井下泵送矸石充填采煤技术在王河矿的应用

井下泵送矸石充填采煤技术在王河矿的应用

郭英杰

（国投河南新能开发有限公司，河南  郑州 451191）

摘要：针对王河煤矿面临的村庄压煤和提高开采上限等问题，结合目前充填技术及煤矿实际开采情况，引进了井下泵送矸石充填采煤技术。简介了该矿井的地质概况及充填系统、充填工艺等具体内用，并对其产生的经济、社会效益进行了分析。利用泵送设备通过管道把膏体充填材料有井下泵送至采煤工作面，及时充填采空区，达到矸石不升井，绿色开采。

关键字：矸石充填；膏体；粉煤灰；井下

1引言

近年来，我国煤炭需求快速增长，导致开采速度加快，资源枯竭矿井增加[1-2]。但同时，我国“三下”压煤及煤矸石排放问题严重[3-4]。因此，如何解决建筑物等下煤炭资源回收和矸石的井下处理问题已成为煤矿开采的重大技术难题。

王河矿1968年投产，已开采40年，可采储量已十分有限，目前矿井产量稳定在45万t／a以上。工作面上方地表大部分区域为村庄下面，村庄内多数为居民小楼,王河矿存在着十分严重的村庄建筑物压煤问题。 根据王河矿现有资源分布, 煤矿采深已达800m左右， 个别煤层仅剩少量煤柱可供开采, 为了最大程度地开采利用煤炭资源和延长老矿井服务年限，所以急需要一种高出采率不迁村绿色采煤技术。为此，本文以王河煤矿10903(西）工作面为试验地点，并提出了井下泵送矸石充填采煤的新技术，工作面采空区采用完全充填法处理, 从而充分利用宝贵的煤炭资源, 减少生产成本, 降低采空区掘进率, 提高经济和生产效益。

2井下泵送矸石充填技术简介

井下泵送矸石充填技术是将井下原生矸石经转载到卸载站后，经碎石机破碎后卸至矸石仓内，将破碎矸石料添加水和其它辅料，在搅拌机作用下充分搅拌成似膏体状，再经煤矿用混凝土泵通过管路充填到采空区。为了减小井下矸石对原煤质量的影响、运输的压力和提高以矸换煤效率，特别是在当今强调环境保护，实现可持续发展之路，在井下分离矸石，向采空区充填不仅可以减少运输费用、地面堆积占地费用、地表塌陷、环境治理等费用，而且还减少对环境的污染。该技术的应用真正能帮助国内矿山企业走绿色开采、节能减排，可持续健康发展的道路[5]。特别适用于“三下一上”采煤、保水开采、坚硬顶板管理等。

3 系统膏体充填能力的确定

系统膏体充填能力的确定要满足以下三个原则：①系统膏体充填能力要满足工作面煤炭生产能力的需要，提高生产经济效益；②不影响回采工作面安排正规作业循环；③最大程度的利用充填设备能力。

10903煤层工作面采用走向长壁后退式布置，高档炮采采煤工艺。工作面平均设计长度为210m，日采煤推进步距为2.4m，采高为1.09m。则每天可充填采空区容积：y=210×2.4×1.09=549.36m³，每天产量：549.36×1.60=878.976t(按原煤密度：1.60t／m³计)。年产量：878.976t/d×360d×0.95 =30.06万t/a。因每天所需充填膏体549.36 m³，选用泵送能力为50 m³／h的ZJB/Bp-50型大流量注浆泵，每次系统膏体充填时间为549.36÷50=10.98h，充填膏体凝固达到标准硬度所需时间为8h。则在不考虑安装挡矸竹笆塑料带、垒矸石隔离墙的前提下，每班充填循环所用总时间为8+10.98=18.98h。

4工作面基本条件

该矿为鹤煤集团的整合煤矿，设计生产能力45万t/a，开采一1煤，立井单水平下山开拓，走向长臂采煤法。10903（西）工作面井下位置位于我矿109（西）采区东翼上部部，标高在-41.7m～-85m之间。该工作面走向长550m,倾向宽平均170m，回采面积96250㎡，该工作面东部为10902工作面，上部为10901（西）工作面﹙已回采﹚，西部以109（西）采区轨道下山为界，北部为10905（西）上顺槽。地面对应位置位于刘河镇刘河村南沟，地形属丘陵阶地，标高在+205.7m～+224.8m之间，该工作面煤层距地面垂深247.47m～309.8m。

