义桥煤矿矸石不升井“采选充”一体化开采设计

刘海泉，王中亮，魏晓峰，彭雷祥

(通用技术集团工程设计有限公司，山东 济南 250031)

为回收部分工业场地或建筑物下优质资源，需采用建筑物下开采技术，常采用的技术[1，2]包括条带开采技术[3]和充填开采技术[4-6]，条带开采技术煤炭回收率低，造成资源损失及浪费，应用较少。充填开采技术已成为现今最常规的建筑物下开采方式，主要包括矸石充填[7]、超高水充填[8]、膏体充填[9，10]等方式。充填开采所采用的矸石通常是经煤、矸洗选分离后得到，我国煤炭、矸石洗选已有长足发展[11-14]，常见的分选技术包括重介选煤技术、跳汰技术[15]和浮选技术[16]，按照选煤介质不同，大致分为湿式选煤法和干式选煤法。但伴随着智能化技术在煤、矸分选体系的应用，煤、矸智能分选[17]技术已日渐成熟，智能化选煤技术逐渐成为主流技术。其中，TDS智能干选机[18]在煤炭、矸石分选技术中已成为井下智能分选的领军技术。以上充填开采及煤、矸智能化分选技术大都集中在各自领域的研究，通过地面或井下矸石分选后在地面制充填体后进行充填开采，对于井下煤、矸分选后直接进行充填开采的研究相对较少。本次研究以义桥煤矿五采区浅部区域建筑物下压煤开采为例，拟通过井下矸石分选后直接用于建筑物下压煤充填开采，消化矸石，实现建筑物下压煤安全回采。

1 矿井概况

汶上义桥煤矿有限责任公司(以下简称“义桥煤矿”)井田面积约17.5 km2，生产能力为80万t/a，采用立井单水平开拓，井口标高+45 m、井底水平标高-335 m，可采煤层为3煤层，采煤方法为长壁后退式采煤法，全部垮落法管理顶板，综采和综放采煤工艺，现有采掘活动的采区为三、五采区。五采区浅部区域位于五采区南部，东西宽270～450 m，南北长200～485 m，区域面积为89438 m2。该区域地面建筑物较多，分布有中学、村庄、卫生院办公楼及沿街两层楼房等，区域内3煤层厚度平均为2.8 m。为回收建筑物下压煤资源，设计采用井下TDS智能干选配合连采连充方案。五采区浅部区域范围如图1所示。

图1 五采区浅部区域范围

2 井下智能干选设计方案

TDS智能干选机通过X射线和图像识别技术，通过大数据分析，对煤与矸石进行数字化识别，适用于50～300 mm煤矸分选。同传统湿法选煤工艺相比系统简化、工艺设备体积小。为减少井下巷道工程量及避免大断面硐室布置，煤矸分选技术选用TDS智能干选机进行分选。

2.1 分选系统布置方案选择

针对义桥煤矿井下智能干选系统位置及布置方式，提出两个布置方案。

2.1.1 方案一：新施工巷道内布置智能干选系统

在胶带暗斜井检修联络巷的附近新建智能干选系统硐室布置分选系统，并新建矸石仓，矸石仓下口通过带式输送机将选后矸石转载至东翼运输巷运输至充填工作面充填，煤流、矸石运输路线如图2所示，共需新施工巷道201 m，布置一处直径7 m、高度18 m的矸石仓，共计投资2416万元，施工总工期为7个月。方案一巷道布置如图2所示。

图2 方案一巷道布置

2.1.2 方案二：原有巷道内布置智能干选系统

利用现有胶带暗斜井扩刷，将智能干选系统直接布置在现有胶带暗斜井带式输送机上方，并在胶带暗斜井新建矸石仓，矸石仓下口通过带式输送机将选后矸石转载至东翼运输巷运输至充填工作面充填，煤流、矸石运输路线如图3所示，共需新施工巷道260 m，布置一处直径5 m、高度40 m的矸石仓，共计投资2451万元，施工总工期为8个月。方案二巷道布置如图3所示。

