矸石充填采煤工艺及配套设备研究.pdf

第 2 4卷 第 1期 2 0 0 7年 O 3月 J o u r n a l 采矿与安全工程学报 o f Mi n i n g S a f e t y En g i n e e r i n g Vo1 ． 2 4 No． 1 M ar c h 20 07 文章编号 1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 0 7 0 1 0 0 7 9 0 5 矸石充填采煤工艺及配套设备研究 张文海 ，张 吉雄。 ，赵计 生 ，魏树群 ，巨 锋。 1 ．中国矿业大学 信息与 电气 工程学院 ， 江苏 徐 州 2 2 1 1 1 6 ； 2 ．河北金牛股份有 限公 司 邢东煤矿 ， 河 北 邢台0 5 4 0 0 0 ； 3 ．中国矿业大学 能源与安全 工程学 院 ，江苏 徐 州 2 2 1 1 1 6 摘要矸石充填采煤对充填巷 内矸石运输设备有以下要求 矸石输送机在矸石充填过程 中不断 外移、 机架不断拆除、 皮带不断缩短、 机尾卸矸点与矸石充填部搭接 问题等． 通过理论计算与分 析 ， 将现有 DS P 1 0 1 0 ／ 6 5 0机 头驱动式胶 带输送机 改造为机尾 驱动 式， 并安设可伸 缩带式输送机 自动张紧装置 ； 设计 了矸石充填工艺， 并在邢 东矿井得到成功应 用． 试验表明 该配套设备不但完 全满足矸石充填采煤工艺系统对其性能要求 ， 而且充填效率高、 性能稳定、 拉 紧装置的可靠性强、 运行 良好 ， 解 决 了矸石 充填 配套 设备 影 响充 填速 度 的 问题 ． 该 项技 术 实现 了矸石 井 下处理 与 建筑 物 下煤 炭资 源的 充分 利 用． 关键 词 矸 石 充填 ；充填巷 ； 机 尾 驱动 ；自动 张 紧装 置 ； 矸 石 输送 机 ；充 填 工艺 中图分 类号 T D 8 2 3 ． 9 文献标 识 码 A Re s e a r c h o n W a s t e Fi l l i n g Te c h n o l o g y a n d I t s M a t c h i n g Eq u i p me nt i n Co a l M i ni n g ZHANG W e n - h a i 。 ～，ZHANG j i x i o n g 。 ，Z HAO j i s h e n g ，W EI S h u q u n ，j u Fe n g 。 1 ．Th e S c h o o l o f I n f o r ma t i o n a n d E l e c t r i c a l En g i n e e r i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g Te c h n o l o g y，Xu z h o u， J i a n g s u 2 2 1 1 1 6 ，C h i n a 2 ．Xi n g t a i C o a l Mi n e ，He b e i J i n n i u En e r g y Gr o u p Co ．Lt d ． ，Xi n g t a i ，He b e i 0 5 4 0 0 0，Ch i n a 3 ．S c h o o l o f Mi n i n g a n d S a f e t y En g i n e e r i n g，Ch i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g Te c h n o l o g y，Xu z h o u，J i a n g s u 2 2 1 1 1 6，Ch i n a Ab s t r a c t W he n t h e wa s t e s t o wi ng t e c hni q ue i s u s e d i n c oa l mi ni n g， t he wa s t e c o nv e y o r h as s o me p r o b l e ms wh i c h a r e 1 f r e q u e n t mo v e me n t o f t h e c o n v e y o r 。