鑫巖煤礦井下煤矸分選與充填開采一體化系統(tǒng)設(shè)計

趙振宇，張開加，董 宇

(1.中煤科工集團沈陽設(shè)計研究院有限公司，遼寧 沈陽 110015；2.中煤科工集團沈陽研究院有限公司，遼寧 撫順 113122；3.煤礦安全技術(shù)國家重點實驗室，遼寧 撫順 113122)

煤炭開采過程產(chǎn)生的矸石嚴(yán)重影響生態(tài)環(huán)境，成為實現(xiàn)煤炭綠色開采的主要制約因素。為解決矸石的污染問題，實現(xiàn)安全、高效、綠色開采，山西省委省政府2019年9月發(fā)布了《山西能源革命綜合改革試點行動方案》：“結(jié)合煤炭無人智能開采、井下充填開采，開展井下矸石智能分選試點示范工程建設(shè)，2022年實現(xiàn)未達(dá)標(biāo)處置存量矸石回填礦井、新建礦井不可利用矸石全部返井，2025年新建礦井全部建成井下矸石智能分選系統(tǒng)”。鑫巖煤礦作為首批試點示范工程開展井下矸石分選與充填開采一體化系統(tǒng)設(shè)計。

1 基本情況

1.1 煤層賦存

鑫巖井田內(nèi)可采煤層共有8層，其中全區(qū)發(fā)育且主要可采煤層為5號煤層和10號煤層，兩層煤層間距為60m，其他可采煤層均為局部可采。5號煤層可采厚度為0.70～1.61m，平均1.04m，偶含一層夾矸，結(jié)構(gòu)簡單。10號煤層可采厚度為3.20～5.40m，平均4.56m，含夾矸0～6層，一般2～3層，夾矸總厚0.10～1.60m，平均0.71m，結(jié)構(gòu)簡單至較簡單。

1.2 開拓、開采及地面生產(chǎn)系統(tǒng)

鑫巖井田地處呂梁山西側(cè)，屬典型的黃土溝、梁、峁地貌。受地形影響，鑫巖煤礦沿朱趙公路兩側(cè)布置工業(yè)場地，工業(yè)場地內(nèi)布置主斜井、副立井、1號回風(fēng)立井和2號回風(fēng)立井。井下布置1個薄煤層綜采工作面(年產(chǎn)量為90萬t/a)和1個大采高綜采工作面(年產(chǎn)量為150萬t/a)。

鑫巖礦井地面設(shè)有選煤廠，原煤經(jīng)過50mm預(yù)先篩分分級，50mm原煤經(jīng)手選后通過動篩排矸，動篩精煤經(jīng)破碎機破碎至50mm以下與分級篩篩下(-50mm)物料作為混煤運至主廠房進行洗選。主廠房內(nèi)設(shè)置兩套獨立的脫泥無壓三產(chǎn)品重介旋流分選系統(tǒng)。

1.3 矸石量計算

根據(jù)選煤廠篩分試驗確定礦井生產(chǎn)產(chǎn)生的矸石量，見表1。

表1 礦井生產(chǎn)產(chǎn)生的矸石量 萬t/a

2 井下煤矸分選技術(shù)選擇

目前，井下典型的煤矸分選技術(shù)包括重介淺槽分選、動篩跳汰分選、新型跳汰分選和TDS智能干選4種技術(shù)[1-6]。結(jié)合鑫巖煤礦條件，進行井下煤矸分選技術(shù)比選，見表2。

表2 井下煤矸分選技術(shù)比選

從分選技術(shù)處理能力角度分析，按年生產(chǎn)時間為330d，每日生產(chǎn)時間為16h，薄煤層綜采工作面生產(chǎn)能力為170t/h，大采高綜采工作面生產(chǎn)能力為285t/h，四種分選技術(shù)均滿足要求。從分選效率角度分析，除動篩跳汰分選效率低于95%，其他技術(shù)分選效率均大于95%，因此，排除動篩跳汰分選技術(shù)。從運行成本角度分析，重介淺槽分選技術(shù)采用的介質(zhì)為鐵磁粉，需增加介質(zhì)回收系統(tǒng)，造成其成本為33.8元/t，是新型跳汰分選技術(shù)成本的兩倍，因此，排除重介淺槽分選技術(shù)。從硐室工程量角度分析，TDS智能干選系統(tǒng)較新型跳汰分選減少硐室工程量15m，節(jié)約硐室工程量費用為37.5萬元?？紤]利用地面已建有的選煤廠處理50mm以下原煤，井下主要分選50mm以上的原煤量為46.7萬t，采用TDS智能干選技術(shù)可節(jié)省運行成本為298.88萬元/a。綜上所述，設(shè)計選用TDS智能干選技術(shù)分選井下煤矸。

