七元煤礦矸石充填開采設(shè)計研究

韓進東

（華陽新材料科技集團有限公司，山西 陽泉 045000）

我國煤炭資源大都深埋地下，高強度煤炭開采往往引起地面塌陷，導(dǎo)致村莊植被損毀、環(huán)境污染等問題，因此近些年逐步發(fā)展起來了充填開采技術(shù)。充填開采是將固體、膏體、膏水等各類材料充填進采空區(qū)，從而控制巖層移動，防治采煤塌陷。常見的充填開采技術(shù)有多種，其中矸石等固體充填技術(shù)因其加工簡單、運輸方便、成本低等優(yōu)勢，應(yīng)用廣泛；加之山西省相關(guān)文件的要求，確保矸石全部及時充填井下，因此七元煤礦采用矸石充填開采，將矸石全部回填采空區(qū)，實現(xiàn)礦區(qū)資源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

1 概 況

七元煤礦地處山西省晉中市壽陽縣城東部，直距壽陽縣城10 km 的壽陽縣朝陽鎮(zhèn)孫家莊村—尹靈芝鎮(zhèn)廟思峪村一帶，礦井設(shè)計生產(chǎn)能力為5.00 Mt/a，礦井設(shè)計服務(wù)年限為137.7 a。礦井采用立井開拓方式。礦井工業(yè)場地布置在井田中部七里河村東1.2 km 的寬緩地帶，工業(yè)場地內(nèi)布置1 個主立井、1 個副立井、1 個進風(fēng)立井和1 個中央回風(fēng)立井。全井田共劃分1 個水平，水平標(biāo)高為+400 m；1 個輔助水平，水平標(biāo)高為+470 m。北一盤區(qū)是七元礦首采盤區(qū)，現(xiàn)主采15 號煤層，布置1 個15101 綜采工作面，工作面長度240 m，采高3.99 m，工作面采用走向長壁采煤法，全部冒落法管理頂板。為了響應(yīng)山西省相關(guān)文件精神要求，同時滿足礦井可持續(xù)發(fā)展的需求，工作面采用矸石充填，將矸石全部回填采空區(qū)。本文從七元礦首采盤區(qū)矸石來源數(shù)量、矸石分選系統(tǒng)選擇、矸石充填技術(shù)方案等方面，研究分析七元礦矸石充填開采設(shè)計。

2 矸石來源及數(shù)量

七元礦井為煤與瓦斯突出礦井，礦井生產(chǎn)過程中，矸石來源主要是地面洗煤廠原煤洗選后的煤矸石、井下智能分選系統(tǒng)矸石和井下巖巷的掘進矸石。

（1）掘進矸石量。

礦井投產(chǎn)后，井下共布置1 個采煤工作面（15101 工作面）、3 個煤巷綜掘面和4 個巖巷掘進面，掘進矸石來自于巖巷掘進面。4 個巖巷掘進面中，共布置2 個開拓巷道普掘面、1 個工作面高抽巷綜掘面和1 個工作面低位抽采巷綜掘面。掘進矸石量見表1。

表1 掘進矸石數(shù)量計算Table 1 Quantity calculation of tunneling gangue

根據(jù)計算結(jié)果，井下掘進工作面矸石量為39.43 萬t/a，按0.40 Mt/a 考慮。

（2）洗選矸石量。洗煤廠洗選矸石與井下智能分選洗選矸石量總計約1.50 Mt/a。

（3）充填矸石量。

結(jié)合七元礦礦井煤層厚度、回采工作面長度等因素，七元礦井井下矸石充填工作面充填工藝采用“采-充平行作業(yè)”方式，同時安裝充填工作面自動控制系統(tǒng)，提高作業(yè)效率。礦井設(shè)計年工作日330 d，“四六”制作業(yè)。三班生產(chǎn)、一班準(zhǔn)備?，F(xiàn)有充填工藝可實現(xiàn)采煤與充填平行作業(yè)，增加充填工藝后對原采煤工藝影響較小。七元礦充填工作面的首要目的為處置矸石，其次為解放建筑物下保護煤柱，因此，充填工作面的定產(chǎn)模式為“以矸定產(chǎn)”。

