近全巖保護(hù)層開采煤矸井下分選及充填一體化技術(shù)研究與應(yīng)用

張創(chuàng)業(yè)，王曉川，劉慶軍，黃煜萱，李振興

(1.平頂山天安煤業(yè)股份有限公司，河南 平頂山 467000；2.煉焦煤資源開發(fā)及綜合利用國家重點實驗室，河南 平頂山 467000；3.武漢大學(xué) 工業(yè)科學(xué)研究院，湖北 武漢 430072)

據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，在我國的煤礦中，約有44%是深部突出礦井[1-3]，而這些深部突出礦井中的煤層氣大多具有“三低一強(qiáng)”特點：低壓、低滲、低保護(hù)度和強(qiáng)非均質(zhì)。隨著礦井采深增加，瓦斯壓力和含量顯著增加，煤與瓦斯突出危險性急劇上升。目前針對深部突出礦井保護(hù)層開采問題，國內(nèi)采用理論分析、現(xiàn)場實測、實驗與數(shù)值模擬等方法[4]，研究了深部煤層保護(hù)層開采保護(hù)范圍的變化規(guī)律[5]，建立了應(yīng)力—裂隙—滲流耦合模型[6]，分析了薄煤層保護(hù)層開采對臨近煤層的卸壓效果[7]，確定了深部突出礦井保護(hù)層開采方案[8]，并開發(fā)了“突出礦井保護(hù)層選擇系統(tǒng)”[9]。然而隨著礦井深度不斷增加，可供選的薄煤層越來越少。在新形勢下，針對不具備常規(guī)保護(hù)層開采條件的煤層，如何有效地進(jìn)行卸壓增透，是礦井安全生產(chǎn)面臨的一個重要問題。

此外，在煤矸分選領(lǐng)域已經(jīng)發(fā)展了各種煤矸分離技術(shù)[10]：根據(jù)煤和矸石的密度差異發(fā)展了重介分選、跳汰分選和風(fēng)選等分選方法；根據(jù)煤和矸石表面潤濕性差異發(fā)展了浮選的分選方法[11]。然而，這些方法都在井下難以直接應(yīng)用，需要調(diào)整以適應(yīng)井下的工作環(huán)境。2010年全國首家井下選煤系統(tǒng)在山東新汶礦業(yè)集團(tuán)協(xié)莊礦建成[12]，其核心技術(shù)是在井下采用動篩跳汰機(jī)分選原煤和分離塊矸。直至目前，各種井下煤矸分選方法被相繼提出，井下矸石分選系統(tǒng)也在陸續(xù)研制[13，14]。而在充填技術(shù)方面，煤矸石直接充填開采技術(shù)在防治覆巖運(yùn)動、地表塌陷、減少采煤成本等方面，都是一種較為理想的“三下”開采方法[15，16]?？妳f(xié)興等學(xué)者研發(fā)了綜合機(jī)械化矸石充填采煤技術(shù)[17，18]，將綜采和煤矸石機(jī)械化充填相結(jié)合，使其達(dá)到高效充填、致密充填的目的，廣泛應(yīng)用于目前的井下充填采煤系統(tǒng)[19]。

本研究針對平煤十二礦生產(chǎn)實際，提出了近全巖保護(hù)層開采理論，破解了近全巖開采一次采全高技術(shù)難題，建立了近全巖保護(hù)層開采煤矸井下分選與充填一體化系統(tǒng)，形成了礦井近全巖保護(hù)層開采與充填一體化技術(shù)示范區(qū)，為深部高瓦斯礦井安全高效綠色開辟新途徑。

