神東礦區(qū)井下回采矸石處理和地面矸石重復(fù)利用技術(shù)

高登云，李瑞群

(神東煤炭集團有限責(zé)任公司 生產(chǎn)管理部，陜西 神木 719300)

煤礦開采過程中會產(chǎn)生大量矸石，矸石排放到地面不僅占用大片土地，堆放時間過長還會發(fā)生自燃，對空氣和地面環(huán)境造成污染，同時也帶來了火災(zāi)安全隱患。特別是在生態(tài)環(huán)境相對脆弱的西部礦區(qū)，由矸石排放帶來的環(huán)境危害更加嚴(yán)重，系統(tǒng)地解決由煤矸石處置帶來的環(huán)境問題，采取有效措施對矸石進行處理并加以利用，對于西部礦區(qū)生態(tài)環(huán)境保護意義重大。神東礦區(qū)一直高度重視煤礦開采區(qū)的環(huán)保工作，以技術(shù)創(chuàng)新推動綠色開采，針對煤矸石的處置問題，神東通過優(yōu)化巷道設(shè)計和設(shè)備配套從源頭上減少矸石的產(chǎn)生，施工專用排矸巷用于排放井下可分裝分運的矸石，并在井下施工中再次利用這部分矸石，實現(xiàn)了矸石零升井；對于地面洗選出的矸石，重新輸送到井下用于充填開采，也可用作地面制磚材料。通過以上舉措的實施，解決了井下矸石處理和矸石排放帶來的環(huán)境污染問題，有效保護了西部礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境[1-3]。

1 矸石分類

神東礦區(qū)煤層賦存穩(wěn)定，傾角平緩，埋藏淺，礦井多為平硐或斜井開拓，采用盤區(qū)式布置方式，部分礦井直接采用大巷條帶式無盤區(qū)布置，井下巷道絕大部分采用煤巷布置。根據(jù)神東礦區(qū)井下矸石產(chǎn)生的來源不同，可將其分為井下可分裝的矸石和地面洗選產(chǎn)生的矸石。其中，井下可分裝的矸石主要是來自開拓巷道、過斷層沖刷等地質(zhì)構(gòu)造期間掘進巖石巷道產(chǎn)生的矸石，這些矸石容易分離出來，對這些矸石主要采用井下無軌膠輪車進行分裝運輸。洗選產(chǎn)生的矸石是指原煤從井下運出后經(jīng)過洗選后產(chǎn)生的矸石，這種矸石在未經(jīng)洗選之前很難從煤流中分離出來，目前神東礦區(qū)還無法在井下實現(xiàn)這些矸石的分裝分運，因此暫時也不能在井下直接進行利用，需要經(jīng)地面洗選后再輸送到井下進行利用。

2 優(yōu)化設(shè)計減少矸石產(chǎn)生

為了減少矸石的產(chǎn)生，神東礦區(qū)在巷道設(shè)計時遵循“能布置煤巷絕不布置巖巷”的原則，盡量將巷道布置在煤層中；當(dāng)遇到?jīng)_刷或斷層等特殊地質(zhì)構(gòu)造時，采取“異形”工作面設(shè)計或跳采設(shè)計躲避開地質(zhì)構(gòu)造影響區(qū)域[4-6]，從而大大減少矸石的產(chǎn)生量。

2.1 過沖刷區(qū)域的工作面巷道優(yōu)化設(shè)計

對于受到?jīng)_刷區(qū)域影響的煤體，為了減少矸石的產(chǎn)生，在工作面設(shè)計時通過優(yōu)化巷道躲避開沖刷區(qū)域。以活雞兔井12上315-3綜采面設(shè)計為例，采取“異形”綜采工作面縮面設(shè)計，12上315-3“異形”綜采工作面設(shè)計如圖1所示，通過優(yōu)化設(shè)計12上315-3面可減少掘進巖石巷道約300m，巷道掘進減少矸石產(chǎn)生量約6000m3，綜采工作面減少割巖矸石產(chǎn)生量52000m3。

