矸石充填與垮落混合開(kāi)采優(yōu)化及設(shè)備選型配套

趙國(guó)柱

（山西省陽(yáng)泉蔭營(yíng)煤業(yè)有限責(zé)任公司，山西 陽(yáng)泉 045011）

引言

高瓦斯低透氣性煤層在實(shí)際開(kāi)采中具有一定的危險(xiǎn)性，歸其原因?yàn)樵撁簩硬痪邆涑Ｒ?guī)煤層保護(hù)層的開(kāi)采條件。因此，針對(duì)高瓦斯地透氣性煤層需采區(qū)合理、高效、安全的開(kāi)采方式進(jìn)行開(kāi)采。為此，提出矸石充填與垮落相混合的綜采方式，該綜采方式與傳統(tǒng)開(kāi)采方式相比在裝備、工藝等方面存在較大的差異[1]。因此，矸石充填與垮落混合開(kāi)采的實(shí)際應(yīng)用需對(duì)其開(kāi)采工藝進(jìn)行優(yōu)化并為其配套合理的裝備解決瓦斯防止和采場(chǎng)礦壓的問(wèn)題，從而保證高瓦斯低透氣煤層的安全、高效開(kāi)采。

1 14 號(hào)煤層開(kāi)采概況

綜采工作面隨著開(kāi)采的不斷深入所面臨的煤層沖擊和瓦斯突出的危險(xiǎn)性逐漸增大，大部分礦井主要表現(xiàn)為瓦斯含量增加、瓦斯?jié)B透率低以及抽放率低等問(wèn)題。采用傳統(tǒng)的卸壓開(kāi)采方式的主要局限性在于缺乏合適的煤層作為保護(hù)層進(jìn)行開(kāi)采。某礦14號(hào)煤層屬于上述特點(diǎn)的高瓦斯、低透氣性煤層。14號(hào)煤層位于15 號(hào)煤層上方，該煤層厚度為0.5 m，賦存條件不穩(wěn)定，在采用傳統(tǒng)卸壓開(kāi)采時(shí)期對(duì)應(yīng)的保護(hù)層為14 號(hào)煤層上方的厚巖層，在實(shí)際開(kāi)采中存在如下問(wèn)題：

1）該煤層工作面的總矸石量約810 萬(wàn)m3，如果將低下的所有矸石量全部排放至地面需要在地面增加將近13.5 個(gè)矸石山，矸石在地面的堆積若處理不當(dāng)極易造成污染，而且地面也缺乏矸石堆放的空間。

2）同時(shí)，就當(dāng)前工作面所配置的運(yùn)輸設(shè)備對(duì)應(yīng)的運(yùn)輸能力并不能夠滿(mǎn)足矸石的正常運(yùn)輸任務(wù)，還需增加運(yùn)輸設(shè)備，從而增加運(yùn)輸成本。

3）14 號(hào)煤層目前所配置的主運(yùn)輸系統(tǒng)為單一運(yùn)輸方式，在運(yùn)輸過(guò)程中同時(shí)運(yùn)輸矸石和煤炭會(huì)造成煤炭質(zhì)量降低，從而造成煤炭產(chǎn)能的下降。

4）盡管14 號(hào)煤層的平均煤層厚度僅為0.5 m，但是其煤質(zhì)屬于優(yōu)質(zhì)主焦煤，由于矸石導(dǎo)致煤質(zhì)下降極易造成煤炭資源浪費(fèi)[2]。

綜上所述，采用傳統(tǒng)的卸壓開(kāi)采方式主要矛盾在于無(wú)法對(duì)工作面瓦斯進(jìn)行合理、有效處理，同時(shí)還存在降低煤炭質(zhì)量的隱患。為此，本文提出在14 號(hào)煤層工作面應(yīng)用矸石充填和垮落混合的開(kāi)采方式。

2 矸石充填與垮落混合開(kāi)采工藝概述

所謂矸石充填與垮落混合開(kāi)采工藝指的是矸石充填綜采和傳統(tǒng)垮落綜采有機(jī)結(jié)合后的開(kāi)采方式。矸石充填與垮落混合開(kāi)采工藝工作面所配置的系統(tǒng)包括有充填矸石破碎輸送系統(tǒng)、矸石不升井系統(tǒng)以及混合綜采面開(kāi)采作業(yè)系統(tǒng)；該開(kāi)采工藝與傳統(tǒng)單一的綜采方式相比具有單產(chǎn)單效高、實(shí)現(xiàn)工作面高效采煤與充填矸石并舉以及煤炭資源回收率高等優(yōu)勢(shì)。

實(shí)現(xiàn)矸石充填與垮落混合開(kāi)采方式的高效、安全生產(chǎn)的基礎(chǔ)需保證混合綜采工作面設(shè)備的最優(yōu)選型配套（采煤液壓支架與傳統(tǒng)綜采液壓支架的相互配套、液壓支架推移步距的配套等）、矸石充填段各關(guān)鍵設(shè)備的相互配套（充填采煤機(jī)液壓支架、多孔底卸式輸送機(jī)、矸石裝載機(jī)、夯實(shí)機(jī)構(gòu)等）[3]。

