井下泵送矸石充填采煤技術在王河礦的應用

井下泵送矸石充填采煤技術在王河礦的應用

郭英杰

（國投河南新能開發有限公司，河南  鄭州 451191）

摘要：針對王河煤礦面臨的村莊壓煤和提高開采上限等問題，結合目前充填技術及煤礦實際開采情況，引進了井下泵送矸石充填采煤技術。簡介了該礦井的地質概況及充填系統、充填工藝等具體內用，并對其產生的經濟、社會效益進行了分析。利用泵送設備通過管道把膏體充填材料有井下泵送至采煤工作面，及時充填采空區，達到矸石不升井，綠色開采。

關鍵字：矸石充填；膏體；粉煤灰；井下

1引言

近年來，我國煤炭需求快速增長，導致開采速度加快，資源枯竭礦井增加[1-2]。但同時，我國“三下”壓煤及煤矸石排放問題嚴重[3-4]。因此，如何解決建筑物等下煤炭資源回收和矸石的井下處理問題已成為煤礦開采的重大技術難題。

王河礦1968年投產，已開采40年，可采儲量已十分有限，目前礦井產量穩定在45萬t／a以上。工作面上方地表大部分區域為村莊下面，村莊內多數為居民小樓,王河礦存在著十分嚴重的村莊建筑物壓煤問題。 根據王河礦現有資源分布, 煤礦采深已達800m左右， 個別煤層僅剩少量煤柱可供開采, 為了最大程度地開采利用煤炭資源和延長老礦井服務年限，所以急需要一種高出采率不遷村綠色采煤技術。為此，本文以王河煤礦10903(西）工作面為試驗地點，并提出了井下泵送矸石充填采煤的新技術，工作面采空區采用完全充填法處理, 從而充分利用寶貴的煤炭資源, 減少生產成本, 降低采空區掘進率, 提高經濟和生產效益。

2井下泵送矸石充填技術簡介

井下泵送矸石充填技術是將井下原生矸石經轉載到卸載站后，經碎石機破碎后卸至矸石倉內，將破碎矸石料添加水和其它輔料，在攪拌機作用下充分攪拌成似膏體狀，再經煤礦用混凝土泵通過管路充填到采空區。為了減小井下矸石對原煤質量的影響、運輸的壓力和提高以矸換煤效率，特別是在當今強調環境保護，實現可持續發展之路，在井下分離矸石，向采空區充填不僅可以減少運輸費用、地面堆積占地費用、地表塌陷、環境治理等費用，而且還減少對環境的污染。該技術的應用真正能幫助國內礦山企業走綠色開采、節能減排，可持續健康發展的道路[5]。特別適用于“三下一上”采煤、保水開采、堅硬頂板管理等。

3 系統膏體充填能力的確定

系統膏體充填能力的確定要滿足以下三個原則：①系統膏體充填能力要滿足工作面煤炭生產能力的需要，提高生產經濟效益；②不影響回采工作面安排正規作業循環；③最大程度的利用充填設備能力。

10903煤層工作面采用走向長壁后退式布置，高檔炮采采煤工藝。工作面平均設計長度為210m，日采煤推進步距為2.4m，采高為1.09m。則每天可充填采空區容積：y=210×2.4×1.09=549.36m3，每天產量：549.36×1.60=878.976t(按原煤密度：1.60t／m3計)。年產量：878.976t/d×360d×0.95 =30.06萬t/a。因每天所需充填膏體549.36 m3，選用泵送能力為50 m3／h的ZJB/Bp-50型大流量注漿泵，每次系統膏體充填時間為549.36÷50=10.98h，充填膏體凝固達到標準硬度所需時間為8h。則在不考慮安裝擋矸竹笆塑料帶、壘矸石隔離墻的前提下，每班充填循環所用總時間為8+10.98=18.98h。

4工作面基本條件

該礦為鶴煤集團的整合煤礦，設計生產能力45萬t/a，開采一1煤，立井單水平下山開拓，走向長臂采煤法。10903（西）工作面井下位置位于我礦109（西）采區東翼上部部，標高在-41.7m～-85m之間。該工作面走向長550m,傾向寬平均170m，回采面積96250㎡，該工作面東部為10902工作面，上部為10901（西）工作面﹙已回采﹚，西部以109（西）采區軌道下山為界，北部為10905（西）上順槽。地面對應位置位于劉河鎮劉河村南溝，地形屬丘陵階地，標高在+205.7m～+224.8m之間，該工作面煤層距地面垂深247.47m～309.8m。