2 f r e q u e n t d i s mo u n t i n g o f i t s f r a me ，3 c o n t i n u o u s s h o r t e n i n g o f t h e c o n v e y o r b e l t ，a n d 4 t h e j o i n t b e t we e n t h e d i s c h a r g e e nd o f t h e c o nv e y or a nd t he po s i t i o n wh e r e t he wa s t e s f i l 1 ．A i m i n g a t t he s e p r ob l e ms，t he e x - i s t i n g DS P1 0 1 0 ／ 6 5 0 c o n v e y o r wh i c h wa s o f t h e h e a d - d r i v i n g s t y l e wa s t r a n s f o r me d i n t o t h e t a i l - dr i v i ng b a s e d o n t h e o r e t i c a l c a l c ul a t i on，a nd a n a u t o m a t i c t e ns i o n de vi c e wa s i ns t a l l e d f or t he t e l e s c o pi c b e l t c o nv e y o r ．I n a d di t i on，t he wa s t e f i l l i ng t e c hni qu e wa s d e s i gn e d s u c c e s s f u l l y a p pl i e d i n Xi ng do ng c o a l m i ne ．The r e s ul t s ho ws t h a t t hi s m a t c hi n g e q ui pme nt n o t on l y c a n m e e t t he r e qu i r e me nt f o r wa s t e f i l l i ng t e c hni q ue bu t a l s o i s hi g h i n f i l l i n g e f f i c i e nt ，s t a bl e i n p e r f o r m a n c e，g o o d r e l i a b i l i t y i n i t s t e n s i o n d e v i c e ， wh i c h h a s we l l s o l v e d t h e p r o b l e m o f s l o w f i l l i n g r e s ui t e d f r o m t he o l d ma t c hi ng e qu i p m e nt ． The r e f o r e，i t i s wi de l y a p pl i e d i n wa s t e t r e a t i ng of c o a l m i n e s a nd t he c o a l m i ni ng u nde r bu i l di n gs ． Ke y wo r ds wa s t e f i l l i ng；f i l l i ng r o a d wa y；t a i l dr i v i ng；a u t o m a t i c t e ns e e qu i pme nt ；wa s t e c on v e y o rf i l l i n g t e c hno l og y 收稿 日期 2 0 0 60 9 1 9 基金项 目国家 自然 科 学基 金 重大 项 目 5 0 4 9 0 2 7 3 ； 国家杰 出青 年科 学 基金 项 目 5 0 2 2 5 4 1 4 ； 中国矿 业 大学 青 年 科研 基 金项 目 oA4 4 5 3 作者筒介 张文海 1 9 6 2 一 ， 男 ， 河南省 内黄县人 ， 高级工程师 ， 从事采矿工程方面 的研究 ． E - mM i z h a n g wh a i s i n a ． c o m T e 1 ．．0 3 1 9 3 2 3 0 5 6 8 维普资讯 8 0 采矿与安全工程学报 第 2 4卷 煤炭生产中伴 随着大量的固体废弃物矸石 的 排放 ， 其传统的处理方式是 由井下提至地表堆积 ， 形成煤矿特有的地表特征“ 建筑物” 矸石山． 