孙村煤矿-400二层充填区矸石充填开采技术应用

文/公 军

在煤炭开采中，为减少固体废物排放、开采沉陷危害，提高资源回收率，采用短壁连采密实充填工艺，通过资源置换,能够取得最佳的经济效益、环境效益和社会效益。山东能源新矿集团孙村煤矿在-400二层充填区采用矸石充填开采技术，通过采用全负压连采连充分步置换“三下”采煤法，实现壁式开采、全采全充，充采比和充实率均达到100%，置换煤量108363t，取得了明显的经济、环境和社会效益。

一、充填工作面情况

-400二层短壁联采密实充填区位于-400m水平，巷道西邻原三采区3208工作面、3209工作面已开采完毕，东临原二采区2208工作面、2209工作面已开采完毕。该区域可充填开采的二层煤，走向长455～528m，平均走向长491.5m，倾斜宽为69～204m，平均倾斜宽为136m，水平面积为62030m2，倾斜面积为66844m2，剩余可采储量约为21万t。开采范围内标高为-265.12～-360.22m。

中期开采-400m水平原皮带机井煤柱，开采范围：东至2408及2409工作面采空区，西至3409及3410工作面采空区，南至-210水平大巷，北至-400风井及水平大巷。该区域部分四层煤已开采，上覆二层煤未开采，平均走向长215m，平均倾斜宽为325m，倾斜面积为69875m2。二层剩余储量约35万t、四层剩余储量约18万t。该区域地面标高为-233.0～-329.4m。

充填开采推广区为北立井工业广场保护煤柱，开采范围：北至-1100二采集运巷，南至F10断层分支F7断层，东至-1100二采区运煤上山，西至-1100管子井。该区域走向长为1150m，倾斜宽为630m，面积为724500m2，可采储量合计976.5万t，其中二层可采储量232万t，四层可采储量230.6万t，十一层可采储量158.3万t。井下标高-750～-1100m。地面标高为+201.54m。

二、充填开采技术应用

矿井采用全负压连采连充分步置换“三下”采煤法。连采连充采煤法，即通过优化改造旺格维利（短壁连采）采煤法，发挥其连续采煤优势，采用壁式布置形成全负压通风工作面，增加新型充填法管理顶板，实行壁式开采、全采全充。

1.充填工艺流程

（1）充填工作原理。充填工作主要是将洗选矸石和水泥浆通过输矸皮带和输浆管路共同完成。洗选厂洗选出来的矸石经皮带运输至矸石山，由汽运将洗选矸石与破碎的矸石运输至大洛沟矸石充填工业广场，通过工业广场矸石输送皮带转载到新施工的充填钻孔，经充填钻孔自溜至-210m水平，与原似膏体矸石充填管路系统中的水泥浆在充填支巷上端汇合后，输送至充填支巷进行充填。

（2）充填工艺流程。该充填工艺采用洗选矸和浆体混合方式充填。将水泥、粉煤灰、水严格按比例进行科学配比，经地面搅拌后形成充填泥浆，然后通过钻孔管道输送至井下，最终通过井下管道输送至充填支巷上口；洗选矸石经钻孔管道输送至井下缓冲仓，然后使用皮带等设备运输至充填支巷上口；泥浆与洗选矸石在支巷内混合凝固，形成坚硬的充填体。

具体充填施工采取“采3充1，采5充3”的工作法。即：工作面连续开采3个支巷或煤柱巷时，必须充填，不得连续开采超过3个支巷或煤柱巷不充填；连续开采5个支巷或煤柱巷时必须有3个支巷或煤柱巷完成注浆。上巷充填与下巷采煤实现平行作业。工作面采用水泥浆加洗选矸管理顶板，根据地质及开采技术条件，采用水泥浆蠕动冲推洗选矸进行充填。充填时，采取二次填灌的方式进行接顶充填。充填工艺流程图如图1所示。