1 深部突出礦井安全高效綠色開發(fā)模式

1.1 工程研究背景

平煤十二礦目前主采三水平己15煤層，煤層原始瓦斯含量為15.26 m3/t，原始瓦斯壓力為1.78 MPa，透氣性系數(shù)僅為0.0776 m2/(MPa2·d)，屬于突出危險性煤層[20]，不適合直接開采，必須采用保護(hù)層開采方法。己15煤層上方的己14煤層煤質(zhì)良好，滿足保護(hù)層開采的基本要求，但其存在厚度太薄的問題，且煤層局部區(qū)域無煤。此外，煤炭開采過程中產(chǎn)生的矸石會對生態(tài)環(huán)境造成破壞，是制約我國煤炭綠色開采的重要障礙。若開采保護(hù)層己14煤層進(jìn)行卸壓，將會產(chǎn)生大量矸石，將這些矸石排放至地面不僅會對礦井的運(yùn)輸系統(tǒng)造成很大的壓力，而且矸石的運(yùn)輸成本和堆積后的矸石山對環(huán)境的影響也不容忽視。

1.2 深部突出礦井近全巖保護(hù)層開采煤矸井下分選及充填一體化系統(tǒng)架構(gòu)

結(jié)合平煤十二礦深部突出礦井的地質(zhì)特點，針對己15突出煤層需要卸壓開采但不具備常規(guī)保護(hù)層的問題，提出了近全巖保護(hù)層開采理論，將僅含煤線厚夾矸的全巖或近全巖層設(shè)計為保護(hù)層；針對高夾矸煤一次采全高設(shè)備損壞率高的難題，通過硬巖輔助預(yù)裂爆破軟化處理工藝實現(xiàn)了煤巖快速截割。其次，鑒于近全巖保護(hù)層開采過程中矸石產(chǎn)量大的問題，平煤十二礦結(jié)合現(xiàn)場實際工況合理高效地布置了煤矸井下分選系統(tǒng)，研發(fā)了適用于千米深地煤礦井下洗選一體化設(shè)備，實現(xiàn)了礦山災(zāi)害防治和礦山安全高效生產(chǎn)。最后，采用阻化劑對矸石進(jìn)行阻化處理，研究了井下充填工藝與方法，并依據(jù)平煤十二礦降低地面塌陷的前提，采用全采局充的充填方法，達(dá)到了最佳經(jīng)濟(jì)效益。平煤十二礦基于上述規(guī)劃進(jìn)行了系統(tǒng)工程設(shè)計，在井下設(shè)置了洗選硐室、破碎硐室等基礎(chǔ)設(shè)施，并配有重介淺槽滾軸篩等機(jī)電設(shè)備，形成了近全巖保護(hù)層開采煤矸井下分選與充填一體化的綜合性閉環(huán)系統(tǒng)，深部突出礦井安全綠色開發(fā)模式如圖1所示。

圖1 深部突出礦井安全、綠色開發(fā)模式

2 深部突出礦井安全高效綠色開發(fā)工程實踐

2.1 近全巖保護(hù)層開采原理

保護(hù)層在開采后，被保護(hù)層煤體的力學(xué)性質(zhì)、滲透性以及整體結(jié)構(gòu)等方面都有明顯的變化：首先發(fā)生卸壓作用，然后被保護(hù)層煤體膨脹，導(dǎo)致被保護(hù)層滲透性增強(qiáng)，最后使得瓦斯氣體濃度下降。己15煤層頂?shù)装迩闆r如圖2所示。己15煤層上方的己14煤層與其距離約為13 m，該煤層原始瓦斯含量1.41 m3/t，瓦斯壓力0.26 MPa，無突出危險，作為保護(hù)層開采可幫助己15突出煤層完成卸壓作用，消除煤與瓦斯突出危險。但己14煤層僅有0.5 m的厚度，且存在局部無煤的問題，不符合常規(guī)保護(hù)層開采的要求。針對該問題，平煤十二礦提出了近全巖保護(hù)層開采理論：將僅含煤線厚夾矸的全巖或近全巖層(軟巖層)設(shè)計為保護(hù)層，通過開采近全巖保護(hù)層來達(dá)到增透卸壓的目的，最終將被保護(hù)層煤炭安全采出。根據(jù)這一理論，平煤十二礦選定了己14煤層及其臨近的砂質(zhì)泥巖作為己15突出煤層的近全巖保護(hù)層。