七元礦井矸石量較大，按照全部井下充填的思路設(shè)計，根據(jù)上文分析，井下矸石充填面充填矸石量按1.90 Mt/a 考慮。

3 井下矸石分選

3.1 井下排矸方案選擇

目前，井下煤矸分離的工藝主要有3 種：動篩跳汰機分選、重介淺槽分選和智能干選工藝。

3.1.1 動篩跳汰機分選

根據(jù)不同的驅(qū)動方式，動篩跳汰機可以分為機械搖臂驅(qū)動和液壓驅(qū)動兩種，但目前在煤礦生產(chǎn)中應(yīng)用的主要是機械搖臂跳汰機。機械動篩跳汰機排矸主要是主要根據(jù)矸石和煤塊吸水后密度不同來進行篩選，煤與矸石是“親密接觸式”的，導(dǎo)致小塊煤容易被大塊矸石壓在下面也被篩到矸石區(qū)域，因此，其分選效率只有85%～90%，加上操作方面自動化程度低，人為操作因素大，容易造成矸石跑煤，排出矸中帶煤量較高。

3.1.2 重介淺槽分選工藝

重介淺槽分選工藝是根據(jù)矸石和煤塊在特定的重介質(zhì)懸浮液浮力不同進行篩選的，可以根據(jù)煤礦的具體煤質(zhì)信息進行重介質(zhì)懸浮液的調(diào)整，其分選效率95%～99%，比機械動篩跳汰機高。操作方面可通過自動化控制，是目前國內(nèi)外比較常用的分選排矸設(shè)備。但是該設(shè)備分選系統(tǒng)較復(fù)雜，需要配套塊煤脫水脫介和介質(zhì)回收系統(tǒng)。

3.1.3 智能干選機分選工藝

智能干選機分選工藝采用智能識別方法，針對煤礦具體的煤質(zhì)特征建立與之相適應(yīng)的分析模型，通過大數(shù)據(jù)分析，對煤與矸石進行數(shù)字化識別，最終通過智能排矸系統(tǒng)將矸石排出。智能干選系統(tǒng)包括給料、識別、執(zhí)行等主要系統(tǒng)，以及供風(fēng)、除塵、配電、控制等輔助系統(tǒng)，基本原理如圖1 所示。

圖1 智能分選機原理Fig.1 Principle of intelligent sorting machine

智能干選機與傳統(tǒng)的水洗工藝動篩、淺槽分選工藝相比，有以下特點：

（1）系統(tǒng)簡潔、可實現(xiàn)無人值守。智能分選機不需要借助水和介質(zhì)對煤炭分選，減少了產(chǎn)品脫水、脫介、水處理及介質(zhì)回收系統(tǒng)，系統(tǒng)簡單，流程簡化。

（2）占地面積小。智能分選機因系統(tǒng)簡單，體積小，可以集成布置在一個巷道內(nèi)，節(jié)省井下工程量。

（3）生產(chǎn)成本低。減少人工成本，電耗較淺槽分選低，且沒有水耗和介耗。

3.1.4 方案選擇

智能干選機分選工藝優(yōu)勢明顯，但是市場應(yīng)用實踐較少，時間短，據(jù)實際了解，目前井下智能干選機應(yīng)用的案列主要有臨礦集團的王樓煤礦，肥礦集團的陳蠻莊和梁寶寺煤礦，棗礦集團的濱湖煤礦等。通過調(diào)研，這些煤礦經(jīng)過一段時間的調(diào)試，應(yīng)用效果良好，分選效果可以達到要求，整體來說分選精度相比重介淺槽分選稍差，與動篩效果接近，但是智能化程度較高，目前設(shè)備的故障率也較低。

通過對上述分選方案的比較和分析，七元礦井下排矸設(shè)計選擇智能化程度較高的智能干選機分選方案，但是該設(shè)備實際應(yīng)用時間較短，設(shè)備的長期使用效果需要時間的檢驗，故此次設(shè)計毛煤不進智能分選系統(tǒng)，保持能直接升井的靈活性。

