堤坝下矸石不升井充填采煤技术实践

李 剑，王东升，王志平，康 涛，耿佃凯

（1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏 徐州 221116；2.深部煤炭资源开采教育部重点实验室，江苏 徐州 221008）

随着开采能力逐年加大，兖矿集团济三煤矿“三下”压煤问题凸显。矿井剩余可采储量3.61亿t，“三下”压煤高达1.93亿t，占可采储量的53.39%，其中，南阳湖泊及其堤坝下压煤占17.12%。同时，济三矿排矸主要以带式输送机运输为主，随着矿井的开拓延深，排矸线路不断加长，运输环节持续增加，排矸费用随之加大。十八采区开拓掘进时，排矸路线长达5000m。矿井西区开拓掘进时，矸石量大、排矸环节多和排矸费用高的问题比十八采区更为严重。

为了解决上述问题，本文提出采用矸石不升井充填采煤技术［1－5］的解决方案，并以63下04-1充填采煤工作面进行工业性试验，成功开采出大型堤坝下的煤炭资源，解决了矿井下的矸石排放问题，为国内外存在类似问题的矿井提供了技术借鉴。

1 矸石不升井充填采煤技术原理

济三矿矸石不升井充填采煤技术与该矿采用的综合机械化采煤［6－10］技术形成匹配：用机械方法将矿井西区的掘进矸石在不升井的情况下直接运送至六采区采空区，通过工作面充填设备实现充填和采煤同步作业，在满足控制采空区覆岩下沉目标的同时，采出会导致地表沉陷的传统综采技术所不能开采的南阳湖堤坝下的煤炭资源。

本技术可实现提高煤炭资源回收率，充分利用井下掘进矸石，保障济三矿地表南阳湖堤坝安全使用，保护地表水体不受污染等多重目标，可以有效解决该矿煤炭资源开采与生态环境保护一体化的问题，实现煤炭资源绿色开采及科学采矿的理念［11－15］。

2 矸石不升井充填采煤系统

63下04-1工作面对应地表位于济三矿工业广场西北部，辛店村以东，处于南阳湖及其湖堤的地表保护边界内。地面标高＋33.0～＋33.3m，工作面标高-639.0～-663.0m。井下位于六采区西南部，东临63下03工作面（已回采），西临63下04胶顺，北临63下04工作面采空区。63下04-1工作面系统布置如图1所示。

图1 63下04-1工作面布置图

矸石不升井充填采煤技术包括运煤系统、通风系统、运料系统、矸石处理系统等。前三者与传统综采工作面系统布置基本一致，矸石处理系统是矸石不升井充填采煤技术特有的系统，其主要功能是解决充填材料从来源地到充填工作面的预处理，使矸石达到充填工序的要求。

63下04-1充填采煤工作面所用充填材料为井下掘进矸石，来源地主要为西部辅助运输巷掘进工作面和七采区边界辅运巷掘进工作面。矸石经过带式输送机进入西区矸石仓。掘进矸石井下处理流程如图2所示［7－8］。

图2 充填采煤矸石井下处理工艺流程图

矸石处理系统的2个主要工序为筛分和破碎。由西区矸石仓下口放出的矸石，先经过筛分机进行筛分，其中粒径小于等于100mm的矸石直接落至位于筛分机下部的带式输送机上，粒径大于100mm的则先经过2PLF90/150分级式齿辊破碎机破碎，使其粒径达到小于等于100mm的标准后再落入带式输送机上。处理后的矸石由带式输送机经西部回风巷、六采区运矸巷及63下04-1运矸巷运输至63下04-1充填采煤工作面。

3 综合机械化充填采煤关键设备

如图3所示，处理后的充填材料由带式输送机进入充填采煤工作面，经自移式充填物料转载输送机转载进入多孔底卸式输送机，经多孔底卸式输送机中部卸料孔落入采空区，并由全采高夯实机进行夯实加固。

图3 充填采煤工作面矸石运输原理图

3.1 正四连杆六柱式固体充填采煤液压支架

充填采煤液压支架主要由顶梁、立柱、底座、四连杆机构、后顶梁、全采高夯实机等构成。后顶梁由两根斜立柱支撑，以增加支架后顶梁的支护强度和稳定性。支架后顶梁用以支护采空区一侧顶板并悬挂多孔底卸式输送机。支架底座后部安装全采高夯实机，对矸石充填材料进行压实。充填采煤液压支架原理图如图4所示。

图4 六柱式充填采煤液压支架原理图

固体充填采煤液压支架与传统综采液压支架相比，特点在于：充填采煤液压支架拆除传统综采液压支架的掩护斜梁，代以水平短后顶梁；支架保护同步作业的采煤和充填工序；在不需要充填时，后顶梁可以垂下并更换立柱形成综采支撑掩护式支架。根据济三矿采矿地质条件和充填采煤工艺要求，设计选用ZZC10000/20/40型六柱支撑式充填液压支架。