3 綜采工作面充填工藝選擇

目前，綜采工作面充填工藝主要包括固體充填工藝、膏體充填工藝和連采面充填工藝[7-12]。結(jié)合鑫巖煤礦條件，進行綜采工作面充填工藝比選，見表3。

表3 綜采工作面充填工藝比選

從適用條件分析，連采面充填工藝適用于中厚煤層，開采范圍為邊角煤、不規(guī)則煤體，而5號煤層平均厚度為1.04m，屬于薄煤層且全區(qū)發(fā)育，開采范圍為規(guī)則煤體；10號煤層平均厚度為4.56m，屬于厚煤層且全區(qū)發(fā)育，開采范圍為規(guī)則煤體。從資源回采率角度分析，10號煤層屬于厚煤層，使得煤柱寬，煤柱量大，造成連采面充填開采資源回采率低于75%，而固體和膏體充填開采資源回采率達(dá)到85%以上，同時連采面充填工藝通風(fēng)系統(tǒng)復(fù)雜，控風(fēng)難度大，因此，排除連采面充填工藝。受鑫巖煤礦工業(yè)場地限制，采用膏體充填工藝增加配料系統(tǒng)和泵送系統(tǒng)，需新購工業(yè)場地用地范圍，增加工業(yè)場地填挖方量，施工工期長，投資成本高。從噸煤增加充填成本角度分析，膏體充填成本是固體充填成本2倍或3倍，按處理矸石量為47.4萬t/a計算，年增加充填成本2370～4740萬元/a，同時鑫巖井田地表村莊零星分布，采用膏體充填經(jīng)濟效益低。綜上所述，設(shè)計選用綜采工作面固體充填工藝。

4 地面矸石返井系統(tǒng)

根據(jù)井下煤矸分選技術(shù)比選，確定采用TDS智能干選系統(tǒng)，井下分選系統(tǒng)主要處理50mm以上原煤，分選出的矸石直接排至充填工作面。50mm以下原煤利用鑫巖煤礦地面已建有的選煤廠進行處理，分選出的矸石需要返回井下。結(jié)合鑫巖煤礦工業(yè)場地布置和井下運輸系統(tǒng)，受工業(yè)場地建筑的影響，選煤廠分選出的矸石難以布置帶式輸送機至主斜井井口，同時改造工程將影響礦井生產(chǎn)；利用現(xiàn)有輔助運輸系統(tǒng)將矸石運輸至井下，地面分選矸石量達(dá)到23.2萬t/a，增加了輔助運輸提升量，造成輔助運輸系統(tǒng)運力緊張，同時矸石運輸不具有連續(xù)性，難以保證綜采工作面充填矸石處理量，因此，設(shè)計采用垂直投料系統(tǒng)。在地面選煤廠矸石倉下垂直掘進一條投料井至井下，并安裝雙金屬復(fù)合耐磨管作為固體充填材料的輸送通道。垂直投放系統(tǒng)主要包括地面生產(chǎn)系統(tǒng)和井下生產(chǎn)系統(tǒng)，其中地面生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括矸石倉；井下生產(chǎn)系統(tǒng)主要包括投料井、緩沖器、儲料倉及裝載硐室等[13-16]，垂直投料系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 垂直投料系統(tǒng)

5 井下煤矸分選與充填開采一體化系統(tǒng)設(shè)計

5.1 一體化系統(tǒng)設(shè)計原則

鑫巖煤礦在采用TDS智能干選系統(tǒng)、綜采工作面固體充填工藝和地面矸石垂直投料系統(tǒng)基礎(chǔ)上，確定以下設(shè)計原則：①為減少設(shè)備投資，簡化管理，井下選用一套智能分選系統(tǒng)；②為避免大巷內(nèi)帶式輸送機瞬時煤量過大，導(dǎo)致井下智能分選系統(tǒng)過載，布置1座原煤倉；③為避免井下智能分選處理矸石量過大，導(dǎo)致充填工作面處理矸石量與之不匹配，布置1座矸石倉；④為保證礦井產(chǎn)生的矸石能夠有足夠的空間進行充填，在厚煤層10煤布置綜采充填工作面。

