小保當(dāng)煤礦矸石充填技術(shù)研究及應(yīng)用

胡 伯

(煤炭工業(yè)規(guī)劃設(shè)計研究院有限公司，北京 100120)

煤炭資源是最重要的基礎(chǔ)能源之一，是保障國家能源安全的重要因素[1]，對我國經(jīng)濟建設(shè)和社會發(fā)展起到了重要的支撐作用[2]。在煤礦開采的過程中，也在不斷地排放著各類工業(yè)固體廢棄物[3]。傳統(tǒng)的矸石處理方式是將其堆放在地表[4]，大量煤矸石堆積如山[5]，占用大量的土地面積，污染大氣環(huán)境[6]，嚴(yán)重制約著我國綠色礦山建設(shè)和綠色化開采[7]。充填開采在有效處理煤矸石方面有著與生俱來的優(yōu)勢[8]。紅山礦井矸石回填采用巷式充填，提高礦井的資源回收利用率，延長礦井服務(wù)年限[9]。中峪礦井采用井下分選，井下充填，提高煤矸石的井下綜合利用率[10]。常村煤礦采用井下塊煤分選系統(tǒng)實現(xiàn)矸石不升井，將洗選矸石作為充填材料進行“三下”采煤[11]。舒安東等研究了煤矸石對充填材料密實度的影響，找到了最優(yōu)值[12]。新疆潤田煤礦通過對比綜合機械化矸石充填采煤、短壁膠結(jié)充填采煤和短壁干式充填采煤三種方法，找到了最適合潤田煤礦的充填采煤法[13]。黃鵬等對矸石充填體的黏彈性特征進行了研究，找到了矸石充填體在深部礦體充填時的響應(yīng)規(guī)律[14]。本文根據(jù)小保當(dāng)煤礦地質(zhì)條件及開采情況，以掘進矸石不出井、洗選矸石以井下充填為目標(biāo)，通過對多種充填方法和井下矸石分選方法的比較，對小保當(dāng)煤礦矸石充填的關(guān)鍵問題進行了分析和研究。

1 礦井概況

陜西小保當(dāng)?shù)V業(yè)有限公司下屬小保當(dāng)一號、二號礦井及選煤廠。小保當(dāng)一號礦井建設(shè)規(guī)模1500萬t/a，小保當(dāng)二號煤礦建設(shè)規(guī)模1300萬t/a，配套建設(shè)選煤廠，一二號井聯(lián)合布置工業(yè)場地及洗煤廠，位于井田中央。小保當(dāng)一號、二號礦井矸石巖性為粉砂巖、炭質(zhì)泥巖、泥巖?；曳制骄禐?3.22%、72.23%。對各煤層及頂?shù)装?、夾矸樣品的12種微量元素進行了測試，12種微量元素含量很低，均未達到可供利用的品位要求，且其發(fā)熱量不滿足《煤矸石綜合利用管理辦法》(2014年修訂版)中對關(guān)于用于煤矸石發(fā)電項目的煤矸石收到基低位發(fā)熱量不低于5020kJ/kg的要求。可見，從近、中遠期看，井下充填是最佳的處理方案。

2 充填方式選擇

2.1 充填方法對比

目前，煤炭礦山已經(jīng)形成了超高水材料、膏體材料和矸石固體三種不同形式的充填采煤方式[15]。從充填區(qū)域又可以分為長壁工作面充填開采、巷道式充填開采、旺格維利采煤方法充填和廢舊巷道矸石充填等4種方式。

1)長壁工作面充填開采優(yōu)點：有效地避免矸石地面排放帶來的環(huán)境問題，具有較好的環(huán)境效益；抑制煤層及頂?shù)装宓膭恿ΜF(xiàn)象，減輕煤炭開采對地表的影響，減少和避免地表塌陷；控制導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育，對于實現(xiàn)保水開采較為有利；減少沖擊地壓幾率、瓦斯積聚空間，降低采空區(qū)突水、瓦斯爆炸、有害氣體突出、浮煤自燃等事故發(fā)生可能性，提高礦井安全保障程度。缺點：矸石充填量大；隨采隨充，工藝復(fù)雜，設(shè)備投資較大；現(xiàn)有工作面采煤設(shè)備改造難度大；充填用時較長，影響工作面推進速度和礦井產(chǎn)量。

2)巷道式充填開采優(yōu)點：工藝較簡單，有效地避免矸石地面排放帶來的環(huán)境問題，同時又置換出“三下”煤炭及邊角煤資源，具有較好的經(jīng)濟效益和環(huán)境效益；巷道式充填工藝、技術(shù)和充填設(shè)備均較為成熟，資金投入較小、工藝靈活；采煤和充填工序相互影響小。缺點：掘進機采煤效率低，采煤巷道推進速度慢；僅適合局部充填開采；充填矸石量少；對于厚度較大的煤層，煤炭回收率較低。

3)旺格維利采煤方法充填優(yōu)點：充填空間較大，充填矸石量大；采充獨立，互不影響；可以實現(xiàn)地面保護與資源回收的最大統(tǒng)一。缺點：需要專門的充填區(qū)；需配備專門的連續(xù)采煤機等設(shè)備，設(shè)備投入較大。

