小保當煤礦矸石充填技術研究及應用

胡 伯

(煤炭工業規劃設計研究院有限公司，北京 100120)

煤炭資源是最重要的基礎能源之一，是保障國家能源安全的重要因素[1]，對我國經濟建設和社會發展起到了重要的支撐作用[2]。在煤礦開采的過程中，也在不斷地排放著各類工業固體廢棄物[3]。傳統的矸石處理方式是將其堆放在地表[4]，大量煤矸石堆積如山[5]，占用大量的土地面積，污染大氣環境[6]，嚴重制約著我國綠色礦山建設和綠色化開采[7]。充填開采在有效處理煤矸石方面有著與生俱來的優勢[8]。紅山礦井矸石回填采用巷式充填，提高礦井的資源回收利用率，延長礦井服務年限[9]。中峪礦井采用井下分選，井下充填，提高煤矸石的井下綜合利用率[10]。常村煤礦采用井下塊煤分選系統實現矸石不升井，將洗選矸石作為充填材料進行“三下”采煤[11]。舒安東等研究了煤矸石對充填材料密實度的影響，找到了最優值[12]。新疆潤田煤礦通過對比綜合機械化矸石充填采煤、短壁膠結充填采煤和短壁干式充填采煤三種方法，找到了最適合潤田煤礦的充填采煤法[13]。黃鵬等對矸石充填體的黏彈性特征進行了研究，找到了矸石充填體在深部礦體充填時的響應規律[14]。本文根據小保當煤礦地質條件及開采情況，以掘進矸石不出井、洗選矸石以井下充填為目標，通過對多種充填方法和井下矸石分選方法的比較，對小保當煤礦矸石充填的關鍵問題進行了分析和研究。

1 礦井概況

陜西小保當礦業有限公司下屬小保當一號、二號礦井及選煤廠。小保當一號礦井建設規模1500萬t/a，小保當二號煤礦建設規模1300萬t/a，配套建設選煤廠，一二號井聯合布置工業場地及洗煤廠，位于井田中央。小保當一號、二號礦井矸石巖性為粉砂巖、炭質泥巖、泥巖?；曳制骄禐?3.22%、72.23%。對各煤層及頂底板、夾矸樣品的12種微量元素進行了測試，12種微量元素含量很低，均未達到可供利用的品位要求，且其發熱量不滿足《煤矸石綜合利用管理辦法》(2014年修訂版)中對關于用于煤矸石發電項目的煤矸石收到基低位發熱量不低于5020kJ/kg的要求?？梢?，從近、中遠期看，井下充填是最佳的處理方案。

2 充填方式選擇

2.1 充填方法對比

目前，煤炭礦山已經形成了超高水材料、膏體材料和矸石固體三種不同形式的充填采煤方式[15]。從充填區域又可以分為長壁工作面充填開采、巷道式充填開采、旺格維利采煤方法充填和廢舊巷道矸石充填等4種方式。

1)長壁工作面充填開采優點：有效地避免矸石地面排放帶來的環境問題，具有較好的環境效益；抑制煤層及頂底板的動力現象，減輕煤炭開采對地表的影響，減少和避免地表塌陷；控制導水裂隙帶發育，對于實現保水開采較為有利；減少沖擊地壓幾率、瓦斯積聚空間，降低采空區突水、瓦斯爆炸、有害氣體突出、浮煤自燃等事故發生可能性，提高礦井安全保障程度。缺點：矸石充填量大；隨采隨充，工藝復雜，設備投資較大；現有工作面采煤設備改造難度大；充填用時較長，影響工作面推進速度和礦井產量。

2)巷道式充填開采優點：工藝較簡單，有效地避免矸石地面排放帶來的環境問題，同時又置換出“三下”煤炭及邊角煤資源，具有較好的經濟效益和環境效益；巷道式充填工藝、技術和充填設備均較為成熟，資金投入較小、工藝靈活；采煤和充填工序相互影響小。缺點：掘進機采煤效率低，采煤巷道推進速度慢；僅適合局部充填開采；充填矸石量少；對于厚度較大的煤層，煤炭回收率較低。

