義橋煤礦矸石不升井“采選充”一體化開采設(shè)計(jì)

劉海泉，王中亮，魏曉峰，彭雷祥

(通用技術(shù)集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限公司，山東 濟(jì)南 250031)

為回收部分工業(yè)場地或建筑物下優(yōu)質(zhì)資源，需采用建筑物下開采技術(shù)，常采用的技術(shù)[1，2]包括條帶開采技術(shù)[3]和充填開采技術(shù)[4-6]，條帶開采技術(shù)煤炭回收率低，造成資源損失及浪費(fèi)，應(yīng)用較少。充填開采技術(shù)已成為現(xiàn)今最常規(guī)的建筑物下開采方式，主要包括矸石充填[7]、超高水充填[8]、膏體充填[9，10]等方式。充填開采所采用的矸石通常是經(jīng)煤、矸洗選分離后得到，我國煤炭、矸石洗選已有長足發(fā)展[11-14]，常見的分選技術(shù)包括重介選煤技術(shù)、跳汰技術(shù)[15]和浮選技術(shù)[16]，按照選煤介質(zhì)不同，大致分為濕式選煤法和干式選煤法。但伴隨著智能化技術(shù)在煤、矸分選體系的應(yīng)用，煤、矸智能分選[17]技術(shù)已日漸成熟，智能化選煤技術(shù)逐漸成為主流技術(shù)。其中，TDS智能干選機(jī)[18]在煤炭、矸石分選技術(shù)中已成為井下智能分選的領(lǐng)軍技術(shù)。以上充填開采及煤、矸智能化分選技術(shù)大都集中在各自領(lǐng)域的研究，通過地面或井下矸石分選后在地面制充填體后進(jìn)行充填開采，對于井下煤、矸分選后直接進(jìn)行充填開采的研究相對較少。本次研究以義橋煤礦五采區(qū)淺部區(qū)域建筑物下壓煤開采為例，擬通過井下矸石分選后直接用于建筑物下壓煤充填開采，消化矸石，實(shí)現(xiàn)建筑物下壓煤安全回采。

1 礦井概況

汶上義橋煤礦有限責(zé)任公司(以下簡稱“義橋煤礦”)井田面積約17.5 km2，生產(chǎn)能力為80萬t/a，采用立井單水平開拓，井口標(biāo)高+45 m、井底水平標(biāo)高-335 m，可采煤層為3煤層，采煤方法為長壁后退式采煤法，全部垮落法管理頂板，綜采和綜放采煤工藝，現(xiàn)有采掘活動的采區(qū)為三、五采區(qū)。五采區(qū)淺部區(qū)域位于五采區(qū)南部，東西寬270～450 m，南北長200～485 m，區(qū)域面積為89438 m2。該區(qū)域地面建筑物較多，分布有中學(xué)、村莊、衛(wèi)生院辦公樓及沿街兩層樓房等，區(qū)域內(nèi)3煤層厚度平均為2.8 m。為回收建筑物下壓煤資源，設(shè)計(jì)采用井下TDS智能干選配合連采連充方案。五采區(qū)淺部區(qū)域范圍如圖1所示。

圖1 五采區(qū)淺部區(qū)域范圍

2 井下智能干選設(shè)計(jì)方案

TDS智能干選機(jī)通過X射線和圖像識別技術(shù)，通過大數(shù)據(jù)分析，對煤與矸石進(jìn)行數(shù)字化識別，適用于50～300 mm煤矸分選。同傳統(tǒng)濕法選煤工藝相比系統(tǒng)簡化、工藝設(shè)備體積小。為減少井下巷道工程量及避免大斷面硐室布置，煤矸分選技術(shù)選用TDS智能干選機(jī)進(jìn)行分選。

2.1 分選系統(tǒng)布置方案選擇

針對義橋煤礦井下智能干選系統(tǒng)位置及布置方式，提出兩個布置方案。

2.1.1 方案一：新施工巷道內(nèi)布置智能干選系統(tǒng)

