(xiàn)長(zhǎng)達(dá)5000m。礦井西區(qū)開(kāi)拓掘進(jìn)時(shí)，矸石量大、排矸環(huán)節(jié)多和排矸費(fèi)用高的問(wèn)題比十八采區(qū)更為嚴(yán)重。

為了解決上述問(wèn)題，本文提出采用矸石不升井充填采煤技術(shù)［1－5］的解決方案，并以63下04-1充填采煤工作面進(jìn)行工業(yè)性試驗(yàn)，成功開(kāi)采出大型堤壩下的煤炭資源，解決了礦井下的矸石排放問(wèn)題，為國(guó)內(nèi)外存在類(lèi)似問(wèn)題的礦井提供了技術(shù)借鑒。

1 矸石不升井充填采煤技術(shù)原理

濟(jì)三礦矸石不升井充填采煤技術(shù)與該礦采用的綜合機(jī)械化采煤［6－10］技術(shù)形成匹配：用機(jī)械方法將礦井西區(qū)的掘進(jìn)矸石在不升井的情況下直接運(yùn)送至六采區(qū)采空區(qū)，通過(guò)工作面充填設(shè)備實(shí)現(xiàn)充填和采煤同步作業(yè)，在滿(mǎn)足控制采空區(qū)覆巖下沉目標(biāo)的同時(shí)，采出會(huì)導(dǎo)致地表沉陷的傳統(tǒng)綜采技術(shù)所不能開(kāi)采的南陽(yáng)湖堤壩下的煤炭資源。

本技術(shù)可實(shí)現(xiàn)提高煤炭資源回收率，充分利用井下掘進(jìn)矸石，保障濟(jì)三礦地表南陽(yáng)湖堤壩安全使用，保護(hù)地表水體不受污染等多重目標(biāo)，可以有效解決該礦煤炭資源開(kāi)采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)一體化的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)煤炭資源綠色開(kāi)采及科學(xué)采礦的理念［11－15］。

2 矸石不升井充填采煤系統(tǒng)

63下04-1工作面對(duì)應(yīng)地表位于濟(jì)三礦工業(yè)廣場(chǎng)西北部，辛店村以東，處于南陽(yáng)湖及其湖堤的地表保護(hù)邊界內(nèi)。地面標(biāo)高＋33.0～＋33.3m，工作面標(biāo)高-639.0～-663.0m。井下位于六采區(qū)西南部，東臨63下03工作面（已回采），西臨63下04膠順，北臨63下04工作面采空區(qū)。63下04-1工作面系統(tǒng)布置如圖1所示。

圖1 63下04-1工作面布置圖

矸石不升井充填采煤技術(shù)包括運(yùn)煤系統(tǒng)、通風(fēng)系統(tǒng)、運(yùn)料系統(tǒng)、矸石處理系統(tǒng)等。前三者與傳統(tǒng)綜采工作面系統(tǒng)布置基本一致，矸石處理系統(tǒng)是矸石不升井充填采煤技術(shù)特有的系統(tǒng)，其主要功能是解決充填材料從來(lái)源地到充填工作面的預(yù)處理，使矸石達(dá)到充填工序的要求。

63下04-1充填采煤工作面所用充填材料為井下掘進(jìn)矸石，來(lái)源地主要為西部輔助運(yùn)輸巷掘進(jìn)工作面和七采區(qū)邊界輔運(yùn)巷掘進(jìn)工作面。矸石經(jīng)過(guò)帶式輸送機(jī)進(jìn)入西區(qū)矸石倉(cāng)。掘進(jìn)矸石井下處理流程如圖2所示［7－8］。

圖2 充填采煤矸石井下處理工藝流程圖

矸石處理系統(tǒng)的2個(gè)主要工序?yàn)楹Y分和破碎。由西區(qū)矸石倉(cāng)下口放出的矸石，先經(jīng)過(guò)篩分機(jī)進(jìn)行篩分，其中粒徑小于等于100mm的矸石直接落至位于篩分機(jī)下部的帶式輸送機(jī)上，粒徑大于100mm的則先經(jīng)過(guò)2PLF90/150分級(jí)式齒輥破碎機(jī)破碎，使其粒徑達(dá)到小于等于100mm的標(biāo)準(zhǔn)后再落入帶式輸送機(jī)上。處理后的矸石由帶式輸送機(jī)經(jīng)西部回風(fēng)巷、六采區(qū)運(yùn)矸巷及63下04-1運(yùn)矸巷運(yùn)輸至63下04-1充填采煤工作面。