3)旺格維利采煤方法充填優點：充填空間較大，充填矸石量大；采充獨立，互不影響；可以實現地面保護與資源回收的最大統一。缺點：需要專門的充填區；需配備專門的連續采煤機等設備，設備投入較大。

4)廢舊巷道矸石充填優點：技術或工藝難度，資金投入最少，最簡單有效地避免矸石地面排放帶來的環境問題；避免新掘充填巷道的能源消耗，減輕巷道維護量與巡檢量，同時提升了廢舊巷道的重復利用價值。缺點是充填量相對較少。

從以上充填方法看，若條件許可，生產中應優先選擇長壁工作面充填開采，該方法不僅可以解決矸石充填利用問題，更重要的是可以減少采空區垮落空間，進而減小導水裂隙帶發育高度，實現最大限度的保水采煤；初期對于地面保護要求較低的區域，可考慮固體充填，即直接進行工作面矸石充填；后期對于地面保護要求較高的區域，如村莊等地面建構筑物下，可考慮膏體充填；其次應考慮綜合充填工藝，即旺格維利采煤法充填，初期可選擇專門的充填采區，為生產中逐步試驗在地面水源地保護區下充填開采提供試驗數據，實現資源回收與地面保護的雙贏?？紤]到小保當一號、二號礦井都是新建的千萬噸級大型礦井，礦井的采煤量大，充填矸石量小，初期無法滿足長壁工作面充填開采所需矸石量。因此，兩個礦井近期煤矸石井下充填設計更適用巷道充填和旺格維利綜合充填的方式。

2.2 井下矸石分選

井下矸石分選技術是破解傳統煤炭生產環境問題的關鍵技術之一，是我國選煤工業的一個科學發展方向。其特點是：將選煤系統建設在井下硐室和巷道中，在井下完成煤矸分離，矸石作為井下充填原料，或直接充填采空區，僅需要將精煤產品升井入地面倉儲。通過采煤、選煤、充填技術的集成和耦合，實現采選充一體化，即處理了矸石廢棄物，又能提高煤炭資源回收率，實現低碳、循環、綠色發展。根據小保當煤礦開采情況，井下采用智能干選技術分選300～100mm原煤中的矸石，在礦井井下各自建設兩套處理能力180 t/h的智能干選系統，可滿足矸石分選需要。

井下矸石分選后，可根據矸石充填方式、充填地點綜合選擇充填工藝流程：①矸石倉下給煤機→破碎機(<150mm)→可伸縮帶式輸送機→工作面高位后掛式刮板輸送機→充填采空區；②矸石倉下給煤機→破碎機(<150mm)→可伸縮帶式輸送機→自移式充填拋矸機→充填巷道；③破碎機(≤40mm)→連續式強力攪拌機→定量分級加水裝置→煤礦防爆專用混凝土輸送泵→低摩阻復合管道→充填巷道或采空區(充填材料為單一的矸石和礦井水)。

根據小保當一、二號礦井的生產能力，通過井下矸石分選，可以將洗選矸石全部用于廢舊巷道充填和區域充填，實現洗選矸石不升井。

3 充填方案

3.1 小保當矸石資源量

小保當一、二號礦井矸石產量見表1[16]。

表1 小保當一、二號礦井矸石產量

3.2 矸石充填區域可充填量分析

根據小保當一號礦井的排采計劃安排，工作面輔助運輸巷間聯絡橫川及帶式輸送機運輸巷可用于煤矸石井下充填[17，18]。小保當一號礦井首采工作面巷道每隔150m設一處聯絡巷，其它工作面采用連采機掘進方式每隔50m設一處聯絡巷。首采工作面巷道年推進長度為5643m，將設置38處長度為20m的聯絡巷，每個聯絡巷凈斷面18m2，38處聯絡巷的體積為13680m3；工作面帶式輸送機運輸巷5643m，凈斷面22.1m2，其體積為124710m3。