圖2 煤層頂?shù)装鍘r性分布

如果在采煤過程中，煤層厚度超過0.6 m，采用常規(guī)綜采方法會造成采煤機(jī)截齒的嚴(yán)重?fù)p傷和頻繁更換，導(dǎo)致采煤設(shè)備維護(hù)成本增加，從而嚴(yán)重影響開采效率。針對上述難題，對于一次采全高的硬巖層進(jìn)行軟化處理，即在巖層中打鉆孔，并放入震動炮來將較厚的硬巖層破碎[21]。在輔助預(yù)裂爆破設(shè)計過程中通常根據(jù)煤矸比例將爆破孔布置成單排眼或三花眼，本次工作面巖層厚度大于0.8 m，爆破預(yù)裂的具體工藝選用三花眼布置方式。三花眼布置方式如圖3所示，炮孔深度1.5 m，炮孔1.2 m間距，炮孔排距1.0 m，炮孔孔徑42 mm，每孔裝藥量225 g，爆破孔角度10°。炸藥采用串聯(lián)連線、一次起爆的方式。

圖3 三花眼炮孔布置方式

2.2 煤矸井下分選技術(shù)

深部突出礦井近全巖保護(hù)層開采過程相對于普通工況下的保護(hù)層開采，矸石的開采量較大，如果把矸石排放到地表，會對礦井的輔助運(yùn)輸造成巨大的壓力。因此，平煤十二礦采用煤矸井下分選技術(shù)，來降低矸石運(yùn)輸成本和提高生產(chǎn)效率。然而，井下分選系統(tǒng)的額外布置對于空間狹小的深部突出礦井是一個嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，因此需要合理、高效地布置煤矸井下分選系統(tǒng)。

根據(jù)平煤十二礦生產(chǎn)實際：由于東西兩翼開采長度大、范圍廣且分選中心裝置所需空間較大需在大硐室存放，因此選擇距離井底車場較近且在兩翼居中位置的三水平洗選硐室作為分選中心；由于采區(qū)分東西兩翼開采，為保證矸石的運(yùn)輸效率，具體布置如下：首先布置集中運(yùn)矸巷位于西翼回風(fēng)大巷西側(cè)，然后在運(yùn)矸巷東西兩翼再分別布置兩翼運(yùn)矸巷，使得東西兩翼保護(hù)層工作面與東西運(yùn)矸巷直接相連，其中東翼運(yùn)矸巷位于東翼回風(fēng)大巷東側(cè)，西翼運(yùn)矸巷位于集中運(yùn)矸巷西側(cè)，兩翼運(yùn)矸巷通過聯(lián)絡(luò)巷與總運(yùn)矸巷相連通。此外，還需要布置兩個矸石倉：中部矸石倉為主體矸石倉，上部矸石倉作為東翼周轉(zhuǎn)矸石倉。該系統(tǒng)避免了巷道的多次掘進(jìn)，從而避免了采掘不平衡情況。整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 煤矸井下分選系統(tǒng)布置結(jié)構(gòu)

此外，平煤十二礦結(jié)合保護(hù)層巖層頂?shù)装甯叨?、鉆孔空間位置等現(xiàn)場實際工況，研發(fā)了適用于千米深煤礦井下洗選一體化設(shè)備，確保礦山安全高效生產(chǎn)。井下洗選一體化設(shè)備將原使用的振動篩改造為處理能力大、使用周期長的齒輥式滾軸篩，并用其進(jìn)行250、8 mm分級。煤經(jīng)過滾軸篩被分為小于8 mm、8～250 mm、大于250 mm三個級別：8～250 mm的篩下物進(jìn)入重介淺槽分選機(jī)分選，選出的精煤經(jīng)過處理，與小于8 mm的篩下物混合進(jìn)入原煤倉；選出的矸石經(jīng)過脫介后與大于250 mm的篩上物混合進(jìn)入矸石倉。其工藝流程圖如圖5所示。該井下洗選一體化設(shè)備采用重介淺槽分選工藝，重介淺槽分選工藝適應(yīng)性強(qiáng)，分選效率高(可達(dá)99.5%)，分選粒度級別寬(6～300 mm)，處理量大(最多可分選800 t/h)，滿足平煤十二礦8～250 mm入料范圍和200 t/h處理量的要求，是目前國內(nèi)外分選精度最高的塊煤分選設(shè)備。相比于其他的分選設(shè)備，其分選效率可提高15%。另外，該技術(shù)不會受到不連續(xù)進(jìn)料的影響，對顆粒成分也具有較好的適應(yīng)性；同時，次生煤泥量少，可使煤矸石的泥化程度得到最大程度的降低。

