关于锦丘煤矿矸石充填开采可行性的探讨

黄晓鹏 陈志峰

(滕州郭庄矿业有限责任公司锦丘煤矿，山东 滕州 277599 )

1 地质概况及研究的必要性

1.1 地质概况

162-1采区位于锦丘煤矿井田西南部地区，地形平坦，地势由东向西逐渐降低，采区内没有湖泊、水库、池塘、古井。该采区设计开采煤层为16煤层，煤层厚度1.07～1.61 m，平均1.23 m。初步设计采区内16煤层基础储量约145.7万t，可采储量约117.8万t。该采区16煤的上方有东周村、后辛安村、中辛安村、吕堂村等4个村庄和学校。16煤顶底板岩性见表1。

表1 可采煤层顶底板情况一览表

1.2 项目研究的必要性

锦丘煤矿162-1采区建筑物压煤量较大，进行建筑物下压煤开采将是矿井的一项常态工作。该采区很大一部分储量都位于地表村庄等建筑物下方，因煤层较薄，村庄搬迁经济技术上不合理，如果留设煤柱对于资源比较贫乏的锦丘煤矿显然是不合理的，也是不可行的，因此进行村庄及建筑物下压煤开采是必须的[1]。

同时，煤炭资源是不可再生的，地表建筑物下压煤开采是在充分利用煤矿原有生产系统的基础上进行的，既大力开发了煤炭资源，又延长了矿井寿命，既有较高的经济效益，又有十分显著的社会效益，因此进行采区建下压煤也是非常必要的[2]。

通过对锦丘煤矿地质开采条件及区域地理环境条件的分析，对井下162-1采区煤层开采造成的地表移动变形影响进行预测，对开采引起建筑物产生的移动变形进行分析，在全面分析采区建筑物下压煤开采方案的基础上提出切实可行的建筑物下煤层开采方案，以达到更加经济、合理地采出地下资源的目的。

2 锦丘煤矿矸石利用方案的选择

2.1 矸石的利用方式

2.1.1 能源方面的应用

煤矸石的热值较低，作为燃料效果差。在产生大量煤矸石的矿区，可以建设煤矸石电厂，解决该地区的供热、供电问题[3]。这种利用煤矸石供电供热的方法具有能耗低、成本低、产量大、原料充足、可循环利用的特点。因此，我国有许多大型产煤区开展煤矸石热电厂项目。

2.1.2 建筑行业的应用

以煤矸石为原料，可以生产多种建筑原材料，如煤矸石砖、多孔砖、水泥、装饰砖等。在促进经济发展的同时，也减少了能源消耗，同时满足经济效益和环保效益[4]。

2.1.3 化工行业的应用

煤矸石含有硅、铝等多种金属元素，通过一定的化学工艺，可以从煤矸石中提取出金属元素，用以开发沸石、硫酸铝等化工产品[5]。

2.1.4 农业的应用

在农业生产[6]中，所用化肥需含有大量K、P、N元素，也可用于矸山的复垦。同时，煤矸石中的有机物是携带固氮、分解磷、分解钾等微生物的理想基质，可以作为微生物的肥料。

2.2 矸石利用方案的确定

锦丘煤矿地处滕州市郊区，地表村庄、人口密度大，下压煤量大，经过综合考量，确定了利用矸石膏体为采空区充填，既大力开发了资源又延长了矿井的服务年限。

3 矸石膏体充填开采设计方案

3.1 采区巷道布置方案

采区巷道布置应遵循以下原则：（1）充分利用矿井已有的生产系统，开拓和准备巷道工程量少。（2）采区内生产系统简单，生产环节少，占用设备、人员少。（3）采区巷道布置要有利于回采，开采损失少，资源回收率高。162-1采区为双翼采区，其中南翼为正常块段，北翼为“三下”压煤块段。采区准备巷道位于采区中部，与西翼大巷平行布置。采区准备巷道共2条，自北向南分别为采区轨道巷和采区胶带巷，巷道间距（中-中）约28.7 m。目前采区准备巷道已经形成。

3.2 采煤方法

3.2.1 采煤工艺

根据162-1采区北翼煤层赋存及开采技术条件，设计采煤工作面采用高档普采技术，采煤机割煤、自行装煤，刮板输送机前移配合采煤机装煤，伸缩带式输送机运煤，充填法管理顶板。工作面采用（3×6）排控顶，见六次三次，最小控顶距3.95 m（三排），最大控顶距7.55 m(六排)，柱距0.85 m，排距1.2 m。