据不完 全统计， 目前全国历年累计堆放 的煤矸石约 4 5亿 t ， 规模较大 的矸石 山有 1 6 0 0多座 ， 占用 土地 约 1 ． 5 万 h a ， 而且堆积量每年还以 1 ． 5 ～2 ． 0亿 t 的速 度增加． 排放矸石对人类的生存环境和条件带来很 大的威胁与危害 ， 主要表现在 侵 占土地 ； 污染环 境 ； 危害人类安全[ 1 ] ． 此外 ， 我国“ 三下” 建筑物下 、 铁路下 、 水体下 积压着大量的煤炭资源． 据统计 ， 目前 我国仅统配 煤矿的生产矿井“ 三下” 压煤就达 1 3 7 ． 9 亿 t ， 其 中 建筑物下 9 4 ． 6 8 亿 t ， 占总压煤量的 6 9 [ 3 ] ． 因此 ， 如何解决建筑物等下煤炭资源 回收和矸 石 本文主要指来 自井下岩石及煤一 岩巷道 、 硐室掘 进 所 出矸 石 的井 下 处理 问题 已成 为煤 矿开 采 的重 大技术难题． 本文以河北金牛能源股份有限责任公 司邢东煤矿为例， 研究利用矸石充填开采建筑物、 工业广场煤柱的回采工艺及主要配套设备 ， 以解决 上述技 术 难题 ． 1 机尾驱动式矸 石输送机设计要求 矸石充填采煤是指利用矸石置换开采建筑物 、 工业广场煤柱 ， 其开采方式为在煤柱中先掘进矸石 充填巷进行采煤 ， 然后依次对采出煤炭的巷道由内 向外进行矸石充填． 在矸石充填过程中， 矸石充填机的充填部随充 填的进行 ， 向充填巷外部退移． 作为矸 石充填 的配 套设备矸石输送机 ， 应能随着充填部退移， 通过 自 动调整或在简单的手动调整后 ， 较快的恢复正常工 作． 而一般的输送机驱动方式属于机头驱动式 ， 在 生产中由于其体积及重量大 ， 向后退移 困难 ， 严重 影响矸石充填的速度与效率． 因此 ， 本 文主要针对 矸石充填采煤配套设备之一 的机尾驱动式矸石输 送机进行研究． 矸 石输 送机 由胶 带 、 托 辊 、 驱 动 装 置 、 机架 、 拉 紧装置和清扫装置构成[ 4 ] ， 其作为矸 石充填采煤 中的承担 自充填巷人 口至矸石充填迎头运输设备 ， 根据其运行工作状态， 应满足以下要求 1 由 于矸 石 硬 度 较 大 ， 对 矸 石 输 送 机 的 选择 应满足矸石强度的要求； 2 根据矸 石充 填机充填 部 回撤 和转动 的需 要， 矸石输送机的胶带应能适应充填部的跑偏 ； 3 矸石输送机随 自移充填部 的退移而随时张 紧 ， 应通过拉紧装置实现卸矸点与充填部的恰 当匹 配 ； 4 为提 高 拆 卸 及 回撤 速度 ， 应 尽量 减 轻 机 头 部位重 量 ． 2 机尾驱动式矸 石输送机参数确定 2 ． 1 理 论 分析计 算 机 尾 驱 动式 矸 石 输 送 机是 在 原 胶 带输 送 机 基 础上对其驱动方式进行全面改造 ， 其参数确定主要 包 括带 宽 B， 带 速 V， 驱 动 滚 筒 的 圆周 力 F ， 驱 动 滚筒所需功率 N ， 电动机所需功率 N， 分析计算 如下 E ． 1 带 宽 B与带 速 V 的确 定 最佳 带 宽与 带速 有关 ． 带宽 大 ， 以致 整机 加重 、 占地加宽、 造价升高 ， 但过分的提高带速 ， 也会带来 负面效应 ， 如所需电机功率加大， 运营费用也会提高． 另外带宽 的选择也与所运物料 的最大块度有关系． 带速是影响电动机选择的重要因素之一， 带速 的正 确选 择与 所运 物料 的种 类有 直接 关 系 ， 也 与带 宽相互制约． 一般根据煤矿的工作地质条件 ， 参考 一 定 的设 计规 范 ， 通过 输送 机稳 定性 分析 可取 适合 于该条件下的带宽和带速． 2 驱动滚筒的圆周力 F 驱动滚筒的圆周力 F 计算见式 1 F 一 g ．f l [ 2 q B q G c o s flq n o q R u ] q o Ls i n fl F。 1 F。 2 ， 1 式中 g为重力加速度 ， 9 ． 8 1 m／ s 。 ； f为模拟摩擦 因 数； L为输送 机长 度， m； q n为 每米 长输送 带 的质 量 ， k g ／ m； q c为每米 长输 送物 料 的质 量， k g ／ m； 为输送机的工作倾 角，o ； q n o 为承载分 支托辊每 米长旋转部分 的质 量， k g ／ m； q u 为 回程 分支托辊 每米长旋转部分的质量 ， k g ／ m F 为特种主要阻 力， k N； F 特种附加阻力 ， k N． 