大垂深井工煤礦煤矸石井下充填技術(shù)的探索與實(shí)踐

文/ 郭旺東

井工煤礦在開采和煤炭洗選加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量矸石，如果處理不當(dāng)，將會(huì)造成污染土壤、地下水、空氣等生態(tài)環(huán)境問題。為了引導(dǎo)和鼓勵(lì)煤炭企業(yè)解決矸石排放問題，國(guó)家相繼出臺(tái)了一系列政策法規(guī)，鼓勵(lì)實(shí)施煤矸石井下充填。中天合創(chuàng)能源有限責(zé)任公司在葫蘆素煤礦開展煤矸石井下充填項(xiàng)目研究，對(duì)井工煤礦大垂深投料、大排量矸石充填技術(shù)的可行性進(jìn)行了探索和實(shí)踐，采用新技術(shù)新手段，解決了因煤礦矸石排放造成的相關(guān)問題，為大垂深井工煤礦煤矸石井下充填提供了有益借鑒。

一、煤矸石井下充填項(xiàng)目概況

中天合創(chuàng)公司葫蘆素礦井設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力13.0Mt/a，工業(yè)場(chǎng)地內(nèi)布置有主井、副井和風(fēng)井，井口標(biāo)高+1307.8m，井底坐落于2-2中煤底板，井底車場(chǎng)標(biāo)高+640m，井筒深度667.8m。礦井現(xiàn)已建成投產(chǎn)，煤矸石產(chǎn)量約為2.0Mt/a。如果采取常規(guī)的堆存方式處置大量煤矸石，將會(huì)對(duì)脆弱的生態(tài)環(huán)境帶來極大危害，且未來面臨煤矸石無法處置的困境。

為解決長(zhǎng)期困擾礦井生產(chǎn)的煤矸石處置問題，經(jīng)反復(fù)調(diào)研，中天合創(chuàng)公司決定利用工作面采空區(qū)充填技術(shù)解決矸石外排問題。擬充填區(qū)域位于葫蘆素礦井二盤區(qū)2-1煤層，充填工作面布置在21204工作面停采線范圍以內(nèi)，編號(hào)為CT21201工作面。

二、煤矸石井下充填技術(shù)的探索與應(yīng)用

1.總體思路

國(guó)內(nèi)煤礦充填技術(shù)主要有膏體充填、高水充填和綜合機(jī)械化固體充填。其中綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)（又稱刮板輸送機(jī)卸矸充填技術(shù)）效率最高、成本最低。綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)是將傳統(tǒng)綜采技術(shù)與充填技術(shù)有機(jī)結(jié)合，在沿用原有的采煤與運(yùn)煤系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，增加了充填材料立井投送系統(tǒng)、充填材料井下運(yùn)輸系統(tǒng)和采空區(qū)支架后部夯實(shí)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采煤與矸石充填并行作業(yè)。該技術(shù)在我國(guó)多個(gè)礦區(qū)有所應(yīng)用，但普遍都是矸石投放系統(tǒng)立井投料垂深小、矸石投放量在1.0Mt/a以下。目前大垂深投料、大排量矸石充填技術(shù)無成功經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，需要深入探索研究此項(xiàng)技術(shù)來解決葫蘆素礦井矸石處置問題。

矸石充填技術(shù)總體構(gòu)思為：葫蘆素選煤廠洗選矸石破碎后，經(jīng)投料井（投料井深600.8m）進(jìn)入井下儲(chǔ)料倉(cāng)，通過帶式輸送機(jī)運(yùn)至工作面回風(fēng)口轉(zhuǎn)載機(jī)頭，最終通過懸吊在支架后頂梁上的底卸式刮板機(jī)運(yùn)至采空區(qū)。矸石充填技術(shù)流程如圖1所示。

圖1 矸石充填技術(shù)流程示意圖

2.充填系統(tǒng)布置和充填設(shè)備選擇

（1）充填系統(tǒng)布置。矸石充填系統(tǒng)從地面到井下依次布置有地面運(yùn)輸與破碎系統(tǒng)、垂直投放系統(tǒng)、井下運(yùn)輸系統(tǒng)和工作面排矸系統(tǒng)。

充填工作面布置運(yùn)煤巷、輔運(yùn)巷和回風(fēng)巷。矸石充填路徑：洗選矸石通過投料井進(jìn)入儲(chǔ)料倉(cāng)，經(jīng)帶式給料機(jī)、矸石運(yùn)輸聯(lián)巷帶式輸送機(jī)、矸石運(yùn)輸大巷帶式輸送機(jī)、工作面運(yùn)矸帶式輸送機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)、底卸式刮板輸送機(jī)排入采空區(qū)。

（2）充填設(shè)備選擇。地面采用一套反擊式破碎系統(tǒng)破碎洗選矸石。帶式給料機(jī)、帶式輸送機(jī)，利用煤礦現(xiàn)有設(shè)備即可滿足要求。

充填工作面布置有充填采煤液壓支架、自移式可伸縮轉(zhuǎn)載機(jī)、底卸式刮板輸送機(jī)等關(guān)鍵充填設(shè)備，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際條件和大排矸量特點(diǎn)，經(jīng)論證后對(duì)設(shè)備選擇提出具體要求。

