东曲矿充填开采工艺技术研究.pdf

0 引 言 充填开采可以利用井下出煤的废矸石，将其充填 到井下工作面回采后形成的采空区当中，对垮落的顶 板上覆岩层形成支撑作用，以达到改善采空区围岩应 力状态的目的。 矿井通过采用充填开采技术，不仅能 够达到减少地面矸石山堆置、防治污染的目的，而且 具有最大程度低回收资源以及减轻地表采空区塌陷、 保护村庄、恢复生态、保障耕地的作用，充填开采是对 于矿井的绿色开采和可持续发展具有积极重要的意 义。 尽管目前在金属矿山开采中，充填开采已经十分 普遍，其技术也十分成熟，而在煤矿开采中，充填开采 技术尚未进行普及，并且各矿地质条件、生产状况差 异较大。因此，必须根据各个煤矿现场具体情况，进行 具体的充填开采工艺设计与应用。 1 矿井概况 东曲矿是山西焦煤西山煤电所属的大型国有矿 井，位于山西省古交市市区东南侧，东距山西省省会 太原市约 56km。井田南北长约 10km，东西长 7km，面 积 57.9km2，核定产能 4.00Mt/a。 太古岚铁路线由井田 北部经过， 并且布置运煤站台及专线与其相连接，太 古公路由井田西部经过，矿井交通非常便利。 矿井主要可采煤层有 2、4、8、9煤层，采用平硐 开拓、 条带式开采的方式， 开采水平为 973 水平、 860 水平、750 水平等三个水平。 矿井通风采用分 区抽出方式，进回风井布置 “ 八进五回”。 矿井水文地质类型划分为中等， 矿井瓦斯绝对、 相对涌出量分别为 133.40m3/min、18.19m3/t，属高瓦斯 矿井。 煤层自燃倾向等级方面，2为Ⅱ类自燃煤层， 4、8、9煤层均为Ⅲ类不易自燃煤层。矿井地温正常。 2 充填开采概况 目前矿井主采 2、8煤层，其中八采区 8煤层的 埋深在 309350m 范围内， 煤厚在 1.525.04m 范围 内，平均 4.45m，夹矸 1-2 层，含矸率较大。 8布置 12 个工作面，目前已回采 2 个工作面，现回采 28808 工 作面，尚有规划的 10 个工作面还未开采，其可采储量 约 8.05Mt。 八采区 8 煤层顶底板岩性见表 1。 表 1 八采区 8 煤层顶底板岩性情况 矿井排矸量 1.50Mt/a，其中大粒径矸石 0.30Mt/a， 小粒径矸石 1.20Mt/a， 平均排矸费用约 3 400 万元 / 年， 平均矸石治理费用约 4 500 万元 / 年。 而八采区 东曲矿充填开采工艺技术研究 曹 冬 冬 （ 西山煤电 （ 集团）有限责任公司安监局 ， 山西 太原 030053） 摘要本文以东曲矿八采区 8 煤层充填开采为实际工程背景，首先分析了该矿目前矸石排放及治 理情况，并提出地面、井下矸石运输系统方案，进而对八采区首充 28802 工作面的充填工艺方案进行 设计，通过应用充填开采技术可以达到较好的经济技术效果，并取得良好的社会效益。 关键词煤矿 ； 充填开采 ； 矸石运输 ； 充填工艺 中图分类号TD823.7 文献标志码A 文章编号1009-0797 （ 2021）02-0009-04 Research on filling mining technology in Dongqu mine CAO Dongdong （ The Work Safety Supervision Bureau of Xishan Coal and Electricity（ Group）Co., Ltd. , Taiyuan 030053 , China） Abstract In this paper, the filling mining of No.8 coal seam in No.8 mining area of Dongqu coal mine is taken as the actual engineering back- ground. Firstly, the