10903（西）工作面开采石炭系太原群一1煤层，该煤层赋存稳定，为黑色块状，以亮煤为主，煤层中间均匀含0.05～0.1m夹矸一层，但上顺槽24#至33#之间范围内，夹矸厚度自0.2--1.0 m不等，但未涉及下顺槽。煤层产状为：走向N105°E，倾向N15°E，倾角12°～14°，煤层厚度平均1.09m。

10903工作面煤层直接顶板为石灰岩，呈灰色及灰黑色厚层状，厚度平均10.4 m，富含蜓科及海百合化石、燧石结核，坚硬，局部裂隙较为发育。直接底板为本溪组铝土泥岩，平均厚度9.18m,上部为浅灰色豆状及块状铝土泥岩，下部为浅灰色，含黄铁矿两层，顶部为0.3m厚炭质泥岩。老底为奥陶系石灰岩，厚度约130 m，灰色、黄灰色及深灰色，上部为泥质灰岩，含泥质条带，具溶蚀现象，夹方解石脉。

5现场操作 

 5.1主要充填设备及其技术参数

（1）破碎机：采用2PC-1000×800双转子锤式煤用破碎机。该机的功能相当于两台锤式破碎机合二为一，完整的组合成一个整体，两套转子串连在一起使用；为了能够使矸石破碎后颗粒含量（不大于3毫米）一次满足泵送要求，自己设计蜗牛式碎石机筛板；

（2）搅拌机：根据王河煤矿矸石充填区域的矿井条件，矿用混凝土搅拌机选用生产能力为45-60m³/h的D-1000D型号，一次搅拌就能满足泵送需求；

（3）输送管道：为了保证输送管路的安全性，采用双槽管卡和耐30MPa高压管路；

（4）翻车机：采用翻转角度能够达到180度的KCY-I型轻型翻车机，次机翻车平稳；

5.2充填系统

王河煤矿泵送矸石充填开采的总体方案为：在井下建立充填站， 掘进迎头产生的原生矸石，经耙装机耙装到1吨矿车内，再经过机车运输到1吨矿车翻车机，卸到梭矿溜子后，给料到破碎机进行矸石破碎，破碎后的矸石进入矸石缓冲仓（或用大型梭矿溜子代替），将矸石缓冲仓的矸石经皮带或直接供给搅拌机，加粉煤灰进行搅拌，再将搅拌均匀后的料直接供给输送泵，经输送泵液压工作系统，通过充填管路直接输送到工作面采空区进行充填，完成充填工艺。10903 充填开采工作面是王河矿首个采用膏体充填采煤的工作面，充填系统主要有充填料储运系统、膏体制备系统、管道输送系统、作业面充填子系统等几部分组成，膏体充填系统组成如图1所示。

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                     图1 膏体充填系统

5.3充填工艺

10903充填开采主要工艺流程为：巡查充填管路→挂挡矸竹笆塑料带→垒矸石墙→管道冲水→依次充填→水推矸石浆，充填工作结束。

工作面泵送矸石膏体充填工艺流程：

（1）推采控顶距达到6.4m时，在溜子以东第二个支柱空档内敷设充填管路，自下巷上帮垒砌倾斜长度大于4.0m的矸石垛。

（2）按照“自下向上，见六充三、”顺序，分段回柱充填，每段长度为6~9m。充填点采用慢弯90°钢管子短节过渡伸入充填区内，其长度必须小于0.8m，高度大于1.0m。采用单体柱配合刮板链抬高充填处管路，起吊时刮板链同管路必须固定牢固，人员缓慢注液将管路吊起，不许将身体部位进入充填管路的下方。为防止充填时矸石浆向上流淌。在每段充填迎头垒挡矸墙，挡矸墙厚度不得小于于0.6m。

（3）靠边排用塑料彩带、竹芭封闭时，竹芭倾斜压茬不得低于0.5m，在支设边排密集柱时上端（包括塑料彩带）一同升在顶板上。塑料彩带底部预留长度不少于0.3m，铺在底板上用塑料编织袋装入碎矸石或底板泥掩埋。

