金裕达煤矿井下充填开采方案设计

王中亮 刘海泉 王振虹

（通用技术集团工程设计有限公司，山东 济南 250031）

煤矸石为煤炭开采中产生的废弃物，在地面堆存不仅占用大量土地资源，还对矿区生态环境造成污染[1-2]。本文以金裕达煤矿充填工作面为研究对象，提出井下矸石充填方案，符合当地环保政策要求，研究结果可为类似矿井充填开采设计提供借鉴。

1 概况

金裕达煤矿主采2、9 煤层，平均厚度为1.33 m、3.80 m，先采2 煤层，年产矸石量约22.1 万t/a。矿井开拓开采布置如图1。为达到煤矸石综合利用率100%的目的，需要对矿井二采区2 煤层充填开采方案进行优化设计。

图1 矿井开拓开采系统布置图

2 充填开采技术

2.1 综采架后矸石充填技术

综采架后矸石充填技术是在综采工作面回采时实现矸石充填，通过充填液压支架、自压式矸石充填机等充填设备，将矸石送入采空区并进行压实的充填开采方法[3]。该技术充填工序在支架掩护下进行，无须在采空区内作业，实现了充填开采的机械化与快速化，已在新汶、邢台等矿区进行了推广应用。该技术矸石处理能力大，消耗矸石量多。

2.2 膏体充填技术

膏体充填是将煤矸石、粉煤灰、工业炉渣等制成膏状浆体，利用充填泵经充填管路输送到井下采空区的充填开采方法[4]。该技术充填浆液密实度高，充填体强度高，对地表沉陷控制效果好，但存在着初期投资大、成本高、采充不协调、管道易堵塞等难题，已在新汶、济宁、邯郸、赤峰等矿区得到广泛应用。该技术可处理大量矸石。

2.3 短壁连采连充技术

短壁连采连充技术由相互独立的采煤、充填系统组成，采煤系统包括回采支巷及煤炭运输，充填系统包括回采完毕后支巷的充填及充填物料的运输，两套系统平行作业[5]。该技术避免了长壁膏体充填采充干扰、效率低、控顶效果差等难题。矿井2 煤层厚1.33 m，工作面需割顶或切底，会造成矿井矸石量进一步增加。因此，该技术不适用于本矿井。

3 充填开采设计方案

根据金裕达煤矿地质采矿条件及上述充填方法的适用性，设计提出3 个充填开采方案，具体如下：

3.1 方案一

采用“地面洗选+综采架后矸石充填”方式，井下矸石运至地面选煤厂洗选，再依次经物料钻孔、采区胶带上山等环节运至井下充填工作面进行架后原矸充填。该方案需在地面矸石棚附近增设1 个物料钻孔，钻孔深度约260 m。如图2、图3。

图2 充填系统布置示意图（m）

图3 矸石运输流程图

矸石充填工作面生产能力：

式中：AC1为工作面生产能力，万t/a；L为面长，取200 m；h为采高，取1.33 m；r为原煤视密度，1.35 t/m3；b为日推进度，3.2 m/d；n为年工作日数，330 d；N为正规循环作业系数，取0.9；c为工作面回采率，取97%。

因此，矸石充填工作面实际生产能力按A=30万t/a 计算，每年可形成采空区V空=A/r=22.2 万m3/a。矸石充填率取80%，要求矿井年充填能力V充=V空×80%=17.8 万m3/a。

矸石松散密度取r矸=1.6 t/m3，则矿井年可处理矸石约V矸=V充×r矸=28.4 万t/a ＞22.1 万t/a（矿井年矸石产量），可以满足矿井处理矸石的要求。

3.2 方案二

采用“井下分选+综采架后矸石充填”方式，煤流中经井下煤矸分离系统分选后的矸石及掘进矸石运至井下矸石仓临时储存，再依次经采区胶带上山等运至充填工作面进行架后原矸充填。

煤矸分离工艺流程：在上组煤煤仓上口位置布置TDS 干选系统（TDS14-300 型干选机），利用1#原煤转载皮带将原煤转载至滚轴筛，进行50 mm 筛分，-50 mm 末煤通过2#块末皮带转载返回至上组煤煤仓，+50 mm 以上块原煤进入TDS 干选系统，选后块精煤进入2#块末皮带转载入上组煤煤仓，矸石通过3#矸石转载皮带至矸石仓储存。如图4。

图4 井下煤矸分选系统布置位置图（m）

式中各参数同公式（1）。

同理，可计算出矿井年矸石处理量V矸=28.4 万t/a ＞22.1 万t/a（矿井年矸石产量），可满足矿井处理矸石的要求。

3.3 方案三

采用“地面洗选+膏体充填”方式，井下产生矸石运至地面，在地面充填站将矸石、粉煤灰、水等材料按比例配好、搅拌均匀后经充填管道输送至井下采空区进行充填。工作面采用长壁膏体充填方式，按综采工艺完成割煤、移架、推溜，达到充填步距后进行膏体充填，工作面实行“采煤—充填—凝固/检修”作业方式。如图5。

图5 膏体充填示意图

膏体充填工作面生产能力：

式中：L为工作面长度，170 m；b为日推进度，2.4 m/d，其余参数同公式（1）。

膏体充填工作面实际生产能力按A=21.1 万t/a计算，每年可形成采空区V空=A/r=15.6 万m3/a。取充填率95%、矸石占比85%，要求矿井年充填能力V充=V空×90%×85%=12.6 万m3/a。

矿井年可处理矸石量V矸=V充×r矸=20.2 万t/a ＜22.1 万t/a（矿井年矸石产量），不能满足矿井处理矸石的要求，剩余1.9 万t/a 矸石需另寻废弃巷道进行充填。

3.4 方案比选

各方案简要技术、经济对比见表1。

表1 方案对比表

方案一工作面仰斜开采、俯斜充填，适应性较好；原矸充填投资少，运行成本低，但矸石需升井后再处理，能耗有所增加；方案二在井下直接处理矸石，但分选硐室断面大，支护难度大，且矸石充填减沉效果较膏体差；方案三膏体充填运输环节少，充填效果好，但矸石处理能力小、系统投资大、充填工序复杂。经综合对比，设计推荐方案一，即“地面洗选+综采架后矸石充填”方式。

4 充填工艺与设备

4.1 采煤工艺

二采区采用综采采煤、充填法管理顶板，采用“四六”工作制，每班工作6 h。工作面采用一采一充方式，每天进4 刀，每刀进尺0.8 m。使用采煤机双向截割煤体，采煤机截割装煤和前刮板机前移配合装煤，前刮板机将煤运到转载机，经顺槽胶带输送机将煤运出。

4.2 矸石充填工艺

矸石从矸石仓通过胶带输送机等运至后刮板机上，工作面后刮板机悬挂在支架后顶梁上，在工作面前刮板机移直后，通过卸料孔将充填物料卸放至架下的采空区内，然后利用夯实系统将充填物料压实并接顶，完成充填作业。工作面充填工艺流程图如图6。

图6 工作面充填工艺流程图

4.3 充填设备

设备选型详见表2。

表2 充填设备技术参数表

5 结论

根据实际条件，以矸石的处理为主要考量因素，对比分析了不同充填方案，提出了“矸石地面洗选+综采架后矸石充填”方式，确定矸石充填开采工艺及设备选型。“矸石地面洗选+综采架后矸石充填”方案能够完全消耗矸石，做到矿井地面不存矸，助推绿色生态矿山建设。