图3 方案二巷道布置

2.1.3 方案比选

1)方案一优缺点。优点：新建巷道内布置分选系统便于系统检修维护；改造工程对现有生产系统影响较小；巷道工程量小，施工难度小，工期短、投资少；距离充填区域近，有利于前期充填系统的形成。缺点：与方案二相比，少两部带式输送机，系统环节少；矸石仓下口检修方便。

2)方案二优缺点。优点：为节约巷道工程量，矸石转载巷道及矸石仓下口设置在回风巷道内；缺点：在现有巷道内施工对生产会有影响；系统布置在现有巷道，不利于系统设备布置和后期使用维护；与方案一相比，工程量大、工期长、投资多；分选系统处于回风风流中，不利于设备维护使用。

分选系统布置方案投资和工期对比见表1，综合以上两个方案，方案一在新建巷道内布置分选系统便于系统检修维护；无需扩刷现有巷道，改造工程对现有生产系统影响较小；巷道工程量少、投资少、工期短，综合分析，推荐方案一作为主导方案。

表1 分选系统布置方案投资和工期对比

2.2 分选系统工艺

在胶带暗斜井带式输送机增加卸料器，将原煤(含矸)卸载至入料带式输送机，并进行50 mm筛分，筛上块煤直接进入干选机进行分选，干选机选后的块煤和滚轴筛筛下末煤通过返煤带式输送机返回胶带暗斜井带式输送机。选后矸石破碎至50 mm以下进入新建矸石仓，并通过转载带式输送机、东翼胶带大巷带式输送机运至五采区浅部区域进行充填，实现矸石不升井。

3 井下连采连充设计方案

3.1 井下充填开采方式确定

井下充填工艺(以矸石为原料)可采用架后长壁膏体充填工艺和密实胶结连采连充工艺。架后长壁膏体充填工艺在地面进行膏体制备，通过管路输送至回采工作面，架后进行充填开采，避免顶板垮落，地面充填站建设及充填支架购置费用约7000万元，投产后预计增加吨煤成本150元/t。密实胶结连采连充工艺采用地面制备胶结浆体(水泥、粉煤灰和水按一定比例混合制成)，通过充填管路下井敷设至连采连充支巷，井下生产矸石经TDS智能干选后，由带式输送机输送至填支巷，矸石与浆体在支巷充填空间进行混合，完成对支巷密实胶结充填，避免顶板垮落，地面充填站建设及工作面采掘设备购置费用约3400万，投产后预计增加吨煤成本90元/t。考虑井下矸石不升井，保证主井纯煤提升量，避免矸石升井后二次污染问题，以及建设投资及吨煤成本增加费用，推荐采用密实胶结连采连充采煤工艺。

3.2 连采连充系统方案

3.2.1 连采连充工作面设计

1)工作面布置及回采。各工作面布置两条回采巷道，开采支巷倾角为10°～17°，长度为55～70 m，工作面上巷为材料巷，用于矸石运输、充填管路布置及辅助运输，工作面下巷为运输巷，用于煤炭运输，布置两条开采支巷，两条充填支巷。工作面矸石及充填浆体运输路线：东翼运输大巷→工作面材料巷，相邻的充填支巷与开采支巷间隔3个支巷距离(间隔15 m)，互不影响。工作面布置如图4所示。

图4 工作面巷道布置(m)

2)工作面支巷宽度的确定。五采区浅部区域连采连充开采空间顶板可看作是被两侧煤柱支撑的“梁”结构，由于其开采范围小，煤柱对顶板的夹持作用，因此岩梁稳定性计算可按“简支梁”考虑，力学模型如图5所示。

图5 顶板简支梁结构模型

梁内最大正应力σmax和最大剪应力(τxy)max为：

σmax=3qL2/4h2

(1)

(τxy)max=3qL/4h

(2)