井下煤矸分選與充填開采一體化系統(tǒng)平面布置如圖2所示。

圖2 井下煤矸分選與充填開采一體化系統(tǒng)平面

5.2 系統(tǒng)流程

在5煤北一上盤區(qū)南翼運輸大巷增加滾軸篩，50mm以下原煤經(jīng)滾軸篩篩分后落入原有帶式輸送機，50mm以上原煤轉(zhuǎn)載至5煤原煤倉上口轉(zhuǎn)載斜巷，經(jīng)轉(zhuǎn)載溜槽落入10煤原煤倉上口轉(zhuǎn)載斜巷。在10煤北一下盤區(qū)南翼集中運輸大巷增加滾軸篩，50mm以下原煤經(jīng)滾軸篩篩分后落入原有帶式輸送機，50mm以上原煤轉(zhuǎn)載至10煤原煤倉上口轉(zhuǎn)載斜巷，與5煤篩分后50mm以上原煤混合經(jīng)破碎機控制原煤粒度在300mm以下，再匯入原煤倉內(nèi)，卸載硐室至原煤倉剖面如圖3所示。原煤通過原煤倉下口給煤機硐室，經(jīng)原煤倉下口轉(zhuǎn)載平巷進入TDS智能干選系統(tǒng)，分選后煤炭落入北一下盤區(qū)南翼集中運輸大巷，煤倉下口至轉(zhuǎn)載平巷剖面如圖4所示，轉(zhuǎn)載平巷至分選硐室剖面如圖5所示。分選后的矸石經(jīng)矸石倉上口轉(zhuǎn)載斜巷落入矸石倉內(nèi)，經(jīng)矸石倉下口給煤機，運至北一下盤區(qū)南翼集中運輸大巷內(nèi)增設(shè)的矸石帶式輸送機。地面選煤廠分選出的矸石經(jīng)投料井落入井下儲料倉內(nèi)，通過儲料倉下口給煤機和矸石運輸聯(lián)絡(luò)巷運至北一下盤區(qū)南翼集中運輸大巷內(nèi)增設(shè)的矸石帶式輸送機，與井下分選矸石混合經(jīng)矸石運輸順槽落入充填工作面后方的采空區(qū)，分選硐室至矸石倉剖面如圖3所示。

圖3 卸載硐室至原煤倉剖面

圖4 煤倉下口至轉(zhuǎn)載平巷剖面

圖5 轉(zhuǎn)載平巷至分選硐室剖面

圖6 分選硐室至矸石倉剖面

5.3 滾軸篩設(shè)備選型及布置

5煤北一上盤區(qū)南翼運輸大巷選用帶式輸送機型號為DTL100/50/2×200，10煤北一下盤區(qū)南翼集中運輸大巷選用帶式輸送機型號為DTL120/120/2×250，在既有帶式輸送機基礎(chǔ)上進行改造，選用的滾軸篩與既有帶式輸送機能力相匹配。5煤北一上盤區(qū)南翼運輸大巷選用的滾軸篩型號為FZS5050-18/10°，給料能力500t/h，5煤卸載硐室設(shè)備布置如圖7所示。10煤煤北一下盤區(qū)南翼集中運輸大巷選用的滾軸篩型號為FZS20050-40/9°，給料能力1500t/h，10煤卸載硐室設(shè)備布置如圖8所示。

圖7 5煤卸載硐室設(shè)備布置

圖8 10煤卸載硐室設(shè)備布置

5.4 矸石倉和原煤倉容量計算

矸石倉和原煤倉設(shè)計如圖9所示，矸石倉和原煤倉有效容量可按下列公式計算：

Q=(0.15～0.35)A

(1)

式中，Q為煤倉或矸石倉有效容積，m3；A為井下分選每日原煤或矸石量，m3；V1為煤倉漏斗容積，m3；H1為給煤機硐室底板至煤倉漏斗口的高度，取5m；H2為斗嘴高度，取0.5m；H3為煤倉漏斗高度，m；H4為煤倉有效高度，m；H5為煤倉滿載位置至倉帽的高度，取2m；D為直立煤倉凈直徑，m；b1為斗嘴寬度，取2m；α為漏斗斜面與水平的夾角，一般不小于50°，取60°。