3 綜合機(jī)械化充填采煤關(guān)鍵設(shè)備

如圖3所示，處理后的充填材料由帶式輸送機(jī)進(jìn)入充填采煤工作面，經(jīng)自移式充填物料轉(zhuǎn)載輸送機(jī)轉(zhuǎn)載進(jìn)入多孔底卸式輸送機(jī)，經(jīng)多孔底卸式輸送機(jī)中部卸料孔落入采空區(qū)，并由全采高夯實(shí)機(jī)進(jìn)行夯實(shí)加固。

圖3 充填采煤工作面矸石運(yùn)輸原理圖

3.1 正四連桿六柱式固體充填采煤液壓支架

充填采煤液壓支架主要由頂梁、立柱、底座、四連桿機(jī)構(gòu)、后頂梁、全采高夯實(shí)機(jī)等構(gòu)成。后頂梁由兩根斜立柱支撐，以增加支架后頂梁的支護(hù)強(qiáng)度和穩(wěn)定性。支架后頂梁用以支護(hù)采空區(qū)一側(cè)頂板并懸掛多孔底卸式輸送機(jī)。支架底座后部安裝全采高夯實(shí)機(jī)，對(duì)矸石充填材料進(jìn)行壓實(shí)。充填采煤液壓支架原理圖如圖4所示。

圖4 六柱式充填采煤液壓支架原理圖

固體充填采煤液壓支架與傳統(tǒng)綜采液壓支架相比，特點(diǎn)在于：充填采煤液壓支架拆除傳統(tǒng)綜采液壓支架的掩護(hù)斜梁，代以水平短后頂梁；支架保護(hù)同步作業(yè)的采煤和充填工序；在不需要充填時(shí)，后頂梁可以垂下并更換立柱形成綜采支撐掩護(hù)式支架。根據(jù)濟(jì)三礦采礦地質(zhì)條件和充填采煤工藝要求，設(shè)計(jì)選用ZZC10000/20/40型六柱支撐式充填液壓支架。

3.2 多孔底卸式輸送機(jī)及“反向式”全采高夯實(shí)機(jī)

根據(jù)充填矸石的運(yùn)量要求和充填采煤支架的配套要求，工作面選用SGBC764/250型多孔底卸式輸送機(jī)進(jìn)行充填物料的運(yùn)輸。多孔底卸式輸送機(jī)與普通刮板輸送機(jī)在結(jié)構(gòu)上的主要區(qū)別為：每一節(jié)溜槽中部增加液壓控制的卸料孔，以開(kāi)合漏出充填材料；溜槽厚度比相同運(yùn)輸能力的刮板輸送機(jī)減少40%，以利于支架懸掛和充填空間保障。

由于濟(jì)三礦采高變化較大，夯實(shí)機(jī)構(gòu)運(yùn)行軌跡較長(zhǎng)，因此確定“反向式”全采高夯實(shí)系統(tǒng)采用兩級(jí)伸縮結(jié)構(gòu)，以增加壓實(shí)機(jī)構(gòu)的伸縮比，減小夯實(shí)機(jī)構(gòu)整體尺寸。“反向式”全采高夯實(shí)機(jī)構(gòu)由兩個(gè)水平壓實(shí)油缸，一個(gè)調(diào)高油缸，一塊壓實(shí)板，兩個(gè)立柱組成，夯實(shí)系統(tǒng)兩個(gè)水平壓實(shí)油缸可以通過(guò)調(diào)高油缸以鉸接點(diǎn)為支點(diǎn)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，并可以通過(guò)雙伸縮壓實(shí)千斤頂改變油缸的長(zhǎng)度，通過(guò)夯實(shí)板夯實(shí)采空區(qū)的矸石，實(shí)現(xiàn)全斷面夯實(shí)功能。

3.3 自移式充填物料轉(zhuǎn)載輸送機(jī)