式中，h为顶板直接顶岩层高度，取2.8 m；L为梁的宽度，m。

考虑岩梁内最大拉应力影响的岩梁极限跨度为：

考虑岩梁内最大剪应力影响的岩梁极限跨度：

式中，F0为安全系数，取1.5；Rt为抗拉强度，取1.5 MPa；Rj为抗剪强度，取1.2 MPa。

采用连采连充设计时，直接顶是否跨落是工作面支巷安全高效开采的关键。计算得出直接顶垮落步距，综合考虑到采煤现场的施工因素，确定支巷宽度5.0 m。

3)支巷高度的确定。支巷为开采工作面，支巷高度等于煤层厚度，根据五采区浅部区域煤层平均厚度为2.8 m，支巷高度暂取为2.8 m。

4)支巷长度的确定。如果支巷太短，工作面搬家次数多，而工作面支巷长度过长，密实胶结充填效果难以保证。综合平衡工作面开采及充填要求，充填支巷暂取55～70 m。

3.2.2 连采连充工艺

矸石浆体胶结密实连采连充工艺系统通常包括充填浆料制备、输送系统和矸石供给、输送系统以及工作面胶结密实充填系统。

1)充填材料选择。义桥煤矿五采区浅部区域密实胶结连采连充材料主要由胶凝材料和骨料两部分组成。胶凝材料由水泥、粉煤灰和水组成；充填骨料采用煤矸石。经过相关充填材料配比试验，确定水泥、粉煤灰、水、矸石的质量配合比例为：1∶1∶2.57∶20。

2)充填浆料制备。矸石浆体胶结密实充填地面制浆系统主要包括：原料输送计量系统、搅拌泵送系统、辅助设施等组成。原料输送计量系统主要负责将水泥、粉煤灰储存并按比例输送至高速制浆机；搅拌泵送系统主要负责将充填物料定量加水搅拌成浆体。现场充填体的整体强度可按式(5)计算：

(5)

式中，σc为试验室充填体单轴抗压强度，MPa；b为充填体宽度，m；h为充填体高度，m；σp为充填体强度，MPa。

充填体强度至少应该满足：

根据极限强度理论，要保持充填体的稳定性，一般应有1.5～2.0倍的安全系数，取2.0，并将p带入式(6)即可得到保持充填体长期稳定性对试验室充填试块的强度要求。

按照义桥煤矿五采区浅部区域开采技术条件，煤层埋深H=450～550 m，平均500 m；宽度b=5.0 m，开采高度h=1.18～4.0 m，平均2.8 m，覆岩密度γ=2.5 t/m3；代入式(7)计算得出：σc=2.98 MPa。因此，现场充填体所需最终强度要大于2.98 MPa。考虑采充工艺的特殊性，保证充填开采过程中煤壁的整体性，充填体15 d的强度不低于1.5 MPa。

3)充填浆液输送系统。浆体经充填钻孔内的充填管路，可通过自重静压自流方式下井。充填管路沿胶带暗斜井、东翼胶带大巷、准备巷道至工作面上顺槽，在充填支巷完成充填作业。考虑到浆液输送管路的磨损、承压能力、服务年限、管道壁厚等因素综合选择充填管路直径及型号。充填管路壁厚δ按式(8)进行计算：

式中，Pmax为管道所受最大压强，MPa；D1为管道内径，取50 mm；[σ]为管道材质的抗拉许用应力，取350 MPa；K为磨损腐蚀量，取0.5 mm。

井下管路最远水平距离为1620 m，则沿程阻力为7.48 MPa，浆液输送过程中遇到弯头所产生阻力为管道局部阻力，单个弯头阻力约为0.05 MPa，充填管路共有弯头10个，局部阻力为0.5 MPa，充填总阻力为7.98 MPa。浆液输送最小高差为450 m，浆液密度为1.56 t/m3，重力产生的压力为6.9 MPa，充填管路出口压力不小于2 MPa，故所选充填泵的输送压力需大于3.08 MPa，考虑一定的富余系数，充填泵的正常输送压力取3.1 MPa，则管道所受最大压强为10.0 MPa。将以上数据代入式中，可计算得出管路壁厚至少为1.2 mm，管道10年磨损量至少1.0 mm。井下充填管路选用壁厚5 mm、内径50 mm的Q435无缝钢管，地面及钻孔管路选用壁厚5 mm、内径100 mm的Q435无缝钢管。