3 驱动滚筒所需功率 N 驱动滚筒所需功率 N 计算公式见式 2 F ． NA一 ， 2 式 中 为输 送 带带 速 ， m／ s ． 4 电动 机所 需功 率 N 电动机所需功率 N 计算公式见式 3 N 一 而／ q u， 3 luuu 式 中 为电机传动效率 ， 一般取 0 ． 8 5 ～0 ． 9 5 ． 2 ． 2 设 备参 数确 定 根据试验煤矿矸石充填采煤区域的采矿条件 ， 选用 D S P 1 0 1 0 ／ 6 5 0胶带输送机进 行改造， 其 主要 维普资讯 维普资讯 8 2 采矿 与安 全工程学报 第 2 4卷 3 ． 2 ． 3 矸石充填巷充填工艺 机尾驱动式矸石输送机驱动部分位于机尾， 固 定于充填巷道的出口处， 其机尾与矸石充填配巷输 送机机尾搭接． 该端 接受来 自矸 石充填配巷 的矸 石 ， 并通过矸石输送机运输到与充填机充填部衔接 的卸载端， 随着充填巷 的充填 ， 矸石输送机机头紧 跟矸石充填机不断外移 ， 其拉紧装置使矸石输送机 的胶带收缩， 使得矸石充填工作连续． 矸 石充填工 作原理示意如图 3 所示． 1 一 矸石充填配巷 ； 2 - 矸石充填巷 ； 3 - 机尾驱动式输送机 ； 4 一 矸石充填机 ； 5 - 充填矸石 ； 6 - 电机 ； 7 - 充填 配巷胶带输送 机 图 3 矸石充填工作原理示意 Fi g ． 3 Th e p r i n c i p l e o f wa s t e f i l l i n g 4工程应用 4 ． 1 应 用效 果 研制的矸石输送机在邢东煤矿进行 了应用 井 下实拍配套设备工作状态及充填巷迎头接顶情况 ， 见 图 4 ． 曩 充填机工作状态 b 机尾驱动式输送机工作状态 c 充填效果 图 4 井下实拍照片 Fi g ． 4 P h o t o s o f u n d e r g r o u n d 试 验应 用效 果如 下 1 改造后机尾驱动式矸 石输送机使工人的劳 动强度低 ， 其后撤速度快， 日矸石最大处理量可达 1 5 0 m3 ． 2 矸石输送机驱动装置安置于机尾， 增大了 充填巷 内的活动空间， 减少了设备及工作人员的安 全事故． 安设了 s Z L型可伸缩带式输送机 自动张紧 装置， 使矸石输送机胶带随充填部的后移 自动张紧． 3 矸石输送机机头卸矸端较好 的适应矸石充 填机充填部的自动移动 ， 消除了矸石输送机卸矸时 矸石外漏现象 ， 极大地提升 了矸石运输的可靠性． 4 矸 石充填工序简单 ， 充填后密实性及接顶 效果好 ， 可对覆岩层有较好的控制作用． 4 ． 2经济 效益 分析 邢东煤矿进行矸石井下处理 ， 消除了地表矸石 山对人类生存环境和条件带来的威胁与危害 ， 并取 得了以下 的经济效益 以邢东煤矿 目前每年岩巷掘 进出矸量 4 ． 0万 t ／ a 计 1 矸石充填工程固定投入合计 3 3 5 ． 8万元 ； 2 每 吨矸 石井 下处 理 费 用 1 4 ． 3元 ／ t ， 即每 年 矸 石井 下处 理 费用 为 5 7 ． 2万 元 ； 3 矸石充填所需 掘充填巷 出煤效益 1 5 9 4 ． 7 万 元 ． 综 上 可 知 ， 矸 石 充 填 工 程 每 年 新 增 利 税 1 5 9 4 ． 7 万元 ， 创 纯 利 润 1 5 3 7 ． 5万 元 ， 取 得 了较 好 的经济效益． 5 结 论 1 针对决建筑物等下煤炭资源回收和矸石井 下处 理问题， 提 出了矸石充填采煤 的研究思路， 并 成功 应用 于工 程实 践 ． 2 研制了机尾驱动式矸石输送机． 其不但可满 足矸石充填采煤工艺系统对其的性能要求 ， 而且充 填效率高、 性能稳定、 拉紧装 置的可靠性高、 运行 良 好 ， 解决了矸石充填配套设备影响充填速度的问题． 3 设计 了矸石充填采煤工艺． 在调研分析的 基础上 ， 确定矸石井下处理充填方 案为 胶带输送 机运输 ， 矸石充填机充填． 并通过邻近充填巷 距本 填巷一侧 1 5 m 的矸石充填巷 进行注浆加固． 参考 文献 [ 1 ] 张吉雄 ， 缪协兴． 煤矿 矸石井下 处理 的研 究[ J ] 。中国 矿业 大学学报 ， 2 0 0 6 ， 3 5 2 1 9 7 2 0 0 ． ZHANG J i - x i o n g ， MI AO Xi e - x i n g ． Un d e r g r o u n d d i s p o s a l o f w a s t e i n c o a l mi n e [ J ] ．