4)廢舊巷道矸石充填優(yōu)點：技術(shù)或工藝難度，資金投入最少，最簡單有效地避免矸石地面排放帶來的環(huán)境問題；避免新掘充填巷道的能源消耗，減輕巷道維護量與巡檢量，同時提升了廢舊巷道的重復(fù)利用價值。缺點是充填量相對較少。

從以上充填方法看，若條件許可，生產(chǎn)中應(yīng)優(yōu)先選擇長壁工作面充填開采，該方法不僅可以解決矸石充填利用問題，更重要的是可以減少采空區(qū)垮落空間，進而減小導(dǎo)水裂隙帶發(fā)育高度，實現(xiàn)最大限度的保水采煤；初期對于地面保護要求較低的區(qū)域，可考慮固體充填，即直接進行工作面矸石充填；后期對于地面保護要求較高的區(qū)域，如村莊等地面建構(gòu)筑物下，可考慮膏體充填；其次應(yīng)考慮綜合充填工藝，即旺格維利采煤法充填，初期可選擇專門的充填采區(qū)，為生產(chǎn)中逐步試驗在地面水源地保護區(qū)下充填開采提供試驗數(shù)據(jù)，實現(xiàn)資源回收與地面保護的雙贏。考慮到小保當(dāng)一號、二號礦井都是新建的千萬噸級大型礦井，礦井的采煤量大，充填矸石量小，初期無法滿足長壁工作面充填開采所需矸石量。因此，兩個礦井近期煤矸石井下充填設(shè)計更適用巷道充填和旺格維利綜合充填的方式。

2.2 井下矸石分選

井下矸石分選技術(shù)是破解傳統(tǒng)煤炭生產(chǎn)環(huán)境問題的關(guān)鍵技術(shù)之一，是我國選煤工業(yè)的一個科學(xué)發(fā)展方向。其特點是：將選煤系統(tǒng)建設(shè)在井下硐室和巷道中，在井下完成煤矸分離，矸石作為井下充填原料，或直接充填采空區(qū)，僅需要將精煤產(chǎn)品升井入地面?zhèn)}儲。通過采煤、選煤、充填技術(shù)的集成和耦合，實現(xiàn)采選充一體化，即處理了矸石廢棄物，又能提高煤炭資源回收率，實現(xiàn)低碳、循環(huán)、綠色發(fā)展。根據(jù)小保當(dāng)煤礦開采情況，井下采用智能干選技術(shù)分選300～100mm原煤中的矸石，在礦井井下各自建設(shè)兩套處理能力180 t/h的智能干選系統(tǒng)，可滿足矸石分選需要。

井下矸石分選后，可根據(jù)矸石充填方式、充填地點綜合選擇充填工藝流程：①矸石倉下給煤機→破碎機(<150mm)→可伸縮帶式輸送機→工作面高位后掛式刮板輸送機→充填采空區(qū)；②矸石倉下給煤機→破碎機(<150mm)→可伸縮帶式輸送機→自移式充填拋矸機→充填巷道；③破碎機(≤40mm)→連續(xù)式強力攪拌機→定量分級加水裝置→煤礦防爆專用混凝土輸送泵→低摩阻復(fù)合管道→充填巷道或采空區(qū)(充填材料為單一的矸石和礦井水)。

根據(jù)小保當(dāng)一、二號礦井的生產(chǎn)能力，通過井下矸石分選，可以將洗選矸石全部用于廢舊巷道充填和區(qū)域充填，實現(xiàn)洗選矸石不升井。

3 充填方案

3.1 小保當(dāng)矸石資源量

小保當(dāng)一、二號礦井矸石產(chǎn)量見表1[16]。

表1 小保當(dāng)一、二號礦井矸石產(chǎn)量

3.2 矸石充填區(qū)域可充填量分析

根據(jù)小保當(dāng)一號礦井的排采計劃安排，工作面輔助運輸巷間聯(lián)絡(luò)橫川及帶式輸送機運輸巷可用于煤矸石井下充填[17，18]。小保當(dāng)一號礦井首采工作面巷道每隔150m設(shè)一處聯(lián)絡(luò)巷，其它工作面采用連采機掘進方式每隔50m設(shè)一處聯(lián)絡(luò)巷。首采工作面巷道年推進長度為5643m，將設(shè)置38處長度為20m的聯(lián)絡(luò)巷，每個聯(lián)絡(luò)巷凈斷面18m2，38處聯(lián)絡(luò)巷的體積為13680m3；工作面帶式輸送機運輸巷5643m，凈斷面22.1m2，其體積為124710m3。