已知井下分選50mm以上原煤量為46.7萬t/a，井下分選50mm以上矸石量為24.2萬t/a，按年330天計算，每日井下分選原煤量為1415t/d，每日井下分選矸石量為733t/d。圓形直立煤倉直徑與高比宜為0.22～0.42。代入式(1)—式(4)內(nèi)進行計算，當(dāng)原煤倉凈直徑D=6m，煤倉有效高度H4=12m時，V原煤總=425m3，考慮原煤倉空隙密實度，原煤容重按1.0t/m3計算，則原煤倉有效容積為1415×0.15=212.25t<425t<1415×0.35=495.25t，煤倉直徑與高比為0.33，滿足要求。當(dāng)矸石倉凈直徑D=5m，煤倉有效高度H4=7.5m時，V矸總=205m3，考慮矸石倉空隙密實度，矸石容重按1.2t/m3計算，則矸石倉有效容積為733×0.15=109.95t<246t<733×0.3=256.55t，煤倉直徑與高比為0.4，滿足要求。

圖9 矸石倉和煤倉設(shè)計

5.5 綜采工作面固體充填能力計算及關(guān)鍵設(shè)備選型

5.5.1 充填工作面生產(chǎn)能力

設(shè)計充填工作面布置在10號煤層中，工作面分別布置矸石運輸巷和原煤運輸巷。采用U型通風(fēng)，原煤運輸巷進風(fēng)，矸石運輸巷回風(fēng)。充填工作面采用以矸定產(chǎn)，分別計算充填工作面充填能力和采煤能力。

充填工作面年處理矸石量：

A1=330N1LBHγ矸

(5)

式中，A1為充填采煤工作面日處理矸石能力，t/d；N1為每日進刀數(shù)，取5刀；L為循環(huán)進尺，取0.8m；B為工作面長，取70m；H為充填高度，取3.0m；γ矸為矸石的容重，取2.0t/m3；

代入式(5)內(nèi)進行計算，充填工作面年處理矸石能力為55萬t/a。

充填工作面年采煤能力：

A2=330N2LBHγC

(6)

式中，A2為充填采煤工作面日生產(chǎn)能力，t/d；N2為每日進刀數(shù)，取5刀；L為循環(huán)進尺，取0.8m；B為工作面長，70m；H為采高，取4.56m；γ為煤的容重，取1.40t/m3；C為工作面采出率，取0.93。

代入式(6)內(nèi)進行計算，充填采煤工作面長度70m，每日進5刀，充填采煤工作面年采煤能力為55萬t/a。充填工作面年處理矸石能力為55萬t/a，礦井需求的矸石處理量為47.4萬t/a，充填工作面的矸石處理能力滿足需求。

5.5.2 綜合機械化固體充填關(guān)鍵設(shè)備

綜合機械化充填技術(shù)在綜合機械化采煤的基礎(chǔ)上發(fā)展而來，與普通綜采相比較，綜合機械化固體充填采煤可實現(xiàn)在同一液壓支架掩護下采煤與充填并行作業(yè)。在綜合機械化固體充填采煤工作面，充填矸石通過充填物料運輸系統(tǒng)輸送至懸掛在充填支架后頂梁的多孔底卸式輸送機上，再由多孔底卸式輸送機的卸料孔將充填材料充入采空區(qū)[17，18]。工作面關(guān)鍵設(shè)備主要包括充填采煤液壓支架和多孔底卸式輸送機，固體充填采煤工作面布置如圖10所示。

圖10 固體充填采煤工作面布置

5.5.3 充填采煤液壓支架選型設(shè)計

支架高度與調(diào)高范圍的選擇。支架最大支撐高度Hmax和最小支撐高度Hmin應(yīng)盡量適應(yīng)煤層的厚度變化。10煤可采厚度為3.20～5.40m，選擇支架最大支撐高度Hmax為5.6m，最小支撐高度Hmin為2.8m。

液壓支架支護強度與工作阻力的計算。采用倍重系數(shù)估算法計算支架支護強度：

Pt=(4～8)×9.8H′γη

(7)

式中，H′取等價采高，按最大采高5.40m，充實率0.7，計算得出1.62m；γ為頂板巖石容重，取2.5t/m3；η為安全系數(shù)，取1.3。

代入式(7)內(nèi)進行計算，支架支護強度為0.206～0.413MPa。

根據(jù)支護強度、配套設(shè)備尺寸、支架頂梁長度和空頂距計算支架工作阻力：

P=nBp(LK+LD)

(8)

式中，n為安全系數(shù)，取1.1；LK為端面距，取0.27m；LD為頂梁長度，取7.8m；B為架間距，取1.75m；p為支架支護強度，取413kN/m2。

代入式(8)內(nèi)進行計算，工作面液壓支架的支護阻力應(yīng)不小于6416kN。鑫巖煤礦充填采煤液壓支架選用ZC8000/28/56型四柱支撐式，主要由頂梁、立柱、底座、四連桿機構(gòu)、后頂梁、全采高夯實系統(tǒng)等構(gòu)成。后頂梁由后部千斤頂支撐，以增加支架后頂梁的支護強度和穩(wěn)定性，支架后頂梁懸掛的多孔底卸式輸送機用于充填材料的運輸，全采高夯實系統(tǒng)安裝在支架底座上，對矸石充填材料進行壓實。當(dāng)后頂梁下部設(shè)備拆除后，后頂梁下降能形成支撐掩護式支架隔離采煤工作區(qū)與采空區(qū)。