3.2 多孔底卸式输送机及“反向式”全采高夯实机

根据充填矸石的运量要求和充填采煤支架的配套要求，工作面选用SGBC764/250型多孔底卸式输送机进行充填物料的运输。多孔底卸式输送机与普通刮板输送机在结构上的主要区别为：每一节溜槽中部增加液压控制的卸料孔，以开合漏出充填材料；溜槽厚度比相同运输能力的刮板输送机减少40%，以利于支架悬挂和充填空间保障。

由于济三矿采高变化较大，夯实机构运行轨迹较长，因此确定“反向式”全采高夯实系统采用两级伸缩结构，以增加压实机构的伸缩比，减小夯实机构整体尺寸。“反向式”全采高夯实机构由两个水平压实油缸，一个调高油缸，一块压实板，两个立柱组成，夯实系统两个水平压实油缸可以通过调高油缸以铰接点为支点进行旋转，并可以通过双伸缩压实千斤顶改变油缸的长度，通过夯实板夯实采空区的矸石，实现全断面夯实功能。

3.3 自移式充填物料转载输送机

自移式充填物料转载输送机主要实现充填物料从低位的运矸带式输送机向高位的多孔底卸式输送机转载，由两部分组成：一部分是具有升降、伸缩功能的转载输送机，另一部分是能够实现液压缸迈步自移功能的底架总成。转载输送机铰接在底架总成上。可调自移机尾装置也有两部分组成，一部分是可调架体，另一部分也是能够实现液压缸迈步自移功能的底架总成。根据工作面的充填能力和煤矿的生产地质条件，工作面选用GSZZ-800/15型充填采煤转载输送机，其结构示意如图5所示。

图5 自移式充填物料转载输送机结构示意

4 工程应用

4.1 基本概况

济三矿以充填采煤开采六采区南阳湖河堤保护煤柱。首采工作面63下04-1工作面长80m，推进长度518m，可采储量为18.2万t。工作面回采煤层为山西组煤3下，平均厚度3.5m，倾角0°～8°，3＃煤层综合柱状如图6所示。

4.2 密实充填保障措施

密实充填是固体充填采煤技术成功控制岩层移动及地表沉陷的关键因素，济三矿井下掘进矸石密实充填采空区的保障措施包括设计合理的充填采煤工艺及采用充实率监控体系［13］进行实时监控等主要技术手段。合理的充填采煤工艺在双通道的充填采煤液压支架的掩护下实现，保证每一个步距内的充填效果；充实率监控体系为确保充实率满足设计要求而构建，需要对顶板的提前下沉量、欠接顶量、充填物料的压缩变形量进行全程监控，该体系由工作面监测系统、充采比监测系统、采空区监测系统及地面控制中心四部分组成。通过该系统可以实现对充实率的实施动态监测，利用工作面、运输系统及采空区的监测系统实时采集数据，再由地面控制中心分析采集的数据并对相应设备、人员发出指令以实现对充实率的严格控制。

图6 3＃煤层综合柱状图

4.3 实施效果

济三矿63下04-1首采充填采煤工作面，自2011年2月开始回采以来，首采工作面已开采完毕，共计产出煤炭15万t；累计处理井下矸石约为22.5万t，通过矿压及岩层移动观测，采空区顶板最大下沉340mm，采空区充实率达到90.3%，优于设计标准；采空区对应地表沉陷实测表明，63下04-1工作面开采完毕后，南阳湖堤最大下沉值为32mm，最大水平变形值为0.14mm/m，均远小于湖堤的允许变形值，河堤上的道路及附近建筑物没有观察到裂缝变化的迹象，充填采煤地表沉陷控制效果良好［14－15］。

济三矿63下04工作面可采储量为50万t，吨煤利润按250元计算，可创效益约为1.25亿元；同时，该技术的实施减少了矸石提升运输费用、矸石的排放费用、村庄搬迁费用及河堤的维护费用等，为煤矿开采节省了大量的辅助费用，经济效益良好。若该技术推广至济三矿以及整个兖州矿区进行“三下”压煤的回采，其经济效益巨大。

5 结论

济三矿堤坝下矸石不升井充填采煤技术主要用于解决掘进矸石不升井规模化处理及控制地表地表变形并保障南阳湖堤坝正常使用的目的，结合济三矿井下实际工程地质条件，设计掘进矸石井下处理系统，通过研发正四连杆六柱支撑式固体充填采煤液压支架、多孔底卸式输送机、“反向式”全采高夯实机以及自移式充填物料转载输送机等关键采充设备，将处理的矸石密实充填至采空区，实现采煤与充填并行作业。

在合理充填工艺及充实率监控体系的保障措施下，该矿设计首采充填工作面目前已采出煤炭15万t，处理井下矸石约为22.5万t，采空区充实率达到90.3%，地面堤坝也未出现损坏。矸石不升井充填采煤技术在济三矿取得成功应用，为济三矿创造了显著的社会及经济效益。

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