圖5 煤矸排矸工藝流程

2.3 井下充填工藝與方法

礦井地下開采后，采空區(qū)周邊巖體的原有力學(xué)平衡狀況會被破壞，從而導(dǎo)致了巖層的移動、變形和破壞。當(dāng)開采的區(qū)域擴(kuò)大到一定的程度時，巖層的移動和破壞就會影響到地面，引起礦井地表沉陷，產(chǎn)生次生生態(tài)問題，充填開采在防控巖層失穩(wěn)、控制地表沉陷等方面均有很好的作用。根據(jù)平煤十二礦實際條件近全巖保護(hù)層開采會產(chǎn)生大量矸石，被保護(hù)層己15煤層采高較大，約為3 m，為有效減少因采高而引起的地面塌陷，必須對己15工作面的采空區(qū)進(jìn)行充填。充填開采布置方案如圖6所示[22]。

圖6 充填開采布置方案

井下充填采用阻化回填工藝：矸石倉定時出矸，進(jìn)入破碎機(jī)粉碎，破碎后矸石的平均粒徑為50 mm，通過帶式輸送機(jī)運(yùn)輸進(jìn)入制備硐室，在制備硐室對矸石進(jìn)行阻化處理：使用氯化鎂、黃土、水按1∶4∶8比例制備成阻化劑，在制備硐室使用噴灑裝置對破碎的矸石進(jìn)行噴灑，矸石與阻化劑混合后，通過回填膠帶運(yùn)送到采面，然后通過回填輸送機(jī)輸送到采空區(qū)。

井下的充填方法有全采全充、全采局充、局采局充和局采全充四種類型[23]，依據(jù)礦井需要降低地面塌陷的目標(biāo)，平煤十二礦綜合考慮選擇全采局充的充填形式，以達(dá)到最佳經(jīng)濟(jì)效益。全采局充的布局形式是在己15煤層布置充填和綜采混合工作面，混合工作面包括充填段與垮落段兩個部分：兩部分均采用傳統(tǒng)綜采技術(shù)進(jìn)行采煤，垮落段采用垮落法管理頂板，充填段則采用矸石充填，將近全巖保護(hù)層采出的大量矸石進(jìn)行充填處理。充填段與垮落段的布局按照地表區(qū)域重要程度進(jìn)行劃分，將村莊工業(yè)廣場等重要區(qū)域?qū)?yīng)的采空區(qū)設(shè)置為充填段，田地丘陵等非重點區(qū)域?qū)?yīng)的采空區(qū)設(shè)置為自然垮落段，做到有的放矢，最大限度的利用好矸石。

2.4 近全巖保護(hù)層開采煤矸井下分選與充填一體化系統(tǒng)

平煤十二礦在開采過程中為保證礦井生產(chǎn)能力，選擇位于己15煤層下方的己16-17煤層作為配采煤層，故礦井正常開采時同時包括己14、己15、己16-17煤層三個工作面，為保證下一工作面按時交接時會有3個掘進(jìn)工作面開采。平煤十二礦近全巖保護(hù)層開采煤矸井下分選與充填一體化系統(tǒng)，如圖7所示。井下煤與矸石由六個工作面A1、A2、A3、B1、B2、B3產(chǎn)生，經(jīng)運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)輸至分選中心C進(jìn)行分選，然后通過運(yùn)輸系統(tǒng)將煤運(yùn)輸至井下煤倉D并升井，將矸石運(yùn)輸至井下矸石倉E，隨后用于工作面填充。

圖7 近全巖保護(hù)層開采煤矸井下分選與充填一體化系統(tǒng)

