井下煤矸分離及矸石充填技術研究

魏永啟，周 芳

（兗州煤業(yè)股份有限公司，山東 鄒城 273500）

1 礦井概況

濟寧二號煤礦位于山東省濟寧市，設計生產(chǎn)能力400 萬t/a，隸屬兗州煤業(yè)股份有限公司。礦井于1989年12 月開工建設，1997 年11 月建成投產(chǎn)。井田面積87.1067km2，南北長6～11km，東西寬10km。礦井地質(zhì)構造條件復雜，斷層發(fā)育，地質(zhì)儲量7.90 億t，可采儲量1.39 億t。礦井為立井開拓，主、副、風井均布置在工廣區(qū)內(nèi)，采用中央并列抽出式通風。

煤炭開采過程中產(chǎn)生大量矸石，雖然多數(shù)矸石進行了利用，但矸石外排對仍會對環(huán)境造成一定影響。濟寧二號煤礦深入貫徹綠色發(fā)展理念，結合礦井實際，積極研究井下煤矸分離及充填技術，探索礦井矸石處理新途徑，不斷提高綠色開采水平。

2 煤矸分離技術

2.1 煤矸分離系統(tǒng)

擬選用TDS 風選煤矸分離系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用智能識別方法，針對不同的煤質(zhì)特征建立與之相適應的分析模型，通過大數(shù)據(jù)分析，對煤與矸石進行數(shù)字化識別，最終通過智能排矸系統(tǒng)將矸石排出。TDS 智能干選機適用于25～300mm 煤矸分選。

根據(jù)濟寧二號煤礦毛煤篩分試驗結果，確定按+50mm 分級，井下TDS 智能干選系統(tǒng)分選能力為280t/h，設計年分矸處理能力為46 萬t/a。TDS 智能干選系統(tǒng)包括給料、識別、執(zhí)行幾大主要系統(tǒng)，以及供風、除塵、配電、控制等輔助系統(tǒng)。主要設備包括：2 臺TDS14- 305 型智能干選機、齒盤滾軸篩、轉(zhuǎn)載帶式輸送機等，TDS 系統(tǒng)設備。

圖1 TDS 智能干選原理圖

圖2 TDS 煤矸分離系統(tǒng)示意圖

2.2 實施方案

在南翼3# 煤倉附近設計煤矸分離及充填設備巷道硐室。11306 運順機頭段距離南翼3# 煤倉30～40m處施工直徑5m、深20m 的矸石倉，容積392.5m3，可儲存矸石628t。南翼3# 煤倉與矸石倉之間巷道挑頂落底改造，改造量約500m3。改造后配備TDS 干選設備，分選后矸石進人矸石倉，煤經(jīng)下運皮帶返回南翼3# 煤倉。

圖3 煤矸分離與充填系統(tǒng)巷道示意圖

3 矸石處理方案

按- 740 水平年生產(chǎn)能力300 萬t，矸石率12.5%計算，年產(chǎn)生矸石300×12.5%=37.5 萬t，掘進矸石6萬t，共計43.5 萬t。設計年充填矸石能力可達40 萬t。

3.1 系統(tǒng)改造工程

矸石倉底部施工約160m 巖石巷道，凈斷面17.5m2。兩側(cè)分別與- 740 水平皮帶巷和皮帶巷機尾聯(lián)絡巷溝通，一側(cè)安裝矸石充填泵送設備、鋪設管路，在機尾聯(lián)絡巷與回風大巷立交處施工立眼延伸管路至工作面充填位置。另一側(cè)安裝皮帶機運輸矸石至- 740 水平一部皮帶。

從充填設備硐室引出充填管路，經(jīng)- 740 回風大巷向西延伸，根據(jù)接續(xù)工作面位置沿工作面順槽敷設至切眼內(nèi)，隨工作面推進而外移。

3.2 矸石充填技術

3.2.1 巷道充填技術

巷道充填主要采用非膠結膏體充填開采技術，向廢棄巷道中充入非膠結膏體，處理部分矸石。

非膠結膏體充填工藝流程：井下煤矸分離系統(tǒng)分選出的矸石通過矸石轉(zhuǎn)載破碎系統(tǒng)輸送到井下矸石倉，矸石倉內(nèi)的矸石再經(jīng)高細破碎機、帶式輸送機運輸至攪拌機，然后在攪拌機內(nèi)攪拌后形成矸石非膠結膏體，利用充填泵泵送至老巷進行充填。

3.2.2 工作面充填技術

充填工作面依靠充填支架作隔離墻，在直接頂板未垮落前充填滿支架后方的采空區(qū)，待充填材料凝固并達到要求強度后再移動支架，開始下一循環(huán)采煤與充填。膠結膏體自身具有從漿體逐漸凝固形成一定強度固體的特性。膠結膏體充填依靠膠結膏體凝固體強度實現(xiàn)對上覆巖層的有效支撐作用，控制上覆巖層移動和地表沉陷。

膠結膏體充填與非膠結膏體充填相比，充填材料需增加水泥和粉煤灰，為降低對輔助運輸系統(tǒng)的影響，擬利用地面注漿站把水泥和粉煤灰在地面制成灰漿，再通過注漿管道輸送至井下充填站。該方案全程自動化控制，工作量大大減少，采用環(huán)保措施，粉塵等污染少。

圖4 濟寧二號煤礦井下充填站膏體充填開采工藝流程圖

3.3 充填區(qū)域確定

3.3.1 充填工作面

前期將 153 上 02、133 上 05 分別改造為 2 個充填工作面，可采儲量85 萬t，約可處理矸石100 萬t。后期根據(jù)矸石產(chǎn)量和接續(xù)情況，在九采區(qū)、十三采區(qū)、十五采區(qū)構筑物煤柱等區(qū)域布置充填工作面。

3.3.2 充填巷道

圖5 充填開采區(qū)域示意圖4.主要經(jīng)濟技術指標

九采區(qū)東部輔助巷約2100m 巷道，巷道西高東低，平均斷面14m2，可采用非膠結膏體充填方式，處理 4.4 萬 t 矸石。十一采區(qū) 113 上 03、113 下 10 順槽約2400m 巷道平均斷面12m2，可采用膏體充填方式，處理4.3 萬t 矸石。隨采場布置變化，對停采線外不可采區(qū)域的老巷進行充填。

3.4 矸石井下處理能力

按 - 740 水平生產(chǎn)能力 300 萬 t/a，+50mm 矸石率12.5%，掘進矸石6 萬t 計，年可分離矸石43.5 萬t。TDS 分離系統(tǒng)年分選矸石46 萬t/a；膏體充填系統(tǒng)能力為100m3/h，年可處理矸石40 萬t。

3.5 置換資源量

充填工作面每年置換原煤36.7 萬t/a，創(chuàng)效約8000 萬元。

5 結束語

1）利用煤矸分離及矸石充填技術，能夠?qū)崿F(xiàn)矸石“不升井、少上井”，有效避免因矸石堆放造成的環(huán)境污染。

2）實施充填開采，能夠解放部分“三下”壓覆資源，有利于提高礦井資源回收率，延長服務年限，促進礦井的可持續(xù)發(fā)展。

3）矸石非膠結膏體充填技術，為防止工作面采空區(qū)自然發(fā)火提供了有效技術途徑，有利于提高礦井安全保障程度。

4）矸石膠結膏體充填利用部分井下涌水，根據(jù)設計每年充填用水量在13 萬m3，減少了礦井污水處理工作量和處理費用。