巷道式充填處理礦井矸石工藝技術(shù)研究與應(yīng)用

楊 明

（冀中能源股份有限公司邢東礦，河北 邢臺(tái) 054000）

1 礦井概況及存在問(wèn)題

冀中能源股份有限公司邢東礦位于邢臺(tái)市主城區(qū)周邊，受環(huán)保要求，地面不能建矸石山，且井田內(nèi)有大小村莊11 個(gè)，村莊及工業(yè)廣場(chǎng)煤柱壓煤量占全礦井儲(chǔ)量的87%。為實(shí)施綠色開(kāi)采，矸石不升井，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，邢東礦建設(shè)了井下預(yù)排矸系統(tǒng)，將原煤進(jìn)行煤矸分離，將掘進(jìn)、整修巖巷產(chǎn)生的矸石都在井下進(jìn)行工作面充填處理。

為了提高矸石充填工作面產(chǎn)量，降低開(kāi)采成本，邢東礦對(duì)矸石充填工作面進(jìn)行系統(tǒng)升級(jí)改造。升級(jí)改造期間無(wú)法對(duì)礦井矸石進(jìn)行處理，只能將原煤不經(jīng)過(guò)排矸系統(tǒng)直接提升至地面，造成原煤灰分大幅度提高，嚴(yán)重影響煤質(zhì)，煤炭銷售收入也大幅度減少。因此，在矸石充填工作面系統(tǒng)升級(jí)改造完成之前，對(duì)巷道式充填處理礦井排矸工藝系統(tǒng)進(jìn)行研究勢(shì)在必行[1-2]。

2 工程技術(shù)及安全性分析

2.1 技術(shù)性分析

巷道式矸石充填適用于不能布置成工作面的邊角煤區(qū)域，由于受自身工藝限制，矸石充填巷只能布置成下山巷道或平巷。由于邢東礦大部分資源為建下壓煤，為有效減少圍巖變形及地表下沉，矸石充填巷道布置方式為掘5 m 寬巷道留5 m 寬煤柱，矩形斷面，沿頂掘進(jìn)。掘進(jìn)工藝以掘進(jìn)機(jī)為主。掘進(jìn)完成后及時(shí)進(jìn)行矸石充填接頂，采用履帶式充填機(jī)充填，后路配合運(yùn)矸皮帶運(yùn)輸機(jī)。在充填巷內(nèi)充填矸石時(shí)，采用后退式充填工藝。充填機(jī)拋?lái)菲㈨肥瘨仈S到巷道迎頭，通過(guò)上下左右擺動(dòng)拋射，實(shí)現(xiàn)矸石充填均勻、密實(shí)、接頂，而后設(shè)備逐步后退，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。

2.2 安全性分析

頂板管理及圍巖變形方面，矸石充填巷頂板支護(hù)與正常掘進(jìn)巷道的頂板支護(hù)完全一致，確保錨網(wǎng)支護(hù)承載力達(dá)到規(guī)范要求，有效抑制了頂板的下沉，保證了掘進(jìn)過(guò)程中的頂板安全。掘進(jìn)完成后及時(shí)充填密實(shí)接頂，充填體與錨網(wǎng)支護(hù)后的頂板一起形成連續(xù)梁，與預(yù)留煤柱一起承載上覆巖層的自重應(yīng)力，可進(jìn)一步有效控制頂板巖層移動(dòng)變形，確保頂板安全，達(dá)到有效控制地表變形的效果。同時(shí)，良好的充填效果也可有效減少臨近充填巷掘進(jìn)時(shí)的圍巖應(yīng)力顯現(xiàn)，臨近充填巷道掘進(jìn)時(shí)的圍巖變形較小。

瓦斯和防滅火方面，掘進(jìn)期間加強(qiáng)了局部通風(fēng)管理，保證供風(fēng)穩(wěn)定；按照煤礦安全規(guī)程等相關(guān)規(guī)定安設(shè)監(jiān)控系統(tǒng)，并保證風(fēng)電、瓦斯電閉鎖正常使用。每班對(duì)巷道迎頭、回風(fēng)及使用中的機(jī)電設(shè)備進(jìn)行瓦斯等有毒有害氣體檢查，杜絕瓦斯積聚、瓦斯超限事故。掘進(jìn)完成后，及時(shí)用矸石將巷道充填密實(shí)接頂，杜絕瓦斯積聚。充填體既可以支撐頂板，又同時(shí)封閉填充了巷道空間。充填完成后及時(shí)建永久密閉墻封閉，在密閉墻里側(cè)打設(shè)木垛，并用袋裝矸石將密閉墻與充填體間的空隙填實(shí)，密閉完成后及時(shí)向墻內(nèi)打眼注漿封堵，確保嚴(yán)密不漏風(fēng)，其安全效果比普通非充填巷道更好，可以有效避免瓦斯積聚和煤層自然發(fā)火等問(wèn)題。

3 工程實(shí)施

3.1 工藝流程

建立井下巷道式矸石充填系統(tǒng)需要解決以下三個(gè)方面的問(wèn)題[3-6]：（1）矸石充填巷道布置區(qū)域的選擇；（2）矸石充填運(yùn)輸路線優(yōu)化；（3）矸石充填系統(tǒng)設(shè)備安裝。