10903（西）工作面開采石炭系太原群一1煤層，該煤層賦存穩定，為黑色塊狀，以亮煤為主，煤層中間均勻含0.05～0.1m夾矸一層，但上順槽24#至33#之間范圍內，夾矸厚度自0.2--1.0 m不等，但未涉及下順槽。煤層產狀為：走向N105°E，傾向N15°E，傾角12°～14°，煤層厚度平均1.09m。

10903工作面煤層直接頂板為石灰巖，呈灰色及灰黑色厚層狀，厚度平均10.4 m，富含蜓科及海百合化石、燧石結核，堅硬，局部裂隙較為發育。直接底板為本溪組鋁土泥巖，平均厚度9.18m,上部為淺灰色豆狀及塊狀鋁土泥巖，下部為淺灰色，含黃鐵礦兩層，頂部為0.3m厚炭質泥巖。老底為奧陶系石灰巖，厚度約130 m，灰色、黃灰色及深灰色，上部為泥質灰巖，含泥質條帶，具溶蝕現象，夾方解石脈。

5現場操作 

 5.1主要充填設備及其技術參數

（1）破碎機：采用2PC-1000×800雙轉子錘式煤用破碎機。該機的功能相當于兩臺錘式破碎機合二為一，完整的組合成一個整體，兩套轉子串連在一起使用；為了能夠使矸石破碎后顆粒含量（不大于3毫米）一次滿足泵送要求，自己設計蝸牛式碎石機篩板；

（2）攪拌機：根據王河煤礦矸石充填區域的礦井條件，礦用混凝土攪拌機選用生產能力為45-60m3/h的D-1000D型號，一次攪拌就能滿足泵送需求；

（3）輸送管道：為了保證輸送管路的安全性，采用雙槽管卡和耐30MPa高壓管路；

（4）翻車機：采用翻轉角度能夠達到180度的KCY-I型輕型翻車機，次機翻車平穩；

5.2充填系統

王河煤礦泵送矸石充填開采的總體方案為：在井下建立充填站， 掘進迎頭產生的原生矸石，經耙裝機耙裝到1噸礦車內，再經過機車運輸到1噸礦車翻車機，卸到梭礦溜子后，給料到破碎機進行矸石破碎，破碎后的矸石進入矸石緩沖倉（或用大型梭礦溜子代替），將矸石緩沖倉的矸石經皮帶或直接供給攪拌機，加粉煤灰進行攪拌，再將攪拌均勻后的料直接供給輸送泵，經輸送泵液壓工作系統，通過充填管路直接輸送到工作面采空區進行充填，完成充填工藝。10903 充填開采工作面是王河礦首個采用膏體充填采煤的工作面，充填系統主要有充填料儲運系統、膏體制備系統、管道輸送系統、作業面充填子系統等幾部分組成，膏體充填系統組成如圖1所示。

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                     圖1 膏體充填系統

5.3充填工藝

10903充填開采主要工藝流程為：巡查充填管路→掛擋矸竹笆塑料帶→壘矸石墻→管道沖水→依次充填→水推矸石漿，充填工作結束。

工作面泵送矸石膏體充填工藝流程：

（1）推采控頂距達到6.4m時，在溜子以東第二個支柱空檔內敷設充填管路，自下巷上幫壘砌傾斜長度大于4.0m的矸石垛。

（2）按照“自下向上，見六充三、”順序，分段回柱充填，每段長度為6~9m。充填點采用慢彎90°鋼管子短節過渡伸入充填區內，其長度必須小于0.8m，高度大于1.0m。采用單體柱配合刮板鏈抬高充填處管路，起吊時刮板鏈同管路必須固定牢固，人員緩慢注液將管路吊起，不許將身體部位進入充填管路的下方。為防止充填時矸石漿向上流淌。在每段充填迎頭壘擋矸墻，擋矸墻厚度不得小于于0.6m。