current gangue discharge and treatment situation of the mine are analyzed, and the surface and underground gangue transportation system schemes are proposed. Then, the filling process scheme of the first filling 28802 working face in the eighth mining area is designed. Through the application of filling mining technology, better economic and technical effects can be achieved and good social effects can be achieved benefit. Key word coal mine ; filling mining ; gangue transportation ; filling technology 顶底名称平均厚度 /m岩性备注 基本顶6细粒砂岩 直接顶2.9石灰岩坚硬难冒 煤层4.45煤埋深 309～350m 直接底4砂质泥岩 2021 年第 2 期煤矿现代化第 30 卷 9 万方数据 8 煤层的含矸率在 40左右， 因此规划先对八采区 8 煤层进行充填开采，以构建地面洗选、矸石运输与 井下充填的矿井充填开采完整体系，从而达到选煤厂 矸石运输到井下就地处理的目的。 3 矸石运输方案 3.1 地面矸石运输方案 矿井选煤厂产出仓下矸石的主要来自于主洗车 间的水洗矸和准备车间的大块矸石， 其中来自于主 洗车间的水洗矸通过 1201 皮带输送机运至水洗矸 石仓， 来自于准备车间的大块矸石通过 261 皮带输 送机运至大块矸石仓， 水洗矸石仓和大块矸石仓的 仓下矸石运输方式均为汽车运输。因此，地面矸石破 运方案分为以下两个部分， 其中大块矸石维持目前 矸石破运系统， 对水洗矸的运输系统进行管状皮带 运输机改造。 将现有的 1201 皮带机按现在的角度 16向前 延伸 47m，新建一个水洗仓 φ15m48m，地下 5m， 仓的容量约为 7500t，仓下设有给料机，水洗矸通过管 状皮带输送机运至井口，与井下皮带机搭接，皮带机 的参数与井下的皮带机配套， 其中管状皮带带宽 B1350mm，管径 φ350mm，运量 Q800t/h。 同时在管 状皮带安装太原鑫隆瑞电子科技有限公司生产的全 悬浮电子皮带秤 LCS-XF，进行计量测算返运至井下 矸石的数据。 由于沿路有多处穿过马路，而且场地上 有两条排洪涵，因此皮带地上、地下两部分，地下采用 钢筋砼箱涵结构。 设备供电由东曲选煤厂和东曲矿各带一部分，设 皮带保护、视频监控系统、就地 PLC 控制箱、中央控 制柜。 选煤厂新建水洗仓仓上及仓下设备， 电源 380V取自主厂房 1变电所。 主厂房配电室增加变 频器柜 1 台、 低压开关柜 5 台。 高压电源取自 973 配电室 6kV 配电柜， 管状皮带驱动机房新增一台 KBSGZY1000/6/1.2 移变供管状皮带电源。 3.2 井下矸石运输方案 新施工一排矸通道， 与井下现有高抽运输巷贯 通，实现地面矸石入井，其中排矸通道全长 2 108m，巷 道净宽 4.2m （ 表土段 110m，岩巷 577m，煤巷 1 422m）； 高抽运输巷反向延伸 192m，全部为岩巷。 实现矸石运 输到充填工作面共需 3 部带式输送机，带式输送机参 数如下带宽 1 000mm，带速 3.15m/s，能力 800t/h。 