在膠帶暗斜井檢修聯(lián)絡(luò)巷的附近新建智能干選系統(tǒng)硐室布置分選系統(tǒng)，并新建矸石倉，矸石倉下口通過帶式輸送機(jī)將選后矸石轉(zhuǎn)載至東翼運(yùn)輸巷運(yùn)輸至充填工作面充填，煤流、矸石運(yùn)輸路線如圖2所示，共需新施工巷道201 m，布置一處直徑7 m、高度18 m的矸石倉，共計(jì)投資2416萬元，施工總工期為7個月。方案一巷道布置如圖2所示。

圖2 方案一巷道布置

2.1.2 方案二：原有巷道內(nèi)布置智能干選系統(tǒng)

利用現(xiàn)有膠帶暗斜井?dāng)U刷，將智能干選系統(tǒng)直接布置在現(xiàn)有膠帶暗斜井帶式輸送機(jī)上方，并在膠帶暗斜井新建矸石倉，矸石倉下口通過帶式輸送機(jī)將選后矸石轉(zhuǎn)載至東翼運(yùn)輸巷運(yùn)輸至充填工作面充填，煤流、矸石運(yùn)輸路線如圖3所示，共需新施工巷道260 m，布置一處直徑5 m、高度40 m的矸石倉，共計(jì)投資2451萬元，施工總工期為8個月。方案二巷道布置如圖3所示。

圖3 方案二巷道布置

2.1.3 方案比選

1)方案一優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：新建巷道內(nèi)布置分選系統(tǒng)便于系統(tǒng)檢修維護(hù)；改造工程對現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)影響較?。幌锏拦こ塘啃?，施工難度小，工期短、投資少；距離充填區(qū)域近，有利于前期充填系統(tǒng)的形成。缺點(diǎn)：與方案二相比，少兩部帶式輸送機(jī)，系統(tǒng)環(huán)節(jié)少；矸石倉下口檢修方便。

2)方案二優(yōu)缺點(diǎn)。優(yōu)點(diǎn)：為節(jié)約巷道工程量，矸石轉(zhuǎn)載巷道及矸石倉下口設(shè)置在回風(fēng)巷道內(nèi)；缺點(diǎn)：在現(xiàn)有巷道內(nèi)施工對生產(chǎn)會有影響；系統(tǒng)布置在現(xiàn)有巷道，不利于系統(tǒng)設(shè)備布置和后期使用維護(hù)；與方案一相比，工程量大、工期長、投資多；分選系統(tǒng)處于回風(fēng)風(fēng)流中，不利于設(shè)備維護(hù)使用。

分選系統(tǒng)布置方案投資和工期對比見表1，綜合以上兩個方案，方案一在新建巷道內(nèi)布置分選系統(tǒng)便于系統(tǒng)檢修維護(hù)；無需擴(kuò)刷現(xiàn)有巷道，改造工程對現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)影響較小；巷道工程量少、投資少、工期短，綜合分析，推薦方案一作為主導(dǎo)方案。

表1 分選系統(tǒng)布置方案投資和工期對比

2.2 分選系統(tǒng)工藝

在膠帶暗斜井帶式輸送機(jī)增加卸料器，將原煤(含矸)卸載至入料帶式輸送機(jī)，并進(jìn)行50 mm篩分，篩上塊煤直接進(jìn)入干選機(jī)進(jìn)行分選，干選機(jī)選后的塊煤和滾軸篩篩下末煤通過返煤帶式輸送機(jī)返回膠帶暗斜井帶式輸送機(jī)。選后矸石破碎至50 mm以下進(jìn)入新建矸石倉，并通過轉(zhuǎn)載帶式輸送機(jī)、東翼膠帶大巷帶式輸送機(jī)運(yùn)至五采區(qū)淺部區(qū)域進(jìn)行充填，實(shí)現(xiàn)矸石不升井。