自移式充填物料轉(zhuǎn)載輸送機(jī)主要實(shí)現(xiàn)充填物料從低位的運(yùn)矸帶式輸送機(jī)向高位的多孔底卸式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載，由兩部分組成：一部分是具有升降、伸縮功能的轉(zhuǎn)載輸送機(jī)，另一部分是能夠?qū)崿F(xiàn)液壓缸邁步自移功能的底架總成。轉(zhuǎn)載輸送機(jī)鉸接在底架總成上?？烧{(diào)自移機(jī)尾裝置也有兩部分組成，一部分是可調(diào)架體，另一部分也是能夠?qū)崿F(xiàn)液壓缸邁步自移功能的底架總成。根據(jù)工作面的充填能力和煤礦的生產(chǎn)地質(zhì)條件，工作面選用GSZZ-800/15型充填采煤轉(zhuǎn)載輸送機(jī)，其結(jié)構(gòu)示意如圖5所示。

圖5 自移式充填物料轉(zhuǎn)載輸送機(jī)結(jié)構(gòu)示意

4 工程應(yīng)用

4.1 基本概況

濟(jì)三礦以充填采煤開(kāi)采六采區(qū)南陽(yáng)湖河堤保護(hù)煤柱。首采工作面63下04-1工作面長(zhǎng)80m，推進(jìn)長(zhǎng)度518m，可采儲(chǔ)量為18.2萬(wàn)t。工作面回采煤層為山西組煤3下，平均厚度3.5m，傾角0°～8°，3＃煤層綜合柱狀如圖6所示。

4.2 密實(shí)充填保障措施

密實(shí)充填是固體充填采煤技術(shù)成功控制巖層移動(dòng)及地表沉陷的關(guān)鍵因素，濟(jì)三礦井下掘進(jìn)矸石密實(shí)充填采空區(qū)的保障措施包括設(shè)計(jì)合理的充填采煤工藝及采用充實(shí)率監(jiān)控體系［13］進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控等主要技術(shù)手段。合理的充填采煤工藝在雙通道的充填采煤液壓支架的掩護(hù)下實(shí)現(xiàn)，保證每一個(gè)步距內(nèi)的充填效果；充實(shí)率監(jiān)控體系為確保充實(shí)率滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求而構(gòu)建，需要對(duì)頂板的提前下沉量、欠接頂量、充填物料的壓縮變形量進(jìn)行全程監(jiān)控，該體系由工作面監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、充采比監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、采空區(qū)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及地面控制中心四部分組成。通過(guò)該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)充實(shí)率的實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，利用工作面、運(yùn)輸系統(tǒng)及采空區(qū)的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，再由地面控制中心分析采集的數(shù)據(jù)并對(duì)相應(yīng)設(shè)備、人員發(fā)出指令以實(shí)現(xiàn)對(duì)充實(shí)率的嚴(yán)格控制。

圖6 3＃煤層綜合柱狀圖

4.3 實(shí)施效果

濟(jì)三礦63下04-1首采充填采煤工作面，自2011年2月開(kāi)始回采以來(lái)，首采工作面已開(kāi)采完畢，共計(jì)產(chǎn)出煤炭15萬(wàn)t；累計(jì)處理井下矸石約為22.5萬(wàn)t，通過(guò)礦壓及巖層移動(dòng)觀(guān)測(cè)，采空區(qū)頂板最大下沉340mm，采空區(qū)充實(shí)率達(dá)到90.3%，優(yōu)于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)；采空區(qū)對(duì)應(yīng)地表沉陷實(shí)測(cè)表明，63下04-1工作面開(kāi)采完畢后，南陽(yáng)湖堤最大下沉值為32mm，最大水平變形值為0.14mm/m，均遠(yuǎn)小于湖堤的允許變形值，河堤上的道路及附近建筑物沒(méi)有觀(guān)察到裂縫變化的跡象，充填采煤地表沉陷控制效果良好［14－15］。