3.2 井下智能干選排矸方案實施

根據(jù)七元礦北一盤區(qū)15101 工作面實際情況，井下智能分選系統(tǒng)單獨布置在運輸大巷的西側(cè)，來煤運至井下分選硐室，先進入滾軸分級篩經(jīng)過70 mm 分級，篩上塊原煤進入智能干選系統(tǒng)進行煤矸分選，分選出的塊煤和分級篩下末煤經(jīng)大巷皮帶經(jīng)主立井提升至地面，塊矸石經(jīng)帶式輸送機運至下料井緩沖倉。井下排矸分選流程如圖2 所示。

圖2 井下排矸分選流程Fig.2 Underground gangue sorting process

4 矸石充填技術(shù)方案

根據(jù)七元礦礦井環(huán)評文件及相關(guān)技術(shù)要求，井下開采采用“邊回采邊回填”的開采模式，實現(xiàn)采煤和回填綜合機械化并行作業(yè)，不占用采煤時間，保證生產(chǎn)工作面生產(chǎn)能力。此次北一盤區(qū)15101 綜采工作面矸石充填技術(shù)方案，主要從地面矸石投放系統(tǒng)、井下運輸配送系統(tǒng)等方面考慮，進行研究設(shè)計。

4.1 地面矸石投放系統(tǒng)

（1）七元礦地面矸石分別由主立井井口附近的篩分破碎車間及選煤廠主廠房分選得到，經(jīng)帶式輸送機運至矸石倉，矸石自矸石倉倉下接出運至投放站。七元礦地面矸石倉及井下矸石倉均位于進風(fēng)立井東側(cè)?？紤]七元礦井地面矸石倉位置及設(shè)備設(shè)施布置情況，投料井布置有2 個方案，如圖3 所示。

圖3 矸石投料井位置井上下對照Fig.3 Ground and undergrond contrart of the gangue feeding well Location

投料孔布置方案一是利用進風(fēng)立井作為矸石下料通道；布置方案二是在進風(fēng)立井西側(cè)新施工小直徑垂直投料井作為矸石下料通道。投料井布置方案具體對比見表2。

表2 投料井布置方案對比Table 2 Comparison of feeding well layout schemes

由表2 可知，利用進風(fēng)立井雖然節(jié)省了井巷工程量，但降低了投料管路的耐磨程度和使用壽命，并且后期維護工作量大及定期更換，投料孔是充填材料投放的咽喉，投料管路維護及更換期間將中斷充填開采系統(tǒng)的正常運行，甚至對礦井生產(chǎn)造成較大的影響，因此采用方案二，形成獨立可靠的材料投放系統(tǒng)，布置如圖4 所示。

圖4 矸石充填系統(tǒng)地面布置Fig.4 Ground layout of gangue filling system

（2）地面矸石倉倉下設(shè)帶式輸送機，轉(zhuǎn)載后進入投料井。矸石地面運輸系統(tǒng)是從選煤廠矸石倉下開始直至投料站為止，包括投料站、帶式輸送機走廊及其采暖、除塵、配電控制系統(tǒng)等。根據(jù)確定的工藝技術(shù)方案，對矸石地面運輸系統(tǒng)各環(huán)節(jié)進行設(shè)備選型，詳見表3。

表3 地面矸石投放系統(tǒng)新增設(shè)備Table 3 Newequipment for ground gangue discharge system

（3）垂直投放系統(tǒng)。

垂直投料系統(tǒng)是充填材料從地面輸送到井下的關(guān)鍵通道，其投料系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)直接關(guān)系到材料投放效果。垂直投料系統(tǒng)組成如圖5 所示。

圖5 垂直投料系統(tǒng)示意Fig.5 Vertical feeding system

垂直投料系統(tǒng)由投料孔、投料管和緩沖倉組成，投料孔一般由一層護孔鋼管和雙層耐磨管構(gòu)成，其下是緩沖倉。充填工作開始時，充填料從緩沖倉下口放出，經(jīng)給料機送至皮帶上，由皮帶輸送機運至充填工作面。