3 井下連采連充設(shè)計(jì)方案

3.1 井下充填開采方式確定

井下充填工藝(以矸石為原料)可采用架后長壁膏體充填工藝和密實(shí)膠結(jié)連采連充工藝。架后長壁膏體充填工藝在地面進(jìn)行膏體制備，通過管路輸送至回采工作面，架后進(jìn)行充填開采，避免頂板垮落，地面充填站建設(shè)及充填支架購置費(fèi)用約7000萬元，投產(chǎn)后預(yù)計(jì)增加噸煤成本150元/t。密實(shí)膠結(jié)連采連充工藝采用地面制備膠結(jié)漿體(水泥、粉煤灰和水按一定比例混合制成)，通過充填管路下井敷設(shè)至連采連充支巷，井下生產(chǎn)矸石經(jīng)TDS智能干選后，由帶式輸送機(jī)輸送至填支巷，矸石與漿體在支巷充填空間進(jìn)行混合，完成對支巷密實(shí)膠結(jié)充填，避免頂板垮落，地面充填站建設(shè)及工作面采掘設(shè)備購置費(fèi)用約3400萬，投產(chǎn)后預(yù)計(jì)增加噸煤成本90元/t?？紤]井下矸石不升井，保證主井純煤提升量，避免矸石升井后二次污染問題，以及建設(shè)投資及噸煤成本增加費(fèi)用，推薦采用密實(shí)膠結(jié)連采連充采煤工藝。

3.2 連采連充系統(tǒng)方案

3.2.1 連采連充工作面設(shè)計(jì)

1)工作面布置及回采。各工作面布置兩條回采巷道，開采支巷傾角為10°～17°，長度為55～70 m，工作面上巷為材料巷，用于矸石運(yùn)輸、充填管路布置及輔助運(yùn)輸，工作面下巷為運(yùn)輸巷，用于煤炭運(yùn)輸，布置兩條開采支巷，兩條充填支巷。工作面矸石及充填漿體運(yùn)輸路線：東翼運(yùn)輸大巷→工作面材料巷，相鄰的充填支巷與開采支巷間隔3個支巷距離(間隔15 m)，互不影響。工作面布置如圖4所示。

圖4 工作面巷道布置(m)

2)工作面支巷寬度的確定。五采區(qū)淺部區(qū)域連采連充開采空間頂板可看作是被兩側(cè)煤柱支撐的“梁”結(jié)構(gòu)，由于其開采范圍小，煤柱對頂板的夾持作用，因此巖梁穩(wěn)定性計(jì)算可按“簡支梁”考慮，力學(xué)模型如圖5所示。

圖5 頂板簡支梁結(jié)構(gòu)模型

梁內(nèi)最大正應(yīng)力σmax和最大剪應(yīng)力(τxy)max為：

σmax=3qL2/4h2

(1)

(τxy)max=3qL/4h

(2)

式中，h為頂板直接頂巖層高度，取2.8 m；L為梁的寬度，m。

考慮巖梁內(nèi)最大拉應(yīng)力影響的巖梁極限跨度為：

考慮巖梁內(nèi)最大剪應(yīng)力影響的巖梁極限跨度：

式中，F(xiàn)0為安全系數(shù)，取1.5；Rt為抗拉強(qiáng)度，取1.5 MPa；Rj為抗剪強(qiáng)度，取1.2 MPa。

采用連采連充設(shè)計(jì)時，直接頂是否跨落是工作面支巷安全高效開采的關(guān)鍵。計(jì)算得出直接頂垮落步距，綜合考慮到采煤現(xiàn)場的施工因素，確定支巷寬度5.0 m。

3)支巷高度的確定。支巷為開采工作面，支巷高度等于煤層厚度，根據(jù)五采區(qū)淺部區(qū)域煤層平均厚度為2.8 m，支巷高度暫取為2.8 m。

4)支巷長度的確定。如果支巷太短，工作面搬家次數(shù)多，而工作面支巷長度過長，密實(shí)膠結(jié)充填效果難以保證。綜合平衡工作面開采及充填要求，充填支巷暫取55～70 m。

3.2.2 連采連充工藝

矸石漿體膠結(jié)密實(shí)連采連充工藝系統(tǒng)通常包括充填漿料制備、輸送系統(tǒng)和矸石供給、輸送系統(tǒng)以及工作面膠結(jié)密實(shí)充填系統(tǒng)。

1)充填材料選擇。義橋煤礦五采區(qū)淺部區(qū)域密實(shí)膠結(jié)連采連充材料主要由膠凝材料和骨料兩部分組成。膠凝材料由水泥、粉煤灰和水組成；充填骨料采用煤矸石。經(jīng)過相關(guān)充填材料配比試驗(yàn)，確定水泥、粉煤灰、水、矸石的質(zhì)量配合比例為：1∶1∶2.57∶20。

