神东矿区井下回采矸石处理和地面矸石重复利用技术

高登云，李瑞群

(神东煤炭集团有限责任公司 生产管理部，陕西 神木 719300)

煤矿开采过程中会产生大量矸石，矸石排放到地面不仅占用大片土地，堆放时间过长还会发生自燃，对空气和地面环境造成污染，同时也带来了火灾安全隐患。特别是在生态环境相对脆弱的西部矿区，由矸石排放带来的环境危害更加严重，系统地解决由煤矸石处置带来的环境问题，采取有效措施对矸石进行处理并加以利用，对于西部矿区生态环境保护意义重大。神东矿区一直高度重视煤矿开采区的环保工作，以技术创新推动绿色开采，针对煤矸石的处置问题，神东通过优化巷道设计和设备配套从源头上减少矸石的产生，施工专用排矸巷用于排放井下可分装分运的矸石，并在井下施工中再次利用这部分矸石，实现了矸石零升井；对于地面洗选出的矸石，重新输送到井下用于充填开采，也可用作地面制砖材料。通过以上举措的实施，解决了井下矸石处理和矸石排放带来的环境污染问题，有效保护了西部矿区的生态环境[1-3]。

1 矸石分类

神东矿区煤层赋存稳定，倾角平缓，埋藏浅，矿井多为平硐或斜井开拓，采用盘区式布置方式，部分矿井直接采用大巷条带式无盘区布置，井下巷道绝大部分采用煤巷布置。根据神东矿区井下矸石产生的来源不同，可将其分为井下可分装的矸石和地面洗选产生的矸石。其中，井下可分装的矸石主要是来自开拓巷道、过断层冲刷等地质构造期间掘进岩石巷道产生的矸石，这些矸石容易分离出来，对这些矸石主要采用井下无轨胶轮车进行分装运输。洗选产生的矸石是指原煤从井下运出后经过洗选后产生的矸石，这种矸石在未经洗选之前很难从煤流中分离出来，目前神东矿区还无法在井下实现这些矸石的分装分运，因此暂时也不能在井下直接进行利用，需要经地面洗选后再输送到井下进行利用。

2 优化设计减少矸石产生

为了减少矸石的产生，神东矿区在巷道设计时遵循“能布置煤巷绝不布置岩巷”的原则，尽量将巷道布置在煤层中；当遇到冲刷或断层等特殊地质构造时，采取“异形”工作面设计或跳采设计躲避开地质构造影响区域[4-6]，从而大大减少矸石的产生量。

2.1 过冲刷区域的工作面巷道优化设计

对于受到冲刷区域影响的煤体，为了减少矸石的产生，在工作面设计时通过优化巷道躲避开冲刷区域。以活鸡兔井12上315-3综采面设计为例，采取“异形”综采工作面缩面设计，12上315-3“异形”综采工作面设计如图1所示，通过优化设计12上315-3面可减少掘进岩石巷道约300m，巷道掘进减少矸石产生量约6000m3，综采工作面减少割岩矸石产生量52000m3。

图1 12上315-3“异形”综采工作面缩面设计

2.2 过断层区域工作面巷道优化设计

对于受到断层影响的区域，为了躲避过断层而产生大量矸石，采用“异形”综采工作面设计，以哈拉沟煤矿22408综采工作面过断层为例，该面同样采用“异形”工作面设计如图2 所示，在掘进和综采期间合计减少产生矸石量25000m3。

2.3 过构造期间搬家跳采设计

对于受冲刷、断层等地质构造影响十分严重的区域，无法采用“异形”工作面设计躲避开地质构造的情况，则采取跳采搬家的设计方法减少矸石产生。以柳塔煤矿22201综采工作面为例，该工作面中部有断层群发育，该面采用搬家跳采的设计，躲开断层影响区域，大大减少了矸石的产生，如图3所示。

图2 22408综采工作面过断层“异形”布置

图3 22201综采工作面过断层群搬家跳采

2.4 综采面运输巷机头段与大巷平交设计

综采工作面运输巷机头段与大巷以往通常采用立交设计，即综采工作面机头段巷道在大巷的上部层位掘进，这样势必要掘进岩巷，不可避免地产生大量矸石；通过优化后采用平交设计，降低了巷道割岩厚度，大大减少了掘进矸石的产生。以活鸡兔井22310运输巷机头段巷道掘进为例，如果运输巷机头段采用立交布置方式，割岩量达到2300m3；而运输巷机头段采用平交布置方式，割岩量仅为670m3，可减少岩石掘进量1630m3，如图4所示。