充填巷盡量選擇在不能布置工作面的邊角煤、呆滯煤，在處理矸石的同時(shí)，還能回收煤炭資源，提高經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)還要考慮矸石充填路線問(wèn)題，在不影響目前礦井正常生產(chǎn)的情況下，盡量減少巷道工程量，減少設(shè)備布置，充填路線簡(jiǎn)潔、高效。

選取礦井回風(fēng)斜井區(qū)域布置矸石充填巷，該區(qū)域距離井下排矸系統(tǒng)近，多為邊角煤，無(wú)法布置工作面。矸石運(yùn)輸路線：排矸系統(tǒng)產(chǎn)生矸石→-760 m大巷矸石倉(cāng)→-760 m 軌道大巷→-760 m 上部車場(chǎng)→-760 m 矸石倉(cāng)→回風(fēng)斜井→矸石充填巷。矸石運(yùn)輸路線如圖1。

圖1 巷道式充填處理礦井排矸工藝技術(shù)流程圖

3.2 工程投入及設(shè)備選擇

（1）矸石運(yùn)輸路線上-760 m 上部車場(chǎng)失修嚴(yán)重，需要進(jìn)行全斷面整修，工程量105 m。費(fèi)用包括：人工費(fèi)4000 元/m，材料費(fèi)4475 元/m，工程量為105 m，合計(jì)（4000+4475）×105 ≈89 萬(wàn)元。

（2）-760 m 矸石倉(cāng)上口安裝1 部翻罐籠，用以將罐車內(nèi)矸石裝載至-760 m 矸石倉(cāng)；-760 m 矸石倉(cāng)下口安裝1 臺(tái)給煤機(jī)，用以將矸石卸料至皮帶運(yùn)輸機(jī)?；仫L(fēng)斜井安裝1 部800 皮帶，充填巷內(nèi)安裝1 部650 皮帶，作為矸石運(yùn)輸皮帶。拋?lái)窓C(jī)由掘進(jìn)機(jī)改造完成。

翻罐籠購(gòu)置、安裝費(fèi)用：27 萬(wàn)元；給煤機(jī)購(gòu)置、安裝費(fèi)用：9萬(wàn)元；1部800充矸皮帶購(gòu)置、安裝費(fèi)用：120 萬(wàn)元；1 部650 皮帶購(gòu)置、安裝費(fèi)用：86 萬(wàn)；拋?lái)窓C(jī)改造：40 萬(wàn)元。工程前期總投入371 萬(wàn)元。礦井巷道式矸石充填工藝流程如圖2。

圖2 礦井巷道式矸石充填系統(tǒng)圖

4 工程實(shí)施效果

根據(jù)礦井每月產(chǎn)生矸石量（約5000 t/月），提前謀劃，組織隊(duì)伍掘進(jìn)矸石充填巷，巷道掘進(jìn)完成后及時(shí)進(jìn)行充填，充填必須接頂，充填完成后及時(shí)封閉。在礦井矸石充填工作面升級(jí)改造期間（2019 年9 月至2020 年10 月），礦井共掘進(jìn)矸石充填巷5120 m，回收煤炭資源15.7 萬(wàn)t，充填矸石10.2 萬(wàn)m3。

邢東礦未經(jīng)排矸原煤灰分約為33%，經(jīng)過(guò)排矸充填系統(tǒng)后灰分可降至30%左右，灰分每降低1 個(gè)百分點(diǎn)，噸煤售價(jià)提高12 元。矸石充填工作面升級(jí)改造期間礦井商品煤提升量為117.2 萬(wàn)t，由此礦井增加收益約為3×12×117.2=4219.2 萬(wàn)元，大大提升了煤炭質(zhì)量，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)，產(chǎn)生的矸石就近井下充填，降低了矸石治理成本，對(duì)環(huán)保有重大意義。

邢東礦井產(chǎn)生矸石主要以排矸系統(tǒng)和巖巷掘進(jìn)、整修巷道的矸石為主，每月5000 t 左右。根據(jù)礦井規(guī)劃，邢東礦矸石充填工作面系統(tǒng)升級(jí)改造完成之前，屬于礦井矸石工作面的接續(xù)期間。礦井矸石通過(guò)巷道式充填處理，在處理礦井自產(chǎn)矸石、保護(hù)環(huán)境、降低原煤灰分、提高經(jīng)濟(jì)效益方面都有顯著優(yōu)點(diǎn)，開(kāi)展該項(xiàng)目勢(shì)在必行。

5 結(jié)論

目前國(guó)家對(duì)環(huán)境重視程度越來(lái)越高，對(duì)煤礦綠色開(kāi)采要求也相應(yīng)提高。邢東礦結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，在矸石工作面升級(jí)改造期間建立巷道式矸石充填系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)矸石井下就近處理，降低原煤灰分的同時(shí)回收了邊角煤，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，在有類似條件的礦井中具有很高的推廣價(jià)值。