濟(jì)三礦63下04工作面可采儲(chǔ)量為50萬(wàn)t，噸煤利潤(rùn)按250元計(jì)算，可創(chuàng)效益約為1.25億元；同時(shí)，該技術(shù)的實(shí)施減少了矸石提升運(yùn)輸費(fèi)用、矸石的排放費(fèi)用、村莊搬遷費(fèi)用及河堤的維護(hù)費(fèi)用等，為煤礦開(kāi)采節(jié)省了大量的輔助費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益良好。若該技術(shù)推廣至濟(jì)三礦以及整個(gè)兗州礦區(qū)進(jìn)行“三下”壓煤的回采，其經(jīng)濟(jì)效益巨大。

5 結(jié)論

濟(jì)三礦堤壩下矸石不升井充填采煤技術(shù)主要用于解決掘進(jìn)矸石不升井規(guī)?；幚砑翱刂频乇淼乇碜冃尾⒈Ｕ夏详?yáng)湖堤壩正常使用的目的，結(jié)合濟(jì)三礦井下實(shí)際工程地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)掘進(jìn)矸石井下處理系統(tǒng)，通過(guò)研發(fā)正四連桿六柱支撐式固體充填采煤液壓支架、多孔底卸式輸送機(jī)、“反向式”全采高夯實(shí)機(jī)以及自移式充填物料轉(zhuǎn)載輸送機(jī)等關(guān)鍵采充設(shè)備，將處理的矸石密實(shí)充填至采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)采煤與充填并行作業(yè)。

在合理充填工藝及充實(shí)率監(jiān)控體系的保障措施下，該礦設(shè)計(jì)首采充填工作面目前已采出煤炭15萬(wàn)t，處理井下矸石約為22.5萬(wàn)t，采空區(qū)充實(shí)率達(dá)到90.3%，地面堤壩也未出現(xiàn)損壞。矸石不升井充填采煤技術(shù)在濟(jì)三礦取得成功應(yīng)用，為濟(jì)三礦創(chuàng)造了顯著的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。

［1］繆協(xié)興，張吉雄.矸石充填采煤中的礦壓顯現(xiàn)規(guī)律分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，24（4）：379-382.

［2］張吉雄，周躍進(jìn)，黃艷利.綜合機(jī)械化固體充填采煤一體化技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2012，40﹙11﹚：10-13，27.

［3］張吉雄，繆協(xié)興，郭廣禮.矸石（固體廢物）直接充填采煤技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2009，26（4）：395-401.

［4］繆協(xié)興，張吉雄，郭廣禮.綜合機(jī)械化固體充填采煤方法與技術(shù)研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（1）：1-6.

［5］周躍進(jìn)，張吉雄，聶守江，等.充填采煤液壓支架受力分析與運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41（3）：366-370.

［6］張文海，張吉雄，趙計(jì)生，等.矸石充填采煤工藝及配套設(shè)備研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2007，24（1）：79-83.

［7］張吉雄，繆協(xié)興.煤礦矸石井下處理的研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，35（2）：197-200.

［8］巨峰，張吉雄.復(fù)雜地質(zhì)條件礦井矸石零排放處理技術(shù)與應(yīng)用［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2011，39（8）：19-22.

［9］繆協(xié)興，張吉雄，郭廣禮.綜合機(jī)械化固體廢物充填采煤方法與技術(shù)［M］.徐州：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)出版社，2010.

［10］黃艷利，張吉雄，杜杰.綜合機(jī)械化固體充填采煤充填體時(shí)間相關(guān)特性研究［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，29（5）：697-701.

［11］黃艷利，張吉雄，張強(qiáng)，等.充填體壓實(shí)率對(duì)綜合機(jī)械化固體充填采煤巖層移動(dòng)控制作用分析［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012，29（2）：162-167.

［12］周躍進(jìn)，陳勇，張吉雄，等.充填開(kāi)采充實(shí)率控制原理及技術(shù)研究［J］.采礦與安全工程學(xué)報(bào)，2012，29（3）：315-356.

［13］張吉雄，李劍，安泰龍，等.矸石充填綜采覆巖關(guān)鍵層變形特征研究［J］.煤炭學(xué)報(bào)，2010，35（3）：357-362.

［14］陳杰，杜計(jì)平，張衛(wèi)松，等.矸石充填采煤覆巖移動(dòng)的彈性地基梁模型分析［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，41（1）：14-19.