4 综采充填工作面概况 首充 28802 工作面地面位于麻坪岭村庄东南，盖 山厚度 192340m，工作面东、西、北、南方向分别与已 回采的 28804 工作面、 已规划的 28802-1 工作面、大 巷保护煤柱、860 水平西翼轨道巷相邻， 上覆 2、4 煤层工作面已开采完毕，4煤层与 8煤层之间的层 间距在 7780m 范围内。工作面所掘进 8煤层属上石 炭统太原组煤层，煤层平均厚度 4.45m，结构复杂，煤 层厚度变化不大， 属稳定煤层。 工作面两顺槽及 28802 回风措施巷沿 8煤层顶板跟顶掘进。 28802 工 作面利用 860 水平东翼下组煤系统， 工作面顺槽与 860 东翼下组煤皮带巷、860 东翼下组煤轨道巷、 八采边界回风巷、860 高抽运输巷等沟通形成系统， 28802 工作面的轨道顺槽、皮带顺槽和切眼的长度分 别为 1085m、1054m 和 125.5m，28802 回风措施巷长 1105m，28802 轨顺联络巷长 138m，28802 皮顺联络 巷利用 28804 皮带顺槽的联络巷，28802 回风联络巷 长 175m。 对轨道顺槽和切眼设计要求拉低 300mm， 并进行混凝土铺底硬化，厚度 300mm，混凝土设计标 号 C30，满足胶轮车运输要求。 5 综采充填工艺方案 5.1 充填采煤平行作业工艺 矸石充填作业在紧随采煤作业进行，按顺序启动 充填刮板输送机、运矸胶带输送机等机电设备，对工 作面采空区进行充填作业。矸石运输主要通过地面选 煤厂、地面矸石运输系统、井下矸石运输系统、顺槽转 载皮带，最后转运到工作面充填刮板输送机，井下矸 石的充填过程是充填物料被布置于充填刮板输送机 上的卸料孔充填进采空区当中，再通过推压机把矸石 等充填物料压密并与采空区接顶。充填工作面采煤与 充填平行作业，准备充填支架调整时间，充填采煤作 业时序如图 1 所示。 图 1 充填采煤作业时序示意图 5.2 充填作业流程 在采煤机截割煤壁一段距离之后， 进行充填作 业，其主要工艺流程有以下几个方面 2021 年第 2 期煤矿现代化第 30 卷 10 万方数据 1）采煤机截深 800mm， 按照正规循环作业进行 操作，在采煤机截割 5 架支架的距离后，将这 5 架支 架进行推架操作，并进行充填作业前的相关设备检查 工作。 2）按顺序启动充填刮板输送机、 运矸胶带输送 机等机电设备。 3） 沿着充填刮板输送机的机尾到机头进行充填 作业，首先开启器机尾的 1 号到 5 号卸料孔投放矸石 等充填物料，来充填其后方的采空区区域，直至其下 方链条将充填物料拉平到一定高度之后，此时将 1 号 卸料孔关闭，同时开启推压机把投入采空区的矸石等 充填物料压密并接顶。 4）重复上述工序依次开启 2、3、4、5卸料孔投放 充填物料，并依次分别采用推压机把投入采空区的矸 石等充填物料压密并接顶。 5）跟随采煤机截割过程、 支架移架的采煤作业 工序， 充填工序按照上述 1到 5卸料孔开闭及推压 机压密接顶工序，依次重复这一工序进行操作直至对 机头后方采空区充填作业结束并关闭各个卸料孔后， 这一轮充填作业结束，并根据采煤作业进行下一轮的 充填作业。 充填作业工序流程如图 2 所示。 图 2 充填作业工序流程示意图 图 3 所示为充填作业断面示意图。 图 3 充填作业断面示意图 5.3 采煤充填工艺 该面采用单一厚煤层一次采全高倾斜长壁后退 式采煤法，用矸石充填方法控制采空区顶板。 1）采充工艺。 ①采煤工艺顺序双滚筒采煤机割 煤→刮板输送机运煤→液压支架支护顶板→推移刮 板输送机；②充填施工工艺机尾拉移支架→运矸皮 带与后部刮板运输机搭接→工作面中间依次充矸→ 依次捣实→机头、机尾充矸捣实 （ 注端头支架对采空 区充填不密实时，要安排人工对上下端头攉矸充填）； ③充矸捣实过程本架漏矸多次→本架捣实多次→邻 架漏矸多次→邻架捣实多次，多次漏矸，多次捣实，直 至采空区充填物料充分接顶并充捣压实，达到设计压 力为止 （ 24MPa 以上）。 