圖1 12上315-3“異形”綜采工作面縮面設(shè)計

2.2 過斷層區(qū)域工作面巷道優(yōu)化設(shè)計

對于受到斷層影響的區(qū)域，為了躲避過斷層而產(chǎn)生大量矸石，采用“異形”綜采工作面設(shè)計，以哈拉溝煤礦22408綜采工作面過斷層為例，該面同樣采用“異形”工作面設(shè)計如圖2 所示，在掘進和綜采期間合計減少產(chǎn)生矸石量25000m3。

2.3 過構(gòu)造期間搬家跳采設(shè)計

對于受沖刷、斷層等地質(zhì)構(gòu)造影響十分嚴(yán)重的區(qū)域，無法采用“異形”工作面設(shè)計躲避開地質(zhì)構(gòu)造的情況，則采取跳采搬家的設(shè)計方法減少矸石產(chǎn)生。以柳塔煤礦22201綜采工作面為例，該工作面中部有斷層群發(fā)育，該面采用搬家跳采的設(shè)計，躲開斷層影響區(qū)域，大大減少了矸石的產(chǎn)生，如圖3所示。

圖2 22408綜采工作面過斷層“異形”布置

圖3 22201綜采工作面過斷層群搬家跳采

2.4 綜采面運輸巷機頭段與大巷平交設(shè)計

綜采工作面運輸巷機頭段與大巷以往通常采用立交設(shè)計，即綜采工作面機頭段巷道在大巷的上部層位掘進，這樣勢必要掘進巖巷，不可避免地產(chǎn)生大量矸石；通過優(yōu)化后采用平交設(shè)計，降低了巷道割巖厚度，大大減少了掘進矸石的產(chǎn)生。以活雞兔井22310運輸巷機頭段巷道掘進為例，如果運輸巷機頭段采用立交布置方式，割巖量達到2300m3；而運輸巷機頭段采用平交布置方式，割巖量僅為670m3，可減少巖石掘進量1630m3，如圖4所示。

圖4 運輸巷與機頭段巷道掘進施工

3 井下可分裝矸石的處理和利用

對于井下可分裝的矸石，采取施工專用排矸巷在井下排放并在井下施工中直接利用的方法進行處置。

3.1 在井下邊角區(qū)域施工巷道排放矸石

工作面巷道與井田邊界或地質(zhì)構(gòu)造的邊角區(qū)域形狀通常不規(guī)則，無法采用綜采進行回收，可以選擇在這些區(qū)域施工排矸巷排放矸石。在工作面切眼與井田邊界區(qū)域施工排矸巷如圖5所示，在斷層附近施工排矸巷如圖6所示。井下排矸巷施工按照“就近原則”和“夠用原則”?！熬徒瓌t”是指在集中產(chǎn)生矸石的區(qū)域施工排矸巷；“夠用原則”是指排矸巷的施工滿足井下排矸使用即可，避免施工過多的無效巷道。

圖5 井田邊界區(qū)域的排矸巷布置

圖6 斷層附近區(qū)域的排矸巷布置

3.2 矸石在井下施工中的利用

矸石在煤礦井下主要用于風(fēng)橋坡面充填和對強度要求不高的運輸巷機頭基礎(chǔ)充填，也可以用作墊路施工。

1)井下風(fēng)橋施工。施工風(fēng)橋時，需要在風(fēng)橋橋面的兩側(cè)墊起坡面，坡面的施工材料選用井下矸石進行充填，如圖7所示。每施工一座風(fēng)橋可消耗矸石90m3，不僅對井下矸石進行了處理，而且減少了施工材料的消耗，每施工一座風(fēng)橋可節(jié)約費用約3萬元。

圖7 利用井下矸石施工風(fēng)橋示意圖(mm)

2)井下墊路。井下路面的施工同樣可以利用矸石，例如掘進工作面有時遇到底板松軟的條件時，工作面極易形成大坑，可以利用矸石配合石子進行路面基礎(chǔ)回填。另外巷道在施工混凝土底板前，也需要整體調(diào)坡，對于較大的低洼點同樣可以利用矸石墊路。

