泵送矸石回填绿色开采工艺及其效果效益分析

石运保，苗纪伟

（山东华恒矿业有限公司，山东 新泰 271202）

1 引言

山东华恒矿业有限公司位于新汶煤田的东部、地处鲁中腹地新泰市境内。矿井始建于1958年，2005年核定生产能力120万t／年。在煤炭开采过程中，大量矸石长期堆存，占用土地，不仅容易自燃，而且造成大气环境和水质污染。

传统的开采方法掘进矸石需运至地面堆积形成矸石山，矸石山在安全方面留下重大隐患。一是矸石山自燃释放大量有害气体污染了环境；矸石山塌落造成安全事故；二是矸石山堆积占用大量土地；三是矸石山大多采用绞车提升，耗费电能。

目前的开采工艺均为破坏性开采，给井上、井下带来很大的安全隐患，因此探索如何实现“以矸换煤、绿色开采”的途径十分必要。

2 泵送矸石充填开采的发展背景

华恒公司主要开采11层、13层、15层煤，煤层覆存条件差，煤层薄，地质构造特别复杂，全岩巷道多，产矸量大，万吨掘进率高，加之－1 000水平正在开拓延深，矸石产生量大。

自2007年以来，根据集团公司矸石“不升井、不上山、不转移”的总体思路，不断探索实践各类充填工艺，先后采用了高档工作面配抛矸机充矸、对报废巷道用绳式耙装机倒扒进行充填、综采工作面下端头加高档手工充填等充填方式，均因其充填能力小、系统复杂、占用设备多等缺点，难以实现原生矸石不升井的目标。从2007年12月份开始调研、实验应用泵送矸石充填工艺，在13层煤工作面采用泵送矸石充填工艺开采应用成功。2008年底实现了井下原生矸石不升井、不上山的目标。

2010年华恒公司继续优化泵送矸石充填系统，对充填系统各环节能力进行了分析对比，将原回填泵更换成大流量双联泵，充填能力由原来的60m3／h提升为100m3／h，进一步提升了泵送充填能力。

3 泵送矸石充填工艺

3.1 充填原理

泵送矸石充填就是将原生矸石在井下集中就地破碎，加入添加剂进行搅拌，然后以矸石输送泵为动力通过管道输送充填至采空区，在倾斜工作面沿采空区自流接顶。

3.2 工艺流程

工艺流程为掘进矸石→2.2t双底卸式矿车→梭矿溜子（加除铁器除铁）→破碎机→矸石仓→下山排矸皮带→搅拌机 → 矸石输送泵→输送管道→采空区。

4 应用实例分析

4.1 工作面布置及开采方法

41303东煤柱工作面原本是在用采区下山西翼保护煤柱，运用泵送矸石充填技术开采。该工作面切眼与采区下山相距10m平行布置，下巷长度10m与采区运煤下山相联，上巷由切眼上头与石门相联。采用背向采区下山上巷后退式、下巷前进式沿空留巷泵送矸石充填开采（图1）。

图1 工作面布置

4.2 工作面地质条件

该工作面走向长80m，倾斜宽110m，煤层倾角150，可采储量2万t；煤层平均厚度1.46m，含夹矸1～2层炭质砂岩夹矸厚度0.2～0.5m，平均0.32m。煤层内局部还含透镜状黄铁矿结核。

4.3 充填工作面的支护设计

根据41302西面充填开采经验选取：工作面支护采用DZ（1.6～2.2）30／100单体支柱配合 HDJB－1000铰接顶梁支护。HDJB－1000铰接顶梁架设在正规支柱上，倾向每3.0m一列，距上下端头不大于3.0m，工作面排距为1.0m、柱距为0.75m，支护密度为1.33棵／m2。通过计算，其支护密度0.91棵／m2即可满足顶板控制要求，本工作面实际支护密度为1.33棵／m2，大于以上支护密度，所以，本工作面支护密度满足顶板控制要求。

为提高工作面采空区矸石充填效率，工作面采用“见六充三”的充填方式，因此本工作面最大控顶距选取为6.4m，最小控顶距选取为3.4m。工作面采用支护参数见表1。

表1 工作面采用支护参数

4.4 充填工序

工作面充填施工顺序为充填管路巡查→挂挡矸竹笆塑料彩带→回柱→垒砌矸石墙→充填→掐缩充矸管子→安装充填管子。

（1）工作面采用“见六充三”充填方式，即工作面自切眼推进六排支柱后开始充填，充填管路敷设在面溜子以东第二与第三排支柱的空档内。自下巷上帮垒砌倾斜长度不少于5.0m的矸石垛。回柱前现将下一段充填范围的边排里侧挡好竹芭和塑料彩带，然后方可严格按照“自下而上、由里向外”的顺序逐列逐棵进行回撤充填区支柱。