5.5.4 多孔底卸式刮板輸送機選型設(shè)計

鑫巖煤礦采用“四六”制作業(yè)方式，每班工作6h。工作面二班半充填采煤，每天割5刀，每刀進尺0.8m。每班需要充填空間：

V1=KNLSMmax

(9)

式中，V1為每天充填空間，m3；N為刀數(shù)；L為工作面長度，取70m；S為每刀進尺，取0.8m；Mmax為工作面最大采高，取5.40m；K為備用系數(shù)，取1.15。

代入式(9)內(nèi)進行計算，10煤工作面每天充填體積為1738.8m3，每班充填體積為696m3。設(shè)計每班充填時間為4h，底卸式刮板輸送機運輸量應(yīng)大于174m3/h，充填材料的容重按1.5t/m3計，相當(dāng)于261t/h。設(shè)計選用SGBC764/400型多孔底卸式輸送機，卸料孔的形狀設(shè)計為長方形，其尺寸為345×460mm，卸料孔間距設(shè)計為1.75m。

5.6 地面矸石垂直投料系統(tǒng)管徑選型計算

5.6.1 投料流量計算

每年所需充填物料量決定平均投料流量，根據(jù)下式計算：

Q=A/(330×t)

(10)

式中，Q為平均投料流量，t/h；A為地面矸石投入量，取23.2萬t/a；t為每天投料時間，取12h。

代入式(10)內(nèi)進行計算，平均投料流量為59t/h。據(jù)大量工程實踐，取1.5的不穩(wěn)定系數(shù)，平均投料流量大于88.5t/h，設(shè)計平均投料流量取整為100t/h。

5.6.2 物料下落截面積計算

充填物料經(jīng)地面矸石倉投至井口，忽略碰撞等過程中的能量損失，則機械能守恒：

式中，m為充填物料質(zhì)量，t；vb為充填物料初始速度，取0m/s；g為重力加速度，取9.8m/s2；h為地面矸石倉下口到井口的垂直高度，取1m；v0為充填物料至投料井口的速度，m/s。

代入式(11)—式(12)內(nèi)進行計算，v0=4.43m/s。

根據(jù)充填物料投料井口初速度，計算出物料下落截面積等效直徑：

式中，d0為物料下落截面積等效直徑，m；v0為充填物料至投料井口的速度，取4.43m/s。ρ為充填物料平均密度，取2.0t/m3；γ為投料流量不均衡系數(shù)，取1.5；Q為平均投料流量，取100t/h。

代入式(13)內(nèi)進行計算，d0=0.077m=77mm。據(jù)大量工程實踐，投料孔直徑需大于物料下落截面積等效直徑的3倍。因此，投料管應(yīng)不小于231mm?？紤]一定富余系數(shù)，確定鑫巖煤礦垂直投料輸送系統(tǒng)投料管內(nèi)徑為500mm。垂直投料系統(tǒng)投料管選用新型三層金屬耐磨管，包括外管、中間層和內(nèi)部高耐磨層，其中高耐磨層厚度選為26mm，中間管厚度設(shè)計為12mm，高耐磨層離心澆筑在耐磨層上，外層管厚度選為12mm，則投料管總厚度為50mm，投料管內(nèi)徑為500mm，即投料管選用D500mm×50mm耐磨管。

6 結(jié) 語

結(jié)合鑫巖煤礦井上、下生產(chǎn)系統(tǒng)和開采條件，確定鑫巖煤礦井下煤矸分選與充填開采一體化系統(tǒng)。該設(shè)計系統(tǒng)具有巷道及硐室工程量省，設(shè)備投資少、管理簡化的優(yōu)點，同時利用原煤倉和矸石倉的緩沖作用，可保障井下分選系統(tǒng)穩(wěn)定運行。在厚煤層10煤布置綜采充填工作面，可確保礦井產(chǎn)生的矸石量有足夠的空間進行充填，能夠有效解決矸石排放污染的問題，為鑫巖煤礦實現(xiàn)綠色開采提供了技術(shù)保障，為類似條件礦井井下分選與充填開采設(shè)計提供借鑒。