图4 运输巷与机头段巷道掘进施工

3 井下可分装矸石的处理和利用

对于井下可分装的矸石，采取施工专用排矸巷在井下排放并在井下施工中直接利用的方法进行处置。

3.1 在井下边角区域施工巷道排放矸石

工作面巷道与井田边界或地质构造的边角区域形状通常不规则，无法采用综采进行回收，可以选择在这些区域施工排矸巷排放矸石。在工作面切眼与井田边界区域施工排矸巷如图5所示，在断层附近施工排矸巷如图6所示。井下排矸巷施工按照“就近原则”和“够用原则”。“就近原则”是指在集中产生矸石的区域施工排矸巷；“够用原则”是指排矸巷的施工满足井下排矸使用即可，避免施工过多的无效巷道。

图5 井田边界区域的排矸巷布置

图6 断层附近区域的排矸巷布置

3.2 矸石在井下施工中的利用

矸石在煤矿井下主要用于风桥坡面充填和对强度要求不高的运输巷机头基础充填，也可以用作垫路施工。

1)井下风桥施工。施工风桥时，需要在风桥桥面的两侧垫起坡面，坡面的施工材料选用井下矸石进行充填，如图7所示。每施工一座风桥可消耗矸石90m3，不仅对井下矸石进行了处理，而且减少了施工材料的消耗，每施工一座风桥可节约费用约3万元。

图7 利用井下矸石施工风桥示意图(mm)

2)井下垫路。井下路面的施工同样可以利用矸石，例如掘进工作面有时遇到底板松软的条件时，工作面极易形成大坑，可以利用矸石配合石子进行路面基础回填。另外巷道在施工混凝土底板前，也需要整体调坡，对于较大的低洼点同样可以利用矸石垫路。

4 地面洗选矸石的利用

对于地面洗选产生的矸石，经加工后再输送到井下用于充填开采[7-15]，井下充填开采包括巷柱式充填开采和综采面充填开采两种工艺，目前神东矿区主要采用巷柱式充填开采，综采面充填开采正在试验阶段。此外，地面洗选矸石还可以用作砖厂制砖材料。

4.1 矸石在巷柱式充填开采中的应用

4.1.1 充填开采设计

寸草塔矿22112工作面回撤辅巷与22煤辅运大巷之间的区域，平均煤厚2.8m，煤层倾角1°～5°，受冲刷影响无法布置综采工作面，在该区域布置巷柱充填开采工作面，巷柱式充填开采巷道平面布置如图8所示，平巷宽度5.4m，高度2.8m，每条巷柱长度30m。

图8 巷柱式充填开采巷道平面布置(mm)

4.1.2 充填料的组成和配比

充填料为似膏体充填材料，其基本成分为：水泥、粉煤灰、矸石和水，水占总质量的20%，干料占80%，其中矸石占干料总质量的 80%，粉煤灰和水泥共占干料总量的 20%。矸石粒径要求中粒(5～10mm)细粒(<5mm)比例为4∶6，粉煤灰与水泥的质量比为2∶1，胶结充填料浆的平均密度约为 1.9t/m3。经现场实测：充填膏体材料初凝3h，终凝时间7h，7d强度约4MPa，即可邻近开采。

4.1.3 材料制备

采用多管路同时充填的方法，缩短单管充填距离，保证充填效果，充填材料制备工艺如图9所示。

图9 充填材料制备工艺流程

4.1.4 充填管路

井下注浆泵出口压力要求达到15～16MPa，主管路使用∅219无缝钢管，支管选用∅108胶管。充填要保证连续性，一次接顶；在充填时采用多管路同时充填的方法，缩短单管充填距离，保证充填效果。

4.1.5 充填作业

充填作业采用边采边充、采1留2的开采工艺。每班回采1条巷柱30m，早班一次充填完毕。第1条巷柱回采后，应在同侧隔2条巷柱的位置再回采，中间煤柱宽度不少于10m，有效防止顶板支承压力的传递，以此类推，待第16条巷柱回采完毕后，第1条充填后的巷柱凝固8d时间，强度已满足支护要求，开始回采其相邻巷柱。

4.2 综采面充填开采

除了采用巷柱式充填外，神东煤炭集团也在积极探索在综采工作面实施充填开采，这种充填工艺是利用专门的矸石充填液压支架，将地面洗选矸石通过钻孔输送到井下，再通过带式输送机运至工作面实施充填作业。

4.3 利用矸石制砖

矸石除了在井下作为工程材料使用外，还可以升井作为红砖的制作材料进行利用。例如神东煤炭集团大柳塔煤矿每年为大柳塔镇前柳塔村砖厂提供用于烧砖的矸石45万t，每年可为砖厂节约材料费用180万元，带动了地方经济的发展，实现了矸石变废为宝。

5 结 语

神东矿区采用综合矸石处理和利用技术，采取设计源头优化、综采设备合理配套、井下矸石的排放和利用、充填开采利用等多种手段，实现了井下矸石“零升井”和矸石的重复再利用，解决了矿井矸石排放造成的环境问题，有效地保护了西部矿区自然环境。