巷道式充填处理矿井矸石工艺技术研究与应用

杨 明

（冀中能源股份有限公司邢东矿，河北 邢台 054000）

1 矿井概况及存在问题

冀中能源股份有限公司邢东矿位于邢台市主城区周边，受环保要求，地面不能建矸石山，且井田内有大小村庄11 个，村庄及工业广场煤柱压煤量占全矿井储量的87%。为实施绿色开采，矸石不升井，保护生态环境，邢东矿建设了井下预排矸系统，将原煤进行煤矸分离，将掘进、整修岩巷产生的矸石都在井下进行工作面充填处理。

为了提高矸石充填工作面产量，降低开采成本，邢东矿对矸石充填工作面进行系统升级改造。升级改造期间无法对矿井矸石进行处理，只能将原煤不经过排矸系统直接提升至地面，造成原煤灰分大幅度提高，严重影响煤质，煤炭销售收入也大幅度减少。因此，在矸石充填工作面系统升级改造完成之前，对巷道式充填处理矿井排矸工艺系统进行研究势在必行[1-2]。

2 工程技术及安全性分析

2.1 技术性分析

巷道式矸石充填适用于不能布置成工作面的边角煤区域，由于受自身工艺限制，矸石充填巷只能布置成下山巷道或平巷。由于邢东矿大部分资源为建下压煤，为有效减少围岩变形及地表下沉，矸石充填巷道布置方式为掘5 m 宽巷道留5 m 宽煤柱，矩形断面，沿顶掘进。掘进工艺以掘进机为主。掘进完成后及时进行矸石充填接顶，采用履带式充填机充填，后路配合运矸皮带运输机。在充填巷内充填矸石时，采用后退式充填工艺。充填机抛矸皮带将矸石抛掷到巷道迎头，通过上下左右摆动抛射，实现矸石充填均匀、密实、接顶，而后设备逐步后退，进行下一个循环。

2.2 安全性分析

顶板管理及围岩变形方面，矸石充填巷顶板支护与正常掘进巷道的顶板支护完全一致，确保锚网支护承载力达到规范要求，有效抑制了顶板的下沉，保证了掘进过程中的顶板安全。掘进完成后及时充填密实接顶，充填体与锚网支护后的顶板一起形成连续梁，与预留煤柱一起承载上覆岩层的自重应力，可进一步有效控制顶板岩层移动变形，确保顶板安全，达到有效控制地表变形的效果。同时，良好的充填效果也可有效减少临近充填巷掘进时的围岩应力显现，临近充填巷道掘进时的围岩变形较小。

瓦斯和防灭火方面，掘进期间加强了局部通风管理，保证供风稳定；按照煤矿安全规程等相关规定安设监控系统，并保证风电、瓦斯电闭锁正常使用。每班对巷道迎头、回风及使用中的机电设备进行瓦斯等有毒有害气体检查，杜绝瓦斯积聚、瓦斯超限事故。掘进完成后，及时用矸石将巷道充填密实接顶，杜绝瓦斯积聚。充填体既可以支撑顶板，又同时封闭填充了巷道空间。充填完成后及时建永久密闭墙封闭，在密闭墙里侧打设木垛，并用袋装矸石将密闭墙与充填体间的空隙填实，密闭完成后及时向墙内打眼注浆封堵，确保严密不漏风，其安全效果比普通非充填巷道更好，可以有效避免瓦斯积聚和煤层自然发火等问题。

3 工程实施

3.1 工艺流程

建立井下巷道式矸石充填系统需要解决以下三个方面的问题[3-6]：（1）矸石充填巷道布置区域的选择；（2）矸石充填运输路线优化；（3）矸石充填系统设备安装。

充填巷尽量选择在不能布置工作面的边角煤、呆滞煤，在处理矸石的同时，还能回收煤炭资源，提高经济效益。同时还要考虑矸石充填路线问题，在不影响目前矿井正常生产的情况下，尽量减少巷道工程量，减少设备布置，充填路线简洁、高效。

选取矿井回风斜井区域布置矸石充填巷，该区域距离井下排矸系统近，多为边角煤，无法布置工作面。矸石运输路线：排矸系统产生矸石→-760 m大巷矸石仓→-760 m 轨道大巷→-760 m 上部车场→-760 m 矸石仓→回风斜井→矸石充填巷。矸石运输路线如图1。

图1 巷道式充填处理矿井排矸工艺技术流程图

3.2 工程投入及设备选择

（1）矸石运输路线上-760 m 上部车场失修严重，需要进行全断面整修，工程量105 m。费用包括：人工费4000 元/m，材料费4475 元/m，工程量为105 m，合计（4000+4475）×105 ≈89 万元。

（2）-760 m 矸石仓上口安装1 部翻罐笼，用以将罐车内矸石装载至-760 m 矸石仓；-760 m 矸石仓下口安装1 台给煤机，用以将矸石卸料至皮带运输机。回风斜井安装1 部800 皮带，充填巷内安装1 部650 皮带，作为矸石运输皮带。抛矸机由掘进机改造完成。

翻罐笼购置、安装费用：27 万元；给煤机购置、安装费用：9万元；1部800充矸皮带购置、安装费用：120 万元；1 部650 皮带购置、安装费用：86 万；抛矸机改造：40 万元。工程前期总投入371 万元。矿井巷道式矸石充填工艺流程如图2。

图2 矿井巷道式矸石充填系统图

4 工程实施效果

根据矿井每月产生矸石量（约5000 t/月），提前谋划，组织队伍掘进矸石充填巷，巷道掘进完成后及时进行充填，充填必须接顶，充填完成后及时封闭。在矿井矸石充填工作面升级改造期间（2019 年9 月至2020 年10 月），矿井共掘进矸石充填巷5120 m，回收煤炭资源15.7 万t，充填矸石10.2 万m3。

邢东矿未经排矸原煤灰分约为33%，经过排矸充填系统后灰分可降至30%左右，灰分每降低1 个百分点，吨煤售价提高12 元。矸石充填工作面升级改造期间矿井商品煤提升量为117.2 万t，由此矿井增加收益约为3×12×117.2=4219.2 万元，大大提升了煤炭质量，具有较高的经济效益。同时，产生的矸石就近井下充填，降低了矸石治理成本，对环保有重大意义。

邢东矿井产生矸石主要以排矸系统和岩巷掘进、整修巷道的矸石为主，每月5000 t 左右。根据矿井规划，邢东矿矸石充填工作面系统升级改造完成之前，属于矿井矸石工作面的接续期间。矿井矸石通过巷道式充填处理，在处理矿井自产矸石、保护环境、降低原煤灰分、提高经济效益方面都有显著优点，开展该项目势在必行。

5 结论

目前国家对环境重视程度越来越高，对煤矿绿色开采要求也相应提高。邢东矿结合生产实际，在矸石工作面升级改造期间建立巷道式矸石充填系统实现矸石井下就近处理，降低原煤灰分的同时回收了边角煤，具有较好的经济效益和社会效益，在有类似条件的矿井中具有很高的推广价值。