礦井達產(chǎn)第一年首采工作面推進完畢，可帶來廢舊充填空間為138390m3，按充填率55%和煤矸石密度2.0t/m3計算，首采工作面廢舊巷道每年可充填煤矸石合計15.22萬t；在后續(xù)的接續(xù)工作面，按照工作面巷道年推進長度為5643m，將設(shè)置112處長度為20m的聯(lián)絡(luò)巷，其聯(lián)絡(luò)巷及帶式輸送機運輸巷可帶來廢舊充填空間165030m3，按充填率55%和煤矸石密度2.0t/m3計算，接續(xù)工作面廢舊巷道每年可充填煤矸石合計18.15萬t，其中采用全部掘進矸石8萬t/a和部分洗選矸石10.15萬t/a用于充填。同理估算，小保當(dāng)二井的首采工作面的聯(lián)絡(luò)橫川及帶式輸送機運輸巷可充填矸石15.0萬t/a；接續(xù)工作面廢舊巷道每年可充填煤矸石合計18.0萬t/a。

考慮到小保當(dāng)一二號井聯(lián)合布置工業(yè)場地及洗煤廠，小保當(dāng)一號礦井未能綜合利用的煤矸石可以規(guī)劃至二號礦井充填區(qū)集中充填。礦井投產(chǎn)第一年，煤矸石產(chǎn)量為38.57萬t，一號井廢舊巷道可充填15.22萬t，剩余23.35萬t規(guī)劃至二號礦井充填區(qū)充填；礦井投產(chǎn)8.0Mt/a時的接續(xù)工作面，一號井廢舊巷道可充填18.15萬t，剩余20.42萬t可規(guī)劃至二號礦井充填區(qū)充填。

設(shè)計在二號礦井風(fēng)井場地東北側(cè)2-2煤層布置井下矸石充填區(qū)。充填區(qū)西側(cè)邊界為132201綜采面回風(fēng)巷，南側(cè)、東側(cè)邊界為工廣及鐵路煤柱，北側(cè)邊界為2-2煤煤層分叉線。充填區(qū)長約1.3km，寬約170m，面積0.219km2。由充一區(qū)、充二區(qū)組成。充填區(qū)一區(qū)在充填區(qū)域南側(cè)，充填區(qū)一區(qū)開拓布置如圖1所示。該區(qū)域一水平2-2煤厚平均3.8m，區(qū)域煤炭資源量110萬t，該充填區(qū)按煤炭回收率50%計算，可回收煤炭資源50萬t，并形成矸石充填空間83.22萬m3，按煤矸石充填率55%和煤矸石密度2.0t/m3計算，該充填區(qū)2-2煤可充填煤矸石量為91.54萬t。

小保當(dāng)一號礦井東北部區(qū)域存在著大片村莊及海子，壓占著大片煤炭資源難以開發(fā)。根據(jù)留設(shè)的保護煤柱邊界估算，該片區(qū)域面積約16.60km2，按照2-2煤層平均厚度4.5m為例，該區(qū)域僅2-2煤層壓覆煤炭資源9860.4萬t。充填區(qū)按煤炭回收率50%計算，僅2-2煤可回收煤炭資源4930.2萬t，并形成矸石充填空間3735萬m3，未來僅此一個充填區(qū)即可完全消化掉兩個礦井的矸石量。

3.3 煤矸石井下充填工藝

1)矸石運輸。根據(jù)礦井實際生產(chǎn)需要，設(shè)計考慮地面選煤廠矸石采用無軌膠輪車運輸下井。礦井投產(chǎn)時，根據(jù)充填矸石運輸距離、運輸量，經(jīng)計算一號井選用WC8E型后翻自卸式防爆膠輪車32輛，二號井選用30量，其中各檢修備用5輛，合計共配備WC8E型后翻自卸式防爆膠輪車62輛。

2)矸石堆棄工藝。矸石井下廢棄巷道堆棄利用防爆無軌膠輪車進行，在地面裝車后通過副斜井運輸?shù)骄聫U棄巷道，通過防爆無軌膠輪車自帶的液壓裝置自卸到巷道內(nèi)駛出，然后再利用煤礦防爆裝載機轉(zhuǎn)載拋矸機，通過拋矸機實現(xiàn)對矸石拋擲巷道迎頭，完成充填巷道的目的。巷道充填完成后砌筑密閉墻封閉。

3)初期矸石平衡?？紤]到旺格維利采煤充填方法的靈活性，該充填區(qū)可以靈活地增加連續(xù)采煤機數(shù)量或其工作量，布置出多個采硐室，以保證煤矸石充填的周轉(zhuǎn)平衡。

圖1 充填區(qū)一區(qū)開拓布置(m)

4 結(jié) 論

1) 針對小保當(dāng)煤礦的實際地質(zhì)條件、開采情況和矸石產(chǎn)量，提出了以井下矸石分選為基礎(chǔ)，分區(qū)分階段進行充填開采的工藝路線。

2)通過對礦井生產(chǎn)能力和矸石產(chǎn)量的分析，在綜合考慮資源最大回收率的基礎(chǔ)上，小保當(dāng)煤礦一、二號井采用的近期廢舊巷道充填方法，中遠期在一號礦井東北部進行區(qū)域充填的方法，可以有效處理生產(chǎn)產(chǎn)生的矸石，實現(xiàn)掘進矸石、洗選矸石不出井的建設(shè)目標(biāo)。