（2）按照“见六充三，自下向上”顺序，分段回柱充填，分段长度为6m。充填点采用慢弯900钢管子短节过渡伸入充填区内，其长度不准超过0.8m，高度不得小于1.0m。采用手拉葫芦抬高充填处管路，起吊时链子同管路必须固定牢固。为防止充填时矸石浆向上流淌，在每段充填迎头垒砌挡矸墙，挡矸墙厚度不得低于0.6m。垒砌分段挡矸墙前，在各充填空档内各布置一架一梁二柱，梁长为3.2mπ型钢前探支护，前探长度不得低于所垒砌挡矸墙宽度。人员在π型钢的有效保护下作业。在垒砌挡矸墙距顶板0.2～0.3m时，将π型钢逐架撤除存放置下一个挡矸墙位置备用。

（3）靠边排用竹芭、塑料彩带封闭时，竹芭倾斜压茬不得低于0.5m，在支设边排密集柱时上端（包括塑料彩带）一同升在顶板上。塑料彩带底部预留长度不少于0.3m，铺在底板上用塑料编织袋装入碎矸石或底板泥掩埋。密集柱支设在正规支柱中间位置，支护结构同工作面保持一致，初撑力不低于50k N。

（4）每一段充填完后，用电话联系充填泵站停止供料，然后方可掐缩管路及回柱工作。处理管内存留矸石余矸采用高压注液枪进行清理。

（5）为防止工作面充填期间下巷积水，在下巷低洼处建沉淀池。每班安人负责看管清理沉淀池，以保持正常疏水。采空区充填期间，如充填材料水分过多，充填负责人及时通知充填泵房停止充填，立即调整充填材料的配比。对充填区边排安专人巡查，对封堵不严的地点必须重新加固，防止泥浆外溢，失效支柱及时更换。

（6）当充填点至距“上巷下帮煤壁”50节时，工作面开始组织正常生产，在组织出煤的同时将未充填范围段充实。

5 充填效果及效益

5.1 工作面“三量”观测

通过“三量”观测综合曲线图中可以看出，工作面采空区充填密实，充填时初凝时间8h。充后顶底板移近量（充前顶底板移近量、充填欠接顶量、充填体压缩量三者之和）不大于80mm，工作面没有明显的初次来压、周期来压显现。

5.2 工作面矸石充填后岩移观测站移动与变形综

合计算

根据－650m水平41302矸石充填工作面地表观测站实际观测资料，采空区未充填前地表下沉值为480mm，地表下沉系数为0.34；实行泵送矸石充填后地表下沉值为－112mm，泵送矸石泥浆充填地表下沉系数为q充＝0.08左右，减沉效果达到77%，由此可见泵送矸石充填开采工艺对地表减沉起到了决定性的作用，对地质环境综合保护作用极其明显。

5.3 充填效益分析

该工作面将采区下山2万t煤柱成功采出，处理井下原生矸石2.6万t；采区下山无明显变形，能够正常使用；前进式开采80m，成功留巷90m，作为下区段工作面上巷，实现了区段无煤柱开采。

该工作面采用泵送充填开采煤柱2万t，占年产量的1.7%，实现直接经济效益1 020万元。

6 结语

泵送矸石充填采空区技术具有以下优点。

（1）实现矸石不升井，减少矸石山占地，有利于保护环境，降低污染，彻底解决了地面矸石山占地及其所造成的环境污染等问题，实现了以矸换煤、绿色环保开采。

（2）实现工作面前进式开采、沿空留巷，少掘进一条巷道，减少巷道掘进工程量，杜绝掘进巷道施工时的各种不安全隐患。

（3）能够减小顶板下沉，减少地表沉陷，可以实现“三下”采煤，提高煤炭回收率，可以大幅度解放煤炭储量。采用泵送矸石充填开采技术，为煤矿开采探索出一套安全、经济、简单易实施的充填技术，可在煤炭行业推广应用；具有巨大的经济效益和社会效益。