投料管內(nèi)徑設(shè)計計算。根據(jù)礦方資料，七元礦矸石投放能力為1.90 Mt/a，每天凈充填時間14 h，330 d 生產(chǎn)，富裕系數(shù)取1.2，則要求投料孔矸石輸送速度不小于390 t/h，投料管內(nèi)徑要大于120 mm。當(dāng)只考慮矸石輸送速度時，120 mm 管道內(nèi)徑足夠承擔(dān)滿荷運行時的輸送要求，但由于矸石顆粒不規(guī)則，50 mm 破碎機實際破碎出的矸石最大尺寸有部分超過150 mm，所以根據(jù)實際投放工程經(jīng)驗，投料管內(nèi)徑不宜小于最大粒徑的3 倍，因此投料管內(nèi)徑設(shè)計為450 mm。

投料井底緩沖倉設(shè)計。矸石經(jīng)孔底緩沖裝置速度降低后勢必會在孔底堆積，因此必須設(shè)置一定容量的緩沖倉吸納低速矸石。根據(jù)七元礦實際情況，投料井底緩沖倉設(shè)計尺寸如圖6 所示。

圖6 緩沖倉設(shè)計尺寸Fig.6 Design dimensions of buffer warehouse

垂直投料系統(tǒng)其余設(shè)計參數(shù)詳見表4。

表4 投料管設(shè)計相關(guān)參數(shù)Table 4 Design parameters of feeding tube

4.2 井下運輸配送系統(tǒng)

4.2.1 矸石運輸方式選擇

矸石在井下的運輸方式一般有2 種形式，即礦車運輸和皮帶運輸。礦車運輸適用于矸石量小、運距短，皮帶運輸適應(yīng)于矸石量大、運距長。七元礦矸石處置量為150 萬t/a，處置規(guī)模較大，若通過礦車運輸，不僅運輸效率低、供應(yīng)能力不足，還會長期占用輔助運輸系統(tǒng)，因此礦車運矸不適用于七元公司，需布置井下矸石運輸帶式輸送機。

4.2.2 矸石運輸通道

根據(jù)七元礦15101 工作面布置情況，矸石由投料井井底至充填工作面運輸通道有3 個選擇，分別是輔助運輸大巷、膠帶運輸大巷以及重新布置專用運矸巷道。七元礦北翼輔助運輸大巷寬度為6 m，若將運矸皮帶布置于該巷，對無軌膠輪車運行、錯車等會有一定影響；若新布置一條專用運矸巷道，則可形成獨立運矸系統(tǒng)，不影響原有生產(chǎn)系統(tǒng)，但增加了約800 m 的巷道工程量；若將運矸皮帶布置于膠帶運輸大巷，則需采用雙層皮帶的形式，既不需要新增巷道工程量，也不會對原生產(chǎn)系統(tǒng)產(chǎn)生影響。綜合考慮，決定在北翼膠帶大巷布置一段雙層皮帶，作為矸石運輸通道。

將垂直投料井井底通過運矸聯(lián)巷與北翼膠帶運輸大巷、南翼一盤區(qū)瓦斯抽采運輸巷、南翼膠帶運輸大巷溝通，同時服務(wù)于南被兩翼規(guī)劃充填區(qū)域，在北翼膠帶運輸大巷帶式輸送機基礎(chǔ)上布置雙層皮帶，上層運矸、下層運煤，如圖7 所示。

圖7 雙層皮帶布置Fig.7 Double-layer belt arrangement

5 結(jié)語

本文根據(jù)七元礦首采盤區(qū)北一盤區(qū)15101 綜采工作面實際情況，結(jié)合山西省相關(guān)政策精神，研究設(shè)計布置了矸石充填開采方案。分析了七元礦矸石來源和數(shù)量，據(jù)此設(shè)計后續(xù)具體充填方案；在井下矸石分選環(huán)節(jié)，對比分析了動篩跳汰機分選、重介淺槽分選和智能干選工藝，確定采用智能干選工藝并進行具體布置，但因該工藝實踐較少，毛煤不進智能分選系統(tǒng)；矸石充填技術(shù)方案主要從地面矸石投放系統(tǒng)、井下運輸配送系統(tǒng)等方面考慮，在進風(fēng)立井西側(cè)新施工小直徑垂直投料井作為矸石下料通道，對垂直投放系統(tǒng)和井下運輸配送系統(tǒng)進行計算設(shè)計。設(shè)計的矸石充填開采工藝可以滿足七元礦的需求，為類似條件下煤礦充填開采設(shè)計提供了借鑒。