平煤十二礦形成了“全面保護(hù)層開采”、“采一層保護(hù)兩層”整體卸壓消突的瓦斯治理模式：即一個三水平采區(qū)，一個近全巖保護(hù)層工作面A1，一個采煤工作面A2，一個配采工作面A3。A1、A2、A3工作面同時開采時，在空間位置上，近全巖保護(hù)層工作面A1位于采煤工作面A2向下1個區(qū)段，配采工作面A3位于采煤工作面A2向上1個區(qū)段：比如己14-31050保護(hù)層工作面、己15-31030采煤工作面、己16-17-31010配采工作面同時開采，而這種空間位置上的布置能使得相互之間的開采擾動降低到最小。

3 深部突出礦井安全高效綠色開發(fā)工程效益

平煤十二礦根據(jù)近全巖保護(hù)層開采原理已經(jīng)成功開采3個極薄煤層工作面，近全巖保護(hù)層開采瓦斯治理效果顯著。以己15-31010工作面為例，采用V錐單孔自動計量流量計記錄煤層瓦斯壓力數(shù)據(jù)，在工作面切眼前方40 m處布置瓦斯壓力監(jiān)測點，并每隔30 m布置一個監(jiān)測點。監(jiān)測結(jié)果顯示：在己14-31010近全巖保護(hù)層工作面回采4個月后，己15-31010工作面的瓦斯壓力由原始的1.78 MPa降低到0.35 MPa，瓦斯壓力降幅達(dá)到80%；殘余瓦斯含量僅為1.28 m3/t，抽采率提高至66%。

平煤十二礦采用自主設(shè)計的煤矸分選設(shè)備，每年平均回收10萬t精煤，增加凈利潤3200萬元[24]。此外，平煤十二礦又采用阻化回填新工藝，將大量矸石阻化回填到采空區(qū)內(nèi)，有效防治了地表沉陷問題，地表觀測站對己15-31010工作面自開切眼推進(jìn)開始的連續(xù)觀測結(jié)果顯示：對應(yīng)地表的最大下沉量僅為15 mm，地表建筑受采動影響極其輕微；同時能避免形成冒落堆積煤，阻隔留頂煤和留底煤自燃，解決了煤層自然發(fā)火難題，從2020年以來，礦井沒有發(fā)生過采空區(qū)自然發(fā)火事故。

4 結(jié) 論

1)針對己15突出煤層需要卸壓開采但不具備常規(guī)保護(hù)層的問題，提出了近全巖保護(hù)層開采理論；通過硬巖輔助預(yù)裂爆破軟化處理工藝處理巖層解決了采高夾矸煤設(shè)備損壞率高的難題。

2)針對近全巖保護(hù)層開采過程中矸石產(chǎn)量大的問題，采用煤矸井下分選技術(shù)，并合理高效地布置了煤矸井下分選系統(tǒng)，研發(fā)了適用于千米深地煤礦井下洗選一體化設(shè)備，實現(xiàn)了礦山安全高效生產(chǎn)。

3)開發(fā)阻化回填新工藝，并采用全采局充的充填方法，對采空區(qū)由于開采造成的地面塌陷問題進(jìn)行了有效的治理，實現(xiàn)了固廢資源再利用，取得了較高的經(jīng)濟(jì)效益。

4)平煤十二礦形成了以近全巖保護(hù)層開采卸壓、煤矸井下分選、充填再利用為架構(gòu)，以近全巖保護(hù)層開采理論、硬巖軟化工藝、煤矸井下分選系統(tǒng)、井下洗選一體化設(shè)備、阻化回填工藝為基礎(chǔ)的深部突出礦井安全綠色高效開發(fā)新模式，該模式不僅能增強(qiáng)礦井的安全性，提高礦井的經(jīng)濟(jì)效益，實現(xiàn)礦井的綠色開發(fā)，為礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展奠定堅實基礎(chǔ)；也能為國內(nèi)類似礦山工程的開發(fā)提供參考，對促進(jìn)中國礦業(yè)的安全發(fā)展起到了積極的作用。