（4）、充填泵启动前，由现场班长、安监员认真检查管子固定可靠状况，及管接头对接是否严密。如存在不安全隐患时应立即整改，否则严禁充填工作。

（5）充填时要密切观察工作面及充填区顶板动态，发现异常现象，必须立即发出警报，撤离所有人员，待顶板稳定后，方可继续施工。

（6）每次充填完成后，用电话联系充填泵站停止供料，然后方可掐缩管路及回柱工作。处理管内存留矸石余矸采用高压注液枪进行清理。

（7）拆卸后的管子，摆放在充填区以东支柱空档内，码放整齐不得妨碍行人及运料。在搬运钢管时妨碍的支柱，严格执行先支后回的规定，严禁空顶作业。搬运管子时，用长绳拴住管子控制下滑，不得任意放手，防止意外下滑伤人，当班班组长现场指挥，人员要密切配合，用力一致。

（8）回柱时必须安排工作经验丰富的人员操作，带齐工具，一人观察顶板，一人回撤支柱，严格按照“自下而上、由里向外”的顺序进行回撤。

（9）回出的每列支柱做为临时支柱，分别支设在边排和次边排正规支柱空档内，其中边排空档支设2棵，另一棵支设在次边排东侧0.2m位置，回出的铁鞋对应挂在支柱手把体上。

（10）为防止工作面充填期间前进式下巷迎头积水，临时水窝始终保持在前进式下巷迎头，用风泵抽排积水。每班安专人负责看管清理水窝，以保持正常疏水。

（11）采空区充填期间，如充填材料水分过多，充填负责人及时通知充填泵房停止充填，立即调整充填材料的配比。对充填区边排安专人巡查，对封堵不严的地点必须重新加固，严禁泥浆外溢，工作面出现失效变形支柱及时更换撤除。

（12）当充填点至距“上巷下帮煤壁”30节时，工作面开始组织正常生产，在组织出煤的同时将未充填范围段充实。工作面上部充填溜子以东不得超过7排正规支柱。

5.4充填膏体材料使用量

推荐采用水玻璃+水泥作为充填膏体粘结剂，另外适量添加矸石、粉煤灰和水，膏体质量浓度设计为81％，混合充填膏体可泵时间为2．6h，坍落度初始值为200mm,充填膏体凝固后，8 h龄期强度能够达到0.614MPa，16h龄期后能达到1.032MPa。充填材料的质量比为：煤矸石：粉煤灰：水泥=100:3:8。

6 经济与社会效益分析

6.1经济效益

王河煤矿10906矸石充填工作面开采煤量为 16.78 万t。按照每吨煤利润300元计算，采煤利润 为5034万元，经济效益十分显著。

6.2社会效益

为了解决村庄压煤问题，采用井下泵送矸石膏体充填采煤技术，不仅增加了煤炭采出率, 降低了生产成本,而且消除了矸石堆积地面造成的环境污染问题，符合国家绿色开采的政策, 延长了老矿井开采年限。

7 结语

(1)泵送矸石充填技术符合钱鸣高院士提出的绿色开采理论，可以有效解决“三下”压煤的问题，防止采空区塌陷，其经济、社会效益良好。

(2) 井下泵送矸石膏体充填采煤技术不仅提高了村庄下煤炭采出率,延长了老矿井服务年限, 而且实现了矸石不升井,改善了矿区周边环境, 为我国像似条件下的“三下”压煤合理回收开拓了一条新的采煤方法。

(3) 井下泵送矸石膏体充填采煤技术实现了洁净开采，以其高效率、充填工艺简单、机械化程度高、低劳动强度等特点，为实现我国煤矿绿色开采发现了一条新途径，在煤炭行业具有极高的推广应用价值。

参考文献：

[1]缪协兴，张吉雄，郭广礼．综合机械化固体充填采煤方法与技术研究[J]．煤炭学报，2010(1)．

[2]黄玉诚，孙恒虎，孙希奎。等．膏体充填不迁村采煤[J]．中国矿业大学学报，2004(2)．

[3]周华强，侯朝炯，时召兵，等．膏体充填建筑物下采煤可行性探讨[J]．煤炭科学技术，2003(10)．

[4]华心祝．高水速凝材料泵送充填技术在我国煤矿的应用[J]．矿业安全与环保，1996(3)．

[5]李乃梁，冯光明，李宗国．复合固结体巷式充填全采技术应用研究[J]．煤矿开采，2010，15(1)：50—53．

[5]张文海，张吉雄，赵计生，等．矸石充填采煤工艺及配套设备研究[J]．采矿与安全工程学报，2007，24(1)： 79—83．

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