矸石直接充填采煤的技術(shù)框架、關(guān)鍵設(shè)備及充填開采工藝

盧成飛

(神華神東煤炭集團(tuán) 柳塔煤礦，陜西 榆林 017209)

一 矸石直接充填采煤的技術(shù)框架分析

所謂的矸石直接充填采煤技術(shù)實(shí)質(zhì)上就是借助采掘作業(yè)面處置煤矸石的一種采煤方法，通過該技術(shù)不但能夠有效減少煤礦固體廢棄物的排放量，而且還能進(jìn)一步減輕煤礦開采過程中的沉陷災(zāi)害，有利于提高礦井資源的收回率，是實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開采的關(guān)鍵技術(shù)之一?，F(xiàn)階段，隨著矸石充填液壓支架以及高速動力拋矸機(jī)等設(shè)備的研制成功，使得矸石直接充填采煤變?yōu)榭赡埽⑶乙不拘纬闪嗣旱V井下矸石直接充填開采的技術(shù)框架，其中主要包括綜采矸石充填技術(shù)、巷道采掘矸石充填技術(shù)以及普采矸石充填技術(shù)等等。目前，針對我國各大煤礦矸石的露天排放以及大量的三下壓煤現(xiàn)象，已經(jīng)研制并成功開發(fā)出了煤礦井下矸石直接充填置換開采技術(shù)，并且還相應(yīng)建立了矸石充填采煤的礦壓分析和巖層運(yùn)動與地表沉陷預(yù)測方法，同時還開發(fā)出了井下煤流分選設(shè)備、相應(yīng)系統(tǒng)以及矸石運(yùn)輸系統(tǒng)等，并將之成功應(yīng)用于三下壓煤和其它煤柱的回采當(dāng)中，進(jìn)而形成了一套原創(chuàng)性的矸石置換開采技術(shù)和應(yīng)用體系，其總體技術(shù)框架如圖1所示。

圖1 煤礦井下矸石直接充填采煤的技術(shù)框架

二 矸石直接充填采煤的關(guān)鍵設(shè)備及開采工藝

(一)關(guān)鍵設(shè)備

煤礦井下矸石直接充填采煤技術(shù)的關(guān)鍵設(shè)備有矸石充填機(jī)和矸石輸送機(jī)，后者是前者的配套設(shè)備。在矸石充填的過程中，充填機(jī)的充填部會隨著充填的不斷進(jìn)行向充填巷道外部退移，而輸送機(jī)則應(yīng)當(dāng)能夠隨著充填部的不斷退移，利用自動調(diào)整或是手動調(diào)整快速回復(fù)工作。通常情況下，大部分矸石輸送機(jī)的驅(qū)動方式都是機(jī)頭驅(qū)動，在實(shí)際生產(chǎn)過程中，由于該設(shè)備的體積和重量相對較大，因而向后退移比較困難，這樣一來對矸石的充填速度和效率造成了一定程度的影響，解決這一問題最為有效的方法是改用機(jī)尾驅(qū)動式矸石輸送機(jī)。目前，大部分煤礦采用的矸石輸送機(jī)都是由以下幾個部分組成：膠帶、托輥、機(jī)架、驅(qū)動裝置、拉緊與清掃裝置等，而機(jī)尾驅(qū)動式矸石輸送機(jī)的實(shí)現(xiàn)比較簡單，具體可在現(xiàn)有的膠帶輸送機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)改造，使其驅(qū)動方式由原本的機(jī)頭驅(qū)動變?yōu)闄C(jī)尾驅(qū)動，其相關(guān)參數(shù)的確定主要包括帶寬、帶速、電動機(jī)功率、驅(qū)動滾筒的圓周力及其所需的功率等等。其中帶寬與帶速的確定是較為重要的環(huán)節(jié)之一，根據(jù)相關(guān)理論可得出如下結(jié)論，即最佳的帶寬與帶速有著直接關(guān)系，簡單來講，帶寬大會導(dǎo)致整機(jī)加重、占地面積加寬、造價升高，同時過度增大帶速又可能帶來一些負(fù)面效應(yīng)，如電動機(jī)所需的功率增大、運(yùn)行成本提高等等。此外，帶寬的選擇還與運(yùn)輸物料的最大塊度有關(guān)。由于帶速是影響電動機(jī)選擇的主要因素，而帶速的確定不僅與運(yùn)輸?shù)奈锪戏N類相關(guān)，而且還受到帶寬的制約。通常情況下，可以按照煤礦的實(shí)際地質(zhì)條件，并參照相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范，通過對輸送機(jī)穩(wěn)定性的分析，選取最為適合該作業(yè)條件下的帶寬與帶速。在實(shí)際改造過程中，主要改造的部位如下：其一，將驅(qū)動裝置由機(jī)頭驅(qū)動改為機(jī)尾驅(qū)動;其二，加裝SZL型可伸縮式輸送機(jī)自動張緊裝置，該裝置主要是由液壓泵、隔爆電控箱、拉緊油缸、蓄能站、慢速絞車以及相關(guān)附件構(gòu)成，它的工作原理是當(dāng)膠帶出現(xiàn)松弛且拉力下降時，張緊油缸與膠帶間的拉力便會失去平衡，在蓄能站與泵站的共同作用下，張緊油缸會出現(xiàn)迅速收縮的情況，這樣一來便會拉動小車移動，直至膠帶重新張緊到設(shè)定狀態(tài)為止。