2)充填漿料制備。矸石漿體膠結(jié)密實(shí)充填地面制漿系統(tǒng)主要包括：原料輸送計(jì)量系統(tǒng)、攪拌泵送系統(tǒng)、輔助設(shè)施等組成。原料輸送計(jì)量系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將水泥、粉煤灰儲存并按比例輸送至高速制漿機(jī)；攪拌泵送系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)將充填物料定量加水?dāng)嚢璩蓾{體?，F(xiàn)場充填體的整體強(qiáng)度可按式(5)計(jì)算：

(5)

式中，σc為試驗(yàn)室充填體單軸抗壓強(qiáng)度，MPa；b為充填體寬度，m；h為充填體高度，m；σp為充填體強(qiáng)度，MPa。

充填體強(qiáng)度至少應(yīng)該滿足：

根據(jù)極限強(qiáng)度理論，要保持充填體的穩(wěn)定性，一般應(yīng)有1.5～2.0倍的安全系數(shù)，取2.0，并將p帶入式(6)即可得到保持充填體長期穩(wěn)定性對試驗(yàn)室充填試塊的強(qiáng)度要求。

按照義橋煤礦五采區(qū)淺部區(qū)域開采技術(shù)條件，煤層埋深H=450～550 m，平均500 m；寬度b=5.0 m，開采高度h=1.18～4.0 m，平均2.8 m，覆巖密度γ=2.5 t/m3；代入式(7)計(jì)算得出：σc=2.98 MPa。因此，現(xiàn)場充填體所需最終強(qiáng)度要大于2.98 MPa?？紤]采充工藝的特殊性，保證充填開采過程中煤壁的整體性，充填體15 d的強(qiáng)度不低于1.5 MPa。

3)充填漿液輸送系統(tǒng)。漿體經(jīng)充填鉆孔內(nèi)的充填管路，可通過自重靜壓自流方式下井。充填管路沿膠帶暗斜井、東翼膠帶大巷、準(zhǔn)備巷道至工作面上順槽，在充填支巷完成充填作業(yè)?？紤]到漿液輸送管路的磨損、承壓能力、服務(wù)年限、管道壁厚等因素綜合選擇充填管路直徑及型號。充填管路壁厚δ按式(8)進(jìn)行計(jì)算：

式中，Pmax為管道所受最大壓強(qiáng)，MPa；D1為管道內(nèi)徑，取50 mm；[σ]為管道材質(zhì)的抗拉許用應(yīng)力，取350 MPa；K為磨損腐蝕量，取0.5 mm。

井下管路最遠(yuǎn)水平距離為1620 m，則沿程阻力為7.48 MPa，漿液輸送過程中遇到彎頭所產(chǎn)生阻力為管道局部阻力，單個彎頭阻力約為0.05 MPa，充填管路共有彎頭10個，局部阻力為0.5 MPa，充填總阻力為7.98 MPa。漿液輸送最小高差為450 m，漿液密度為1.56 t/m3，重力產(chǎn)生的壓力為6.9 MPa，充填管路出口壓力不小于2 MPa，故所選充填泵的輸送壓力需大于3.08 MPa，考慮一定的富余系數(shù)，充填泵的正常輸送壓力取3.1 MPa，則管道所受最大壓強(qiáng)為10.0 MPa。將以上數(shù)據(jù)代入式中，可計(jì)算得出管路壁厚至少為1.2 mm，管道10年磨損量至少1.0 mm。井下充填管路選用壁厚5 mm、內(nèi)徑50 mm的Q435無縫鋼管，地面及鉆孔管路選用壁厚5 mm、內(nèi)徑100 mm的Q435無縫鋼管。

4)矸石供給、輸送系統(tǒng)。充填矸石由井下TDS矸選系統(tǒng)產(chǎn)生，存放于矸石倉內(nèi)。矸石運(yùn)輸路線：矸石倉→矸石轉(zhuǎn)載聯(lián)絡(luò)巷帶式輸送機(jī)→東翼運(yùn)輸大巷運(yùn)矸帶式輸送機(jī)→充填工作面材料巷帶式輸送機(jī)→充填工作面支巷。