①充填采煤液壓支架的選擇。設(shè)備選擇要求為：一是液壓支架后部需安裝夯實(shí)機(jī)構(gòu)，以便夯實(shí)采空區(qū)排矸；二是支架后頂梁的支護(hù)強(qiáng)度必須滿足矸石充入采空區(qū)前后頂梁下沉量相關(guān)設(shè)計(jì)要求（即保障足夠的排矸空間），支架后部需要增設(shè)保護(hù)和阻擋裝置，防止采空區(qū)矸石涌入工作面，同時(shí)保護(hù)后部排矸設(shè)備；三是支架后部需要懸掛底卸式刮板輸送機(jī)，支架整體尺寸較大，設(shè)計(jì)中要控制最大不可拆卸部件尺寸，滿足副井提升罐籠尺寸要求。根據(jù)上述要求，設(shè)計(jì)采用四柱式矸石排放綜采夯實(shí)支架，架間距1.75m，使用高度2.3～3.5m，支架工作阻力為12000kN。

②自移式可伸縮矸石轉(zhuǎn)載機(jī)的選擇。自移式可伸縮矸石轉(zhuǎn)載機(jī)的作用是轉(zhuǎn)載皮帶輸送機(jī)頭至支架后部底卸式輸送機(jī)的矸石。設(shè)備選擇要求為：一是要滿足2.0Mt/a的矸石輸送能力；二是設(shè)計(jì)尺寸要與工作面巷道尺寸、端頭支護(hù)設(shè)備尺寸、支架尺寸以及后部底卸式輸送機(jī)相匹配；三是具備自移功能，橫向有一定擺角且具備伸縮功能；四是移動(dòng)方式對(duì)巷道底板要有較大適應(yīng)性。

③底卸式刮板輸送機(jī)的選擇。設(shè)備選擇要求為：一是要滿足2.0 Mt/a的矸石處理能力；二是刮板鏈速度與卸料孔的設(shè)計(jì)要保障卸料孔完成卸料；三是輸送機(jī)機(jī)頭和機(jī)尾需要設(shè)計(jì)專用升降平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)承載并能隨支架移動(dòng)；四是輸送機(jī)與支架組合方式需滿足支架移架步距的尺寸要求。根據(jù)上述要求，決定采用以SGBC764/250型刮板輸送機(jī)為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)新型底卸式刮板輸送機(jī)。

在相關(guān)充填所需設(shè)備設(shè)施布置到位后，排矸工作主要由工作人員操縱充填采煤液壓支架上的底卸式刮板輸送機(jī)和夯實(shí)機(jī)構(gòu)共同完成。矸石通過底卸式刮板輸送機(jī)卸至采空區(qū)后，經(jīng)過夯實(shí)機(jī)構(gòu)反復(fù)夯實(shí)，實(shí)現(xiàn)充填目標(biāo)。

3.關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新點(diǎn)

葫蘆素礦井投料井深度和矸石充填量在國(guó)內(nèi)充填開采礦井中均屬較大。這就需要解決投料井的耐磨性、物料下落的緩沖、物料下落的卸壓、防塵降噪、大排量矸石充填等關(guān)鍵技術(shù)難題。針對(duì)上述技術(shù)難題，論證后提出了具體解決方案。

（1）投料井磨損問題解決方案。通過多方比對(duì)，決定投料井采用雙層耐磨鋼管結(jié)構(gòu)，并加大內(nèi)層高耐磨合金厚度（采用KMTBCr28材料）。這種管路已在國(guó)內(nèi)金屬礦、煤礦中大量應(yīng)用，使用效果良好，且該種結(jié)構(gòu)施工難度低、成本較低，使用后能夠有效延長(zhǎng)投料井使用壽命。

（2）物料下落的緩沖問題解決方案。洗選矸石先期進(jìn)行破碎，減少物料下落沖擊力，設(shè)計(jì)投放矸石的粒級(jí)要求為小于50mm。投料井底設(shè)置緩沖硐室，采用傘形緩沖設(shè)施，對(duì)下落物料進(jìn)行緩沖。

（3）卸壓?jiǎn)栴}解決方案。物料下落會(huì)產(chǎn)生持續(xù)增壓，此時(shí)需要進(jìn)行有效的卸壓。為此，采用緩沖硐室、降塵穩(wěn)壓硐室、遠(yuǎn)程操控卸壓閥方式聯(lián)合卸壓，投料過程中當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定值后，卸壓裝置啟動(dòng)，壓力穩(wěn)定后停止。

（4）降塵和降噪問題解決方案。在投料井下部采用除塵水池和噴霧方式聯(lián)合降塵。降噪方式主要有卸壓和加裝消音裝置。卸壓過程中保持下部結(jié)構(gòu)氣壓穩(wěn)定，這個(gè)過程就是降低噪音的一個(gè)有效方式。為保證降噪效果，在穩(wěn)壓硐室加裝柔性材料消音罩，并在風(fēng)管裝置外部安裝風(fēng)管消音器。

（5）增大矸石充填量解決方案。矸石排入采空區(qū)的最大制約因素為底卸式刮板輸送機(jī)的結(jié)構(gòu)和能力，為增大充填能力，底卸式刮板輸送機(jī)設(shè)計(jì)為多孔式，設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度80m，輸送與處理矸石能力為1600t/h，可滿足充填量要求。

經(jīng)反復(fù)研究和論證，制約大垂深投料、大排量矸石充填的因素通過采取新技術(shù)手段后，均可有效得以解決。

三、結(jié)語(yǔ)

中天合創(chuàng)公司對(duì)大垂深投料、大排量矸石井下充填技術(shù)的探索與研究，具有很強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)意義和可行性，項(xiàng)目的實(shí)施降低了企業(yè)的環(huán)保風(fēng)險(xiǎn)，緩解了企業(yè)矸石排放壓力，減輕了因開采產(chǎn)生的地面沉降，減少了土地占用，為礦井沿空留巷技術(shù)的采用創(chuàng)造了條件，同時(shí)也為蒙陜地區(qū)普遍存在的矸石排放問題，提供了一條在經(jīng)濟(jì)技術(shù)方面可行的思路。