礦井達產第一年首采工作面推進完畢，可帶來廢舊充填空間為138390m3，按充填率55%和煤矸石密度2.0t/m3計算，首采工作面廢舊巷道每年可充填煤矸石合計15.22萬t；在后續的接續工作面，按照工作面巷道年推進長度為5643m，將設置112處長度為20m的聯絡巷，其聯絡巷及帶式輸送機運輸巷可帶來廢舊充填空間165030m3，按充填率55%和煤矸石密度2.0t/m3計算，接續工作面廢舊巷道每年可充填煤矸石合計18.15萬t，其中采用全部掘進矸石8萬t/a和部分洗選矸石10.15萬t/a用于充填。同理估算，小保當二井的首采工作面的聯絡橫川及帶式輸送機運輸巷可充填矸石15.0萬t/a；接續工作面廢舊巷道每年可充填煤矸石合計18.0萬t/a。

考慮到小保當一二號井聯合布置工業場地及洗煤廠，小保當一號礦井未能綜合利用的煤矸石可以規劃至二號礦井充填區集中充填。礦井投產第一年，煤矸石產量為38.57萬t，一號井廢舊巷道可充填15.22萬t，剩余23.35萬t規劃至二號礦井充填區充填；礦井投產8.0Mt/a時的接續工作面，一號井廢舊巷道可充填18.15萬t，剩余20.42萬t可規劃至二號礦井充填區充填。

設計在二號礦井風井場地東北側2-2煤層布置井下矸石充填區。充填區西側邊界為132201綜采面回風巷，南側、東側邊界為工廣及鐵路煤柱，北側邊界為2-2煤煤層分叉線。充填區長約1.3km，寬約170m，面積0.219km2。由充一區、充二區組成。充填區一區在充填區域南側，充填區一區開拓布置如圖1所示。該區域一水平2-2煤厚平均3.8m，區域煤炭資源量110萬t，該充填區按煤炭回收率50%計算，可回收煤炭資源50萬t，并形成矸石充填空間83.22萬m3，按煤矸石充填率55%和煤矸石密度2.0t/m3計算，該充填區2-2煤可充填煤矸石量為91.54萬t。

小保當一號礦井東北部區域存在著大片村莊及海子，壓占著大片煤炭資源難以開發。根據留設的保護煤柱邊界估算，該片區域面積約16.60km2，按照2-2煤層平均厚度4.5m為例，該區域僅2-2煤層壓覆煤炭資源9860.4萬t。充填區按煤炭回收率50%計算，僅2-2煤可回收煤炭資源4930.2萬t，并形成矸石充填空間3735萬m3，未來僅此一個充填區即可完全消化掉兩個礦井的矸石量。

3.3 煤矸石井下充填工藝

1)矸石運輸。根據礦井實際生產需要，設計考慮地面選煤廠矸石采用無軌膠輪車運輸下井。礦井投產時，根據充填矸石運輸距離、運輸量，經計算一號井選用WC8E型后翻自卸式防爆膠輪車32輛，二號井選用30量，其中各檢修備用5輛，合計共配備WC8E型后翻自卸式防爆膠輪車62輛。

2)矸石堆棄工藝。矸石井下廢棄巷道堆棄利用防爆無軌膠輪車進行，在地面裝車后通過副斜井運輸到井下廢棄巷道，通過防爆無軌膠輪車自帶的液壓裝置自卸到巷道內駛出，然后再利用煤礦防爆裝載機轉載拋矸機，通過拋矸機實現對矸石拋擲巷道迎頭，完成充填巷道的目的。巷道充填完成后砌筑密閉墻封閉。

3)初期矸石平衡?？紤]到旺格維利采煤充填方法的靈活性，該充填區可以靈活地增加連續采煤機數量或其工作量，布置出多個采硐室，以保證煤矸石充填的周轉平衡。

圖1 充填區一區開拓布置(m)

4 結 論

1) 針對小保當煤礦的實際地質條件、開采情況和矸石產量，提出了以井下矸石分選為基礎，分區分階段進行充填開采的工藝路線。

2)通過對礦井生產能力和矸石產量的分析，在綜合考慮資源最大回收率的基礎上，小保當煤礦一、二號井采用的近期廢舊巷道充填方法，中遠期在一號礦井東北部進行區域充填的方法，可以有效處理生產產生的矸石，實現掘進矸石、洗選矸石不出井的建設目標。