J o u r n a l o f C h i n a Un i v e r s i t y o f M i n i n g Te c h n o l o g y ，2 0 0 6， 3 5 2 19 7 - 2 0 0． [ 2 ] 钱 鸣高 ， 许 家林 ， 缪协 兴． 煤矿 绿色 开采技 术 [ J ] ．中 国矿业大学学报 ， 2 0 0 3 ， 3 2 4 3 4 3 3 4 8 ． QI AN Mi n g - g a o，XU J i a - l i n，MI AO Xi e - x i n g ．Gr e e n 维普资讯 第 1期 张文海等 矸石充填采煤 工艺及配套设备研究 8 3 上接 第 7 8页 赵军 ， 蔡亚 西 ， 林元华 ．声波 测井 资料在 岩石 可钻 性及 钻头选型中 的应用 [ J ] ．测井 技术 ， 2 0 0 1 ， 2 5 4 3 05 - 3 07． Z HA0 J u n，CAI Ya - x i ，LI N Yu a n - h u a ．Ap p l i c a t i o n o f s o n i c l o g s t o r o c k d r i l l a b i l i t y a n d b i t s e l e c t i o n [ J ] ． W e U L o g g i n g Te c h n o l o g y ，2 0 01 ， 2 5 4 3 0 5 - 3 0 7 ． 楼一珊．利用声波测井计 算岩石 的力学 参数 [ J ] ．探 矿工程 ， 1 9 9 8 ， 2 5 3 ； 4 7 4 8 ． LOU Ys h a n ．Ca l c u l a t i o n o f t h e r o c k me c h a n i c a l p a r a me t e r s u s i n g a c o u s t i c we l l l o g g i n g [ J ] ．E x p l o r a t i o n En g i n e e r i n g，1 9 9 8， 2 5 3 4 7 - 4 8 ． 李祖奎 ， 李 春城 ， 袁永嵩 ， 等．利用声 波测井 资料预测 地层可钻性 及 钻速 的试 验 研 究 [ J ] ．焦作 工 学 院学 报 ， 1 9 9 9 ， 1 8 3 1 7 8 - 1 8 1 ． LI Z u - k u i ， LI Ch u n - c h e n g ， YUAN Yo n g - s o n g ， e t a 1 ． An e x p e r i me n t a l s t u d y o n t h e p r e d i c t i o n o f f o r ma - t i o n d r i l l a b i l i t y a n d r a t e o f p e n e t r a t i o n b y s o n i c l o g d a t a [ J ] ．J o u r n a l o f J i a o z u o I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y ， 1 9 9 9 ， 1 8 3 1 7 8 1 8 1 ． [ 8 ] 郭齐军 ， 瞿辉．测 井声 波时差在地层 压力预测 中的 应用 [ J ] ．中国海上 油气 地质 ， 1 9 9 7 ， 1 1 1 6 7 7 0 ． GUO Qi - j u n 。QU Hu i ．Ap p l i c a t i o n o f i n t e r v a l Tr a n - s i t t i me i n p r e d i c t i n g f o r ma t i o n p r e s s u r e [ J ] ．C h i n a Of f s h o r e Oi l a n d Ga s Ge o l o g y ， 1 9 9 7 ， 1 1 1 6 7 7 0 ． [ 9 ] 尹宏锦．实用 岩石 可钻性 [ M] ．北 京 石 油大学 出版 社 ， 1 9 8 9 ． [ 1 O 3 方 开泰．实用多元统计分析 [ M] ．上海 华东 师范大 学出版社 ， 1 9 8 0 ． [ 1 1 ] 同济大学概率统计教研组．概率统计[ M] ．上海 同 济大学 出版社 ， 2 0 0 0 ． ] ] ] 维普资讯