2）运矸方式。 矸石经选煤厂水洗仓→管状皮 带→排矸通道→860 高抽运输巷→28802 工作面轨道 顺槽，再经 SGBC764/2200 型填矸输送机到达工作 面充填区域。 3）落煤方式。 采用 MG500/1200-WD 型太矿采 煤机双向穿梭采煤，前滚筒割顶煤，后滚筒割底煤，滚 筒自旋使其截齿将煤破碎，截深 800mm。 4）装煤方式。 利用机组滚筒螺旋叶片和运输机 铲煤板将煤自行装入运输机。 5）运煤方式。 工作面采用 SGZ-900/1050 型双中 心 链 可 弯 曲 刮 板 输 送 机 、28802 皮 带 顺 槽 采 用 SZZ900/315 型刮板转载机和 SSJ-1200/2*315 型皮带 机运煤。 6） 工作面支护。 工作面 主体支护设备是 ZC9100/30/55 型液压支架， 两端头各使用一套 ZZTC19340/30/43 型端头支架支护，上下巷 20m 内使 用 ZTC40000/25/45 型超前支架； 采用矸石充填控制 顶板下沉。 6 结语 按照矿井排矸量 1.50Mt/a，矿井排矸系统费用约 每年 8 000 万元，对其进行充填开采改造后成本约每 年 6 000 万元，可节省成本约每年 2 000 万元。本次东 曲矿充填开采改造具有良好技术条件、较好的经济利 润水平，有着良好的经济技术效果。此外，通过本次充 填开采改造还对山西省其他矿井及 “ 三下”采煤具有 一定的借鉴作用，有着良好的市场应用前景。 参考文献 ［ 1］ 杨建军,张金彪.七五煤矿矸石充填开采可行性分析 ［ J］. 山东煤炭科技,2020， （ 01）170-173. ［ 2］ 周楠,姚依南,宋卫剑,何志伟,孟国豪,刘玉.煤矿矸石处 理技术现状与展望［ J］. 采矿与安全工程学报,2020,37 （ 01）136-146. ［ 3］ 张吉雄,巨峰,李猛,周楠,张强.煤矿矸石井下分选协同原 位充填开采方法 ［ J］.煤炭学报,2020,45 （ 01）131-140. （ 下转第 14 页） 2021 年第 2 期煤矿现代化第 30 卷 11 万方数据 （ 上接第 11 页） ［ 4］ 侯鹏.我国煤矿充填开采技术现状及发展方向 ［ J］.内蒙 古煤炭经济,2019, （ 18）177. ［ 5］ 张号召. 五沟煤矿矸石充填开采沉陷规律研究 ［ D］.中国 矿业大学,2019. ［ 6］ 宋桂军,潘虹.寸草塔煤矿矸石充填开采技术可行性研究 ［ J］.陕西煤炭,2017,36 （ S1）76-79. ［ 7］ 武乐鹏.贺西煤矿矸石山的绿化治理 ［ J］.洁净煤技术, 2015,219 （ 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似地质条件下工作面密闭墙的快速构筑具有参考价 值。 参考文献 ［ 1］ 周志利,柏建彪,肖同强,等.大断面煤巷变形破坏规律及 控制技术 ［ J］.煤炭学报,2015, （ 4）56-562. ［ 2］ 聂贵亮.新型材料快速构筑密闭在阳煤一矿的实践应用 ［ J］.山东煤炭科技,2018, （ 07）62-64. ［ 3］ 黄玉诚. 矿山充填理论与技术. 北京 冶金工业出版社, 2015，3. ［ 4］ 钱鸣高,许家林,王家臣.再论煤炭的科学开采 ［ J］.煤炭 学报,2018,43 （ 01）1-13. ［ 5］ 张夏欢,宋建国.大采高工作面围岩活动规律分析 ［ J］.煤 炭科学技术,2018, （ 52）108-113. 作者简介 赵瑞峰1981.11-，男，山西盂县人，2011 年毕业于河北 工程大学，采矿工程专业，学士学位、采煤工程师，主要从事 煤矿安全生产及质量管理工作。（ 收稿日期2020-7-17） 2021 年第 2 期煤矿现代化第 30 卷 14 万方数据