4)矸石供给、输送系统。充填矸石由井下TDS矸选系统产生，存放于矸石仓内。矸石运输路线：矸石仓→矸石转载联络巷带式输送机→东翼运输大巷运矸带式输送机→充填工作面材料巷带式输送机→充填工作面支巷。

5)工作面胶结密实充填系统。连采连充支巷下口布置有挡浆装置封闭支巷下端头。矸石抛掷至工作面支巷上口，充填管路内的料浆从地面由管路输送到充填支巷，利用支巷倾角(10°以上)自流与矸石混合后充满充填支巷，形成密实充填体对支巷顶板进行充填支护。

3.3 充填开采及充填系统能力

3.3.1 充填开采生产能力

充填开采布置两个支巷开采工作面和两个支巷充填工作面，计算充填工作面生产能力为：

Qk=330×Bc×hc×Lj×γk

(9)

式中，Qk为年平均煤产量，万t/a；Bc为充填支巷宽度，取5.0 m；hc为充填支巷高度，取2.8 m；Lj为日开采进尺，取10 m；γk为煤的视密度，取1.41 t/m3。

经计算，充填工作面生产能力为13万t/a。

3.3.2 充填系统能力

计算所需要的充填能力为：

Qn=ZQk/γk

(10)

式中，Qn为年平均充填体积，m3/a；Z为充采比，取Z=1。

根据式(10)计算年平均充填体积为：Qn=9.2万m3/a。日平均充填体积(按照年均工作330 d)：Qr=279 m3/d。按照一个连采连充工作面平均长度为70 m、采高2.8 m，宽度5.0 m，计算每天实际形成的空区体积为：70 m×2.8 m×5.0 m=980 m3。3天完成一条支巷充填可确保采充作业平衡，有效充填总时间为12 h，实际需要的充填能力为327 m3/d，需要的小时充填量为82 m3/h，对充填能力留有一定的富裕系数，取每小时充填能力为90 m3/h，可确保有效充填时间12 h，3天内完成一条支巷的充填作业。

4 应用效果分析

义桥煤矿通过建立井下TDS智能干选系统，配合连采连充工艺，每年减少矸石提升量约为15万t，有效地避免了矸石提升压占主井提升能力的问题，成功实现了矸石不升井进行井下回填，避免了矸石升井后带来的环境污染问题。五采区浅部区域连采连充开采后，地面最大下沉值为190 mm，最大倾斜变形0.9 mm/m，最大水平拉伸变形为+0.4 mm/m，最大水平压缩变形为-0.8 mm/m，地面建筑物均在一级变形破坏范围内，满足了建筑物下开采安全要求。每年连采连充生产能力达到13万t以上，解放了五采区浅部区域建筑物下压煤可采储量35.4万t，可采煤利润12912万元，实现了稳定的经济和社会效益。

5 结 论

1)针对义桥煤矿五采区浅部区域建筑物下压煤开采、地面矸石处理困难等问题，采用“井下TDS智能干选+五采区浅部区域连采连充工艺”，确定了井下矸石分选系统方案，将矸石运至五采区浅部区域进行充填，实现矸石不升井。

2)对连采连充系统进行设计，充填材料采用水泥、粉煤灰、水、矸石，配比为1∶1∶2.57∶20，充填体强度大于2.98 MPa，充填工作面生产能力为13万t/a，充填系统能力为90 m3/h。

3)义桥煤矿采用“井下TDS智能干选+连采连充工艺”后，五采区浅部区域地面建筑物均在一级变形破坏范围内，成功实现了建筑物下压煤安全开采，解放建筑物下压煤可采储量35.4万t，每年减少矸石提升量约为15万t，避免了矸石升井对地面环境污染。