4 地面洗選矸石的利用

對于地面洗選產(chǎn)生的矸石，經(jīng)加工后再輸送到井下用于充填開采[7-15]，井下充填開采包括巷柱式充填開采和綜采面充填開采兩種工藝，目前神東礦區(qū)主要采用巷柱式充填開采，綜采面充填開采正在試驗階段。此外，地面洗選矸石還可以用作磚廠制磚材料。

4.1 矸石在巷柱式充填開采中的應(yīng)用

4.1.1 充填開采設(shè)計

寸草塔礦22112工作面回撤輔巷與22煤輔運大巷之間的區(qū)域，平均煤厚2.8m，煤層傾角1°～5°，受沖刷影響無法布置綜采工作面，在該區(qū)域布置巷柱充填開采工作面，巷柱式充填開采巷道平面布置如圖8所示，平巷寬度5.4m，高度2.8m，每條巷柱長度30m。

圖8 巷柱式充填開采巷道平面布置(mm)

4.1.2 充填料的組成和配比

充填料為似膏體充填材料，其基本成分為：水泥、粉煤灰、矸石和水，水占總質(zhì)量的20%，干料占80%，其中矸石占干料總質(zhì)量的 80%，粉煤灰和水泥共占干料總量的 20%。矸石粒徑要求中粒(5～10mm)細(xì)粒(<5mm)比例為4∶6，粉煤灰與水泥的質(zhì)量比為2∶1，膠結(jié)充填料漿的平均密度約為 1.9t/m3。經(jīng)現(xiàn)場實測：充填膏體材料初凝3h，終凝時間7h，7d強度約4MPa，即可鄰近開采。

4.1.3 材料制備

采用多管路同時充填的方法，縮短單管充填距離，保證充填效果，充填材料制備工藝如圖9所示。

圖9 充填材料制備工藝流程

4.1.4 充填管路

井下注漿泵出口壓力要求達到15～16MPa，主管路使用?219無縫鋼管，支管選用?108膠管。充填要保證連續(xù)性，一次接頂；在充填時采用多管路同時充填的方法，縮短單管充填距離，保證充填效果。

4.1.5 充填作業(yè)

充填作業(yè)采用邊采邊充、采1留2的開采工藝。每班回采1條巷柱30m，早班一次充填完畢。第1條巷柱回采后，應(yīng)在同側(cè)隔2條巷柱的位置再回采，中間煤柱寬度不少于10m，有效防止頂板支承壓力的傳遞，以此類推，待第16條巷柱回采完畢后，第1條充填后的巷柱凝固8d時間，強度已滿足支護要求，開始回采其相鄰巷柱。

4.2 綜采面充填開采

除了采用巷柱式充填外，神東煤炭集團也在積極探索在綜采工作面實施充填開采，這種充填工藝是利用專門的矸石充填液壓支架，將地面洗選矸石通過鉆孔輸送到井下，再通過帶式輸送機運至工作面實施充填作業(yè)。

4.3 利用矸石制磚

矸石除了在井下作為工程材料使用外，還可以升井作為紅磚的制作材料進行利用。例如神東煤炭集團大柳塔煤礦每年為大柳塔鎮(zhèn)前柳塔村磚廠提供用于燒磚的矸石45萬t，每年可為磚廠節(jié)約材料費用180萬元，帶動了地方經(jīng)濟的發(fā)展，實現(xiàn)了矸石變廢為寶。

5 結(jié) 語

神東礦區(qū)采用綜合矸石處理和利用技術(shù)，采取設(shè)計源頭優(yōu)化、綜采設(shè)備合理配套、井下矸石的排放和利用、充填開采利用等多種手段，實現(xiàn)了井下矸石“零升井”和矸石的重復(fù)再利用，解決了礦井矸石排放造成的環(huán)境問題，有效地保護了西部礦區(qū)自然環(huán)境。