2.主要充填材料

孙村煤矿充填物料分浆体与洗选矸石两大部分。

浆体为普通硅酸盐水泥、粉煤灰、水的混合体，采用科学配比试验，确保浆体凝固抗压强度及性价比的合理性。在充填料中加入粉煤灰，进行等比例置换水泥，主要是为提高水泥浆体性价比，改善管道输送性能，降低管道磨损、堵塞概率。浆体密度为1.3g/cm3。

图1 充填工艺流程图

充填骨料主要来源于煤矿井下回采和掘进工作面所产生的矸石。一是经洗选后颗粒均匀的矸石，一般颗粒直径不大于5～6cm；二是地面矸石破碎后的小颗粒粉状矸石。将两种矸石按一定比例混合后，经输矸孔落体破碎后进入井下运输系统，最终通过皮带将矸石输送至充填面上巷。

3.充填工艺系统

（1）充填料的运输与储存系统。水泥、粉煤灰用散装罐车运送，通过高压气卸入立式水泥仓和粉煤灰仓内，经仓底插板阀、星型给料机、冲板流量计计量后，通过单螺旋输送机输送至同一个搅拌桶内，搅拌形成水泥粉煤灰浆体，然后转运至主搅拌桶内。

（2）搅拌系统。普通搅拌很难破坏微细颗粒固体和水产生的聚凝集合体，因此需用强力机械搅拌装置。

（3）供水系统。为保证供水能力，需设置高位水池或安设加压水泵。

（4）检测系统。高浓度料浆具有良好性能的浓度范围很小，料浆浓度的变化对充填料浆特性的影响极为敏感，为顺利实现全尾砂高浓度胶结充填，必须建立可靠完善的充填监控系统，实现对料浆浓度、流量及各种物料配比的监测和调节。

（5）地面系统。接到需要进行充填的通知后，地面制备站要备足充填所需的水泥浆。充填时，按下料顺序，先下水冲洗管路，待管路畅通，接到下料通知后下粉煤灰、水泥。充填期间，随充填流量变化，适当调节出口阀门，控制搅拌槽内液位保持在1.5m以上。接到停料通知后，下水冲洗管路，井下充填负责人确认管路内无余料后，用专用电话通知地面停水，地面制备站停止下水。

4.建立大垂深直投式下矸系统

根据矿井实际情况选取最佳位置，施工地面下矸钻孔，建立大垂深固体充填物料直投系统。在柴汶河东岸大洛沟村重新选址建立地面洗选矸输送站，施工直径为550mm钻孔，垂深382m，落地位置位于-210水平以矸换煤充填工作面上平巷附近，矸石通过钻孔自溜至-210水平上平巷后，需通过以矸换煤充填上平巷运矸皮带运送至充填支巷。

矸石转载的方案是，施工大坡度输矸通道，采用搪瓷溜子搭接皮带自溜运矸。

（1）溜子道。巷道采用矩形断面，锚网带支护，巷道净宽为3.0m，净高为2.5m，倾角为35°。

（2）搪瓷溜子。为确保充填钻孔自溜下来的大矸石及时破碎、满足充填配比需要，在充填钻孔下方安装破碎杆，斜溜子道内敷设搪瓷溜子，搪瓷溜子中心位于充填钻孔正下方。为了方便固定搪瓷溜子，靠巷道东帮搭设基础固定搪瓷溜子，巷道西帮作为溜子道检修人行道。

（3）皮带联动。为避免出现输矸孔下方淤堵，井上输矸皮带与井下输矸皮带必须实现联动。当井下皮带停运前，必须先将井上皮带停止运行、停止输矸，确保无矸石挤压。当井上皮带停止输矸时，井下皮带应滞后3min停运，确保立孔矸石输送完成。

三、充填开采效果

自2020年1月至2020年11月，孙村煤矿在-400二层充填区实施了矸石充填开采，开采煤层为2煤层，煤层平均厚度为2.8m。根据实际开采情况，-400二层充填区充填回采率为95%，充填矸石130996t，矸石充填采空区体积为3万m3，充采比为100%，充实率为100%，置换煤量108363t，经济效益和环境效益显著。