(二)開采工藝

1.矸石直接充填開采的工藝流程。首先，由推車機(jī)將矸石礦車推入到翻車機(jī)中，再由翻車機(jī)翻矸至矸石倉，隨后由矸石倉下口將矸石送入給料機(jī)，并由給料機(jī)將矸石轉(zhuǎn)送至充填配巷的機(jī)尾驅(qū)動式矸石輸送機(jī)中，然后運(yùn)送給充填機(jī)，由其充填至需要進(jìn)行充填的巷道內(nèi)。同時在與之鄰近的充填巷道內(nèi)進(jìn)行注漿加固處理。

2.充填工藝。矸石充填過程中采用的是機(jī)尾驅(qū)動式矸石輸送機(jī)，其驅(qū)動部分位于機(jī)尾，將之固定在充填巷道的出口位置處，輸送機(jī)的機(jī)尾部分與充填機(jī)的機(jī)尾進(jìn)行搭接，并由該端負(fù)責(zé)接收來自于矸石充填配巷的矸石，然后通過輸送機(jī)將矸石運(yùn)輸至與充填機(jī)充填部位銜接的卸載端，矸石輸送機(jī)的機(jī)頭則隨著充填巷的不斷充填而外移，設(shè)備上的拉緊裝置能夠使輸送機(jī)的膠帶不斷收縮，進(jìn)而使矸石充填工作保持連續(xù)。

3.應(yīng)用效果分析。①通過將矸石輸送機(jī)由機(jī)頭驅(qū)動改為機(jī)尾驅(qū)動，進(jìn)一步降低了工作人員的勞動強(qiáng)度，設(shè)備的后撤速度也明顯加快，正常情況下，矸石的日最大處理量能夠達(dá)到150立方米左右。②由于輸送機(jī)的驅(qū)動裝置安裝在機(jī)尾，從而增大了充填巷內(nèi)的活動空間，有效減少了設(shè)備及作業(yè)人員的安全事故。③輸送機(jī)的機(jī)頭卸矸端能夠很好的使充填機(jī)充填部自動移動，進(jìn)而消除了輸送機(jī)卸矸時矸石外漏的情況，顯著提高了矸石運(yùn)輸?shù)目煽啃?。④整個矸石充填的工序非常簡單，充填后的矸石密實(shí)度良好，能夠?qū)Ω矌r層起到較好的控制作用。

(三)矸石直接充填開采技術(shù)的推廣前景

推廣矸石直接充填開采技術(shù)的重要意義具體體現(xiàn)在以下幾個方面上：其一，通過該技術(shù)的推廣應(yīng)用，能夠有效解決三下壓煤問題，可以顯著增加可供采掘的煤炭資源，有助于延長礦井的服務(wù)年限。由于煤炭本身屬于不可再生的一次性資源，因而，增大煤炭資源、延長礦井服務(wù)年限對于國民經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展意義重大;其二，能夠明顯改變礦壓的顯現(xiàn)規(guī)律，可以使礦井的支護(hù)條件獲得顯著改善。由于充填開采使原始的圍巖得以穩(wěn)定，采掘作業(yè)面初期來壓以及周期來壓也不再顯現(xiàn)，從而使得礦山的壓力明顯降低，不但進(jìn)一步減少了支架的工作阻力，而且還節(jié)省了大量的鋼材;其三，有助于減少礦井涌水量，進(jìn)而節(jié)省排水費(fèi)用。采用充填開采技術(shù)可以使煤層底板始終保持穩(wěn)定，這樣一來涌水量大幅度降低，較之常規(guī)開采工藝能夠節(jié)省將近70%左右的井下排水費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)效益非常明顯;其四，可顯著減少矸石山的占地面積，有利于保護(hù)周邊自然生態(tài)環(huán)境。據(jù)不完全統(tǒng)計，我國每年累計堆積的矸石約為45億噸左右，較大規(guī)模的矸石山約有1600余座之多，并且矸石的堆積量還在以每年15-20億噸的速度增長，采用矸石直接充填采煤技術(shù)能夠使該問題獲得有效解決;其五，有利于減少礦井瓦斯的涌出量。由于采用矸石直接充填開采工藝采空區(qū)后圍巖不會產(chǎn)生出移動，這樣煤層頂板和底板便可以保持原始狀態(tài)，瓦斯涌出量比采用冒落式開采大幅度減少;其六，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益明顯。采用該技術(shù)進(jìn)行煤礦開采矸石不會形成矸石山，有效減少了矸石的占地面積，礦山周邊環(huán)境得以改善。

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