（1）落煤方法。采用MG2×100/458-BWD型双滚筒采煤机沿顶板双向割煤，前滚筒割顶煤，后滚筒割底煤和扫浮煤，一刀一个循环。进刀方式为斜切进刀（采用割三角煤的进刀方式），进刀长度30 m，滚筒截深0.6 m。

（2）装煤方法。采煤机自行装煤，工作面刮板输送机配合装煤，人工清理浮煤。

（3）运煤方法。在采煤工作面，用刮板运输机运煤，型号为SGZ630/220，胶带顺槽转载机型号为SGB-620/40T、DTL80/40/2×75，配合运煤。

（4）支护形式。工作面支护采用DW型外注式单体液压支柱配木帽（楔）支护顶板，支撑高度范围为792～2800 mm。

（5）顶板管理。采用充填法管理顶板。

充填工作面设备见表2。

表2 充填工作面设备表

3.2.2 充填工艺

按照普采工艺流程完成6个割煤、推溜、支柱正规作业循环，达到最大控顶距时，进入膏体充填工艺阶段。

（1）充填准备。当工作面推进到最大控顶距离时，将充填管道铺设在侧排与次侧排煤柱之间的空隙中，模板安装在中间巷道采空区侧附近。分段回柱填筑，按“见五填二，自下而上”的顺序进行填筑，每段长度为10～15 m，在填筑点用缓弯90°钢管接头伸入填筑区，长度不大于0.8 m，高度不大于1.0 m，在每个垂直于工作面的填筑作业点铺设模板，防止膏体向上流动。用模板靠边排，塑料彩布封闭，相邻模板尽量接茬。模板外侧固定单体柱侧排，规则柱中间设置密柱，防止模板倾倒。立柱间距小于0.3 m，初撑力大于50 kN，禁止使用超高立柱。一个充填周期完成后，取下上一周期的模板和塑料彩布，回收后移至下一周期继续使用。每3个循环更换一次塑料彩布，模板可随时更换。

（2）检查准备。通过井上井下检查、联系，确认系统正常，设备完好，方可进入下一步工作。

（3）管道充水。专人观察充填管末端处出水情况，工作面见水后报告充填站，其作用主要体现在润管，减少泵送时充填料水分流失。

（4）灰浆推水。泵送膏体料浆前，用清管器将清洁球装入充填管道，然后启动充填泵，使清水在清洁球前面，后面是料浆，清水通过泵压通过充填管道和排水管道排入矿区沉淀池，清洁球从管道中排出后，用液压开关阀通过工作面的充填管道将充填料浆充填到待充填的空间中。

（5）膏体推灰浆。少量砂浆不足以排出管内全部清水，主要起到隔离正常填充的膏体的作用。当计量好的砂浆泵送上来时，应将正常配比的浆体放入料斗中，并连续泵送。此时，填充管道前段为清水，中段为砂浆，后段为矸石膏体。

（6）灰浆推膏体。当泵送充填料浆达到设计充填量时，如无特殊情况，地面充填站应准备少量粉煤灰砂浆，并适当降低泵送速度。当灰斗内正常配比的浆液泵送快结束时，将粉煤灰砂浆放入缓冲斗内，用粉煤灰砂浆将灰斗内的膏体和充填泵入口全部推入充填管道，使后续冲洗水不会与膏体混合，造成浆液离析，造成堵管。

（7）水推灰浆。充填后，要对管道进行冲洗，防止管道被堵塞。在泵送料浆斗内的粉煤灰砂浆前，向料浆斗内注入清水，泵入充料浆后的清水冲洗管道。清洗时，水库水泵直接向混合器供水。

（8）工作结束后，报告控制室。

4 效益分析

16煤按照每年26万t配采，吨煤充填成本按照138.53元/t计算，年度增加直接成本3 601.78万元，按矿井核定年产量72万t计算，吨煤成本增加50.03元。而充填开采可以享受资源税减免50%优惠，每年可节省317.82万元，可以减少矸石山固体废弃物占压税83.44万元，可以减少塌陷地补偿83.44万元，则全矿吨煤成本可以减少6.7元。综合计算，采用充填开采，矿井吨煤成本增加43.33元，每年预计减少净利润3 119.38万元，可以实现净利润2 520.62万元（按未充填开采时年纯利润5640万元计算），可保持矿井有较好盈利能力。

5 结论

（1）结合锦丘煤矿下压煤和矸石处理的需要，确定了采用矸石膏体对162-1采空区进行充填；

（2）提出了矸石膏体充填开采的设计方案，预计增加净利润2 520.62万元，并延长了矿井的服务年限；

（3）该项目具有环保、节能、高效、可靠性强等优点，且技术相对成熟，建议尽快实施。