5)工作面膠結(jié)密實(shí)充填系統(tǒng)。連采連充支巷下口布置有擋漿裝置封閉支巷下端頭。矸石拋擲至工作面支巷上口，充填管路內(nèi)的料漿從地面由管路輸送到充填支巷，利用支巷傾角(10°以上)自流與矸石混合后充滿充填支巷，形成密實(shí)充填體對支巷頂板進(jìn)行充填支護(hù)。

3.3 充填開采及充填系統(tǒng)能力

3.3.1 充填開采生產(chǎn)能力

充填開采布置兩個支巷開采工作面和兩個支巷充填工作面，計(jì)算充填工作面生產(chǎn)能力為：

Qk=330×Bc×hc×Lj×γk

(9)

式中，Qk為年平均煤產(chǎn)量，萬t/a；Bc為充填支巷寬度，取5.0 m；hc為充填支巷高度，取2.8 m；Lj為日開采進(jìn)尺，取10 m；γk為煤的視密度，取1.41 t/m3。

經(jīng)計(jì)算，充填工作面生產(chǎn)能力為13萬t/a。

3.3.2 充填系統(tǒng)能力

計(jì)算所需要的充填能力為：

Qn=ZQk/γk

(10)

式中，Qn為年平均充填體積，m3/a；Z為充采比，取Z=1。

根據(jù)式(10)計(jì)算年平均充填體積為：Qn=9.2萬m3/a。日平均充填體積(按照年均工作330 d)：Qr=279 m3/d。按照一個連采連充工作面平均長度為70 m、采高2.8 m，寬度5.0 m，計(jì)算每天實(shí)際形成的空區(qū)體積為：70 m×2.8 m×5.0 m=980 m3。3天完成一條支巷充填可確保采充作業(yè)平衡，有效充填總時間為12 h，實(shí)際需要的充填能力為327 m3/d，需要的小時充填量為82 m3/h，對充填能力留有一定的富裕系數(shù)，取每小時充填能力為90 m3/h，可確保有效充填時間12 h，3天內(nèi)完成一條支巷的充填作業(yè)。

4 應(yīng)用效果分析

義橋煤礦通過建立井下TDS智能干選系統(tǒng)，配合連采連充工藝，每年減少矸石提升量約為15萬t，有效地避免了矸石提升壓占主井提升能力的問題，成功實(shí)現(xiàn)了矸石不升井進(jìn)行井下回填，避免了矸石升井后帶來的環(huán)境污染問題。五采區(qū)淺部區(qū)域連采連充開采后，地面最大下沉值為190 mm，最大傾斜變形0.9 mm/m，最大水平拉伸變形為+0.4 mm/m，最大水平壓縮變形為-0.8 mm/m，地面建筑物均在一級變形破壞范圍內(nèi)，滿足了建筑物下開采安全要求。每年連采連充生產(chǎn)能力達(dá)到13萬t以上，解放了五采區(qū)淺部區(qū)域建筑物下壓煤可采儲量35.4萬t，可采煤利潤12912萬元，實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的經(jīng)濟(jì)和社會效益。

5 結(jié) 論

1)針對義橋煤礦五采區(qū)淺部區(qū)域建筑物下壓煤開采、地面矸石處理困難等問題，采用“井下TDS智能干選+五采區(qū)淺部區(qū)域連采連充工藝”，確定了井下矸石分選系統(tǒng)方案，將矸石運(yùn)至五采區(qū)淺部區(qū)域進(jìn)行充填，實(shí)現(xiàn)矸石不升井。

2)對連采連充系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，充填材料采用水泥、粉煤灰、水、矸石，配比為1∶1∶2.57∶20，充填體強(qiáng)度大于2.98 MPa，充填工作面生產(chǎn)能力為13萬t/a，充填系統(tǒng)能力為90 m3/h。

3)義橋煤礦采用“井下TDS智能干選+連采連充工藝”后，五采區(qū)淺部區(qū)域地面建筑物均在一級變形破壞范圍內(nèi)，成功實(shí)現(xiàn)了建筑物下壓煤安全開采，解放建筑物下壓煤可采儲量35.4萬t，每年減少矸石提升量約為15萬t，避免了矸石升井對地面環(huán)境污染。