（3）靠邊排用塑料彩帶、竹芭封閉時，竹芭傾斜壓茬不得低于0.5m，在支設邊排密集柱時上端（包括塑料彩帶）一同升在頂板上。塑料彩帶底部預留長度不少于0.3m，鋪在底板上用塑料編織袋裝入碎矸石或底板泥掩埋。

（4）、充填泵啟動前，由現場班長、安監員認真檢查管子固定可靠狀況，及管接頭對接是否嚴密。如存在不安全隱患時應立即整改，否則嚴禁充填工作。

（5）充填時要密切觀察工作面及充填區頂板動態，發現異常現象，必須立即發出警報，撤離所有人員，待頂板穩定后，方可繼續施工。

（6）每次充填完成后，用電話聯系充填泵站停止供料，然后方可掐縮管路及回柱工作。處理管內存留矸石余矸采用高壓注液槍進行清理。

（7）拆卸后的管子，擺放在充填區以東支柱空檔內，碼放整齊不得妨礙行人及運料。在搬運鋼管時妨礙的支柱，嚴格執行先支后回的規定，嚴禁空頂作業。搬運管子時，用長繩拴住管子控制下滑，不得任意放手，防止意外下滑傷人，當班班組長現場指揮，人員要密切配合，用力一致。

（8）回柱時必須安排工作經驗豐富的人員操作，帶齊工具，一人觀察頂板，一人回撤支柱，嚴格按照“自下而上、由里向外”的順序進行回撤。

（9）回出的每列支柱做為臨時支柱，分別支設在邊排和次邊排正規支柱空檔內，其中邊排空檔支設2棵，另一棵支設在次邊排東側0.2m位置，回出的鐵鞋對應掛在支柱手把體上。

（10）為防止工作面充填期間前進式下巷迎頭積水，臨時水窩始終保持在前進式下巷迎頭，用風泵抽排積水。每班安專人負責看管清理水窩，以保持正常疏水。

（11）采空區充填期間，如充填材料水分過多，充填負責人及時通知充填泵房停止充填，立即調整充填材料的配比。對充填區邊排安專人巡查，對封堵不嚴的地點必須重新加固，嚴禁泥漿外溢，工作面出現失效變形支柱及時更換撤除。

（12）當充填點至距“上巷下幫煤壁”30節時，工作面開始組織正常生產，在組織出煤的同時將未充填范圍段充實。工作面上部充填溜子以東不得超過7排正規支柱。

5.4充填膏體材料使用量

推薦采用水玻璃+水泥作為充填膏體粘結劑，另外適量添加矸石、粉煤灰和水，膏體質量濃度設計為81％，混合充填膏體可泵時間為2．6h，坍落度初始值為200mm,充填膏體凝固后，8 h齡期強度能夠達到0.614MPa，16h齡期后能達到1.032MPa。充填材料的質量比為：煤矸石：粉煤灰：水泥=100:3:8。

6 經濟與社會效益分析

6.1經濟效益

王河煤礦10906矸石充填工作面開采煤量為 16.78 萬t。按照每噸煤利潤300元計算，采煤利潤 為5034萬元，經濟效益十分顯著。

6.2社會效益

為了解決村莊壓煤問題，采用井下泵送矸石膏體充填采煤技術，不僅增加了煤炭采出率, 降低了生產成本,而且消除了矸石堆積地面造成的環境污染問題，符合國家綠色開采的政策, 延長了老礦井開采年限。

7 結語

(1)泵送矸石充填技術符合錢鳴高院士提出的綠色開采理論，可以有效解決“三下”壓煤的問題，防止采空區塌陷，其經濟、社會效益良好。

(2) 井下泵送矸石膏體充填采煤技術不僅提高了村莊下煤炭采出率,延長了老礦井服務年限, 而且實現了矸石不升井,改善了礦區周邊環境, 為我國像似條件下的“三下”壓煤合理回收開拓了一條新的采煤方法。

(3) 井下泵送矸石膏體充填采煤技術實現了潔凈開采，以其高效率、充填工藝簡單、機械化程度高、低勞動強度等特點，為實現我國煤礦綠色開采發現了一條新途徑，在煤炭行業具有極高的推廣應用價值。

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