3 矸石充填與垮落混合綜采工藝優(yōu)化

與傳統(tǒng)綜采工藝不同，矸石充填與垮落混合綜采工藝包括有井下煤流矸石分選工藝、混合綜采面充填段矸石破碎運(yùn)輸工藝、混合綜采面開(kāi)采工藝。各個(gè)開(kāi)采工藝對(duì)應(yīng)的綜采工藝流程如下頁(yè)圖1 所示。

圖1 矸石充填與垮落混合開(kāi)采工藝流程

為保證混合綜采工藝在工作面的應(yīng)用效果，在傳統(tǒng)開(kāi)采工藝的基礎(chǔ)上需對(duì)具體的開(kāi)采工藝進(jìn)行改進(jìn)，以確保其適用于高瓦斯低透氣率的煤層。

3.1 井下煤流矸石分選系統(tǒng)工藝

可應(yīng)用于井下煤矸石分選的方法包括有選擇性破碎法、重介質(zhì)選煤法、動(dòng)篩跳汰機(jī)選煤法等。綜合上述分選方法在實(shí)際應(yīng)用的評(píng)價(jià)，重介質(zhì)選煤法、動(dòng)篩跳汰機(jī)選煤法比選擇性破碎法的分選效率高、安全性高以及應(yīng)用范圍更廣。同時(shí)，考慮到重介質(zhì)分選系統(tǒng)可在井下拆解且便于運(yùn)輸。本工程以傳統(tǒng)重介質(zhì)選煤法為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，得出適用于混合綜采工藝的分選流程，如圖2 所示。

圖2 混合綜采重介質(zhì)分選工藝流程

3.2 充填段矸石破碎運(yùn)輸工藝

混合綜采工藝中的矸石充填主要是為了減小運(yùn)輸至地面的矸石量，在井下對(duì)矸石進(jìn)行消耗。因此，混合綜采對(duì)應(yīng)的矸石破碎運(yùn)輸工藝分為兩個(gè)階段：矸石從生產(chǎn)面運(yùn)輸至矸石倉(cāng)、將矸石從矸石倉(cāng)運(yùn)輸至混合綜采面的充填段。兩個(gè)階段對(duì)應(yīng)的矸石破碎運(yùn)輸工藝流程如下：

第一階段：生產(chǎn)面矸石—保護(hù)層工作面下進(jìn)風(fēng)巷—西翼運(yùn)矸聯(lián)巷—第二回填聯(lián)巷—西翼運(yùn)矸聯(lián)巷—洗選硐室。

第二階段：矸石倉(cāng)—西翼運(yùn)矸巷—混合綜采工作面運(yùn)矸巷—充填段后方采空區(qū)。

3.3 混合綜采工藝

混合綜采工藝開(kāi)采方案分為兩種，包括有充填段密實(shí)充填和充填段自然卸料充填。鑒于本工程采用混合綜采工藝中的充填目的是為消耗工作面的矸石，故采用自熱卸料的充填方案為核心開(kāi)展混合綜采。

采煤工藝：本工程采用雙滾筒采煤機(jī)，其中前滾筒主要任務(wù)是截割頂煤，后滾筒主要任務(wù)是截割底煤，采用先推移液壓支架后推移刮板輸送機(jī)?；旌暇C采工藝中的充填作業(yè)和采煤作業(yè)為平行工序，具體為：當(dāng)采煤機(jī)截割完成并前行20 m 左右時(shí)，充填液壓支架推移直后開(kāi)始矸石充填段的充填工序[4]。

4 矸石充填與垮落混合開(kāi)采工藝設(shè)備配套及工程應(yīng)用

4.1 矸石充填與垮落混合開(kāi)采工藝的設(shè)備配套

混合綜采工藝涉及到的設(shè)備除了采用傳統(tǒng)的設(shè)備類(lèi)型外，還需為其配置專(zhuān)業(yè)的充填采煤液壓支架。該液壓支架是在普通液壓支架的基礎(chǔ)上將其原夯實(shí)機(jī)構(gòu)改造為擋矸板，具體改造如圖3 所示。

圖3 充填采煤液壓之際改造前后對(duì)比

同時(shí)，結(jié)合本工程的實(shí)際生產(chǎn)需求和地質(zhì)、煤層等條件相關(guān)關(guān)鍵設(shè)備的配套選型結(jié)果如表1 所示。

表1 混合綜采設(shè)備配套選型結(jié)果

4.2 工程應(yīng)用效果

采用混合綜采工藝需配置專(zhuān)門(mén)的設(shè)備并對(duì)工作面進(jìn)行建設(shè)，結(jié)合工程實(shí)際情況開(kāi)采前設(shè)備及建設(shè)總共需投入成本1.1 億元；采用混合綜采工藝解決了高瓦斯低透氣率煤層的開(kāi)采，預(yù)計(jì)可開(kāi)采煤炭的直接經(jīng)濟(jì)效益為20.3 億元，總利潤(rùn)約為19.2 億元。