煤礦井下采選充采一體化技術(shù)及在工程中的應(yīng)用

董易鑫

（鐵法煤業(yè)（集團）有限責任公司小康煤礦，遼寧 調(diào)兵山）

在放頂煤開采技術(shù)應(yīng)用、薄煤層開采量增大的情況下，工作面煤層頂及夾板處矸石量增多，導(dǎo)致原煤中混合矸石量較以往有所增加。傳統(tǒng)未經(jīng)分選直接向地面運送原煤，再由煤廠實施排矸作業(yè)的工作方式導(dǎo)致地面矸石大量堆積[1]。而建筑下、鐵路下、水體下壓煤現(xiàn)象的存在導(dǎo)致煤礦無法完全開采且存在地表沉陷隱患，為解決這些問題，需要引入煤礦井下采選充采一體化技術(shù)。

1 工程概況

某礦業(yè)集團下屬分公司具有大型生產(chǎn)礦井，年產(chǎn)能為400 萬t，礦井井田面積為37 km2的礦井井田。礦區(qū)煤系地層厚度較大，總厚度達508 m?？刹擅簩訉訑?shù)分別為5 層、8 層、9 層與12 層，各層厚度均值為18.8 m。目前，該煤礦常用的采煤工藝主要有兩種，一是綜采，二是綜放。分析充填采煤區(qū)的地質(zhì)條件發(fā)現(xiàn)，該區(qū)地層傾角呈北部小、南部大的分布趨勢，充填區(qū)地形向南傾斜，煤層傾角為近水平+緩傾斜煤層形式。此外，充填區(qū)地表密集大量建筑物，存在顯著的壓煤問題，剩余可采儲量中，壓煤比例約為80%，且該礦區(qū)地表矸石堆放量較大。為保障煤礦開采的完全性、高效性與生態(tài)性，需要引入煤礦井下采選充采一體化技術(shù)實施煤礦開采作業(yè)。

2 井下采選充采一體化系統(tǒng)布置

2.1 井下煤矸分選系統(tǒng)布置

2.1.1 直接布置方式

由于502、5021 兩個煤倉均分布于井底車場周邊，需要承擔周邊三個煤源的煤矸分選任務(wù)，因而需要在兩個煤倉中間的聯(lián)絡(luò)巷中布設(shè)煤流矸石分選系統(tǒng)[2]。本工程煤流矸石分選系統(tǒng)設(shè)置時需挖掘6 條巷道及7 個硐室，并應(yīng)設(shè)置3 個溜煤眼、1 個矸石倉及13 個交叉點，且動篩跳汰機硐室、高頻脫水篩硐室應(yīng)具備充足空間，因此應(yīng)直線布設(shè)502 及5021 原煤運輸巷，并使動篩跳汰機硐室與運輸巷保持垂直，以降低硐室斷面大小，提升煤矸石運轉(zhuǎn)便利性。此種布置方式能削減中間環(huán)節(jié)，布置操作相對便利，可減少新巷道與硐室開挖工作量，減少造價成本。但此布置方式可能出現(xiàn)跳汰分選系統(tǒng)干擾原有煤炭運輸系統(tǒng)的情況，為避免煤矸分選系統(tǒng)因故障造成系統(tǒng)運行中斷，需要選用性能優(yōu)越的煤矸分選設(shè)備，并加強系統(tǒng)運行管理。井下煤矸分選系統(tǒng)直線布置方式見圖1。

圖1 井下煤矸分選系統(tǒng)直線布置方式

2.1.2 輔助布置方式

為確保煤矸分選系統(tǒng)運行的便利性，該煤礦公司需在直接布置的基礎(chǔ)上，結(jié)合應(yīng)用輔助布置方式，以連接煤矸分選系統(tǒng)與原有運輸系統(tǒng)，為煤矸石運轉(zhuǎn)一體化開展提供便利。需要在井底車場、主采區(qū)原煤運輸巷道處，再挖出一條動篩跳汰分選巷道，并于其旁邊開挖硐室，使此巷道及硐室分別與原運煤巷道垂直相交或傾斜相交，獨立布設(shè)井下煤矸選及原煤運輸系統(tǒng)，以分選巷道及硐室作為井下煤矸分選系統(tǒng)的布置區(qū)域。雖然重挖分選巷道及硐室會增大施工成本，但可為煤矸分選系統(tǒng)故障后維修及日常管護提供便利，且不會對原有運輸系統(tǒng)產(chǎn)生干擾。同時，需在精煤膠帶機巷附近設(shè)置脫水篩硐室，且滾軸篩硐室應(yīng)設(shè)置于原有煤倉附近，并且二者之間應(yīng)保持垂直，以免滾軸篩硐室運行時導(dǎo)致原煤倉壁遭到破壞。井下煤矸分選系統(tǒng)輔助布置方式見圖2。

圖2 井下煤矸分選系統(tǒng)輔助布置方式

2.2 井下充填采煤系統(tǒng)布置

以8 煤層首采工作面T3281N 系統(tǒng)為例，該系統(tǒng)的工作面面長度及推進長度分別是120 m 與308 m，需在T3280N 系統(tǒng)乙邊眼設(shè)置本系統(tǒng)的風道，與T3281 系統(tǒng)風道之間應(yīng)預(yù)留寬度為4 m 的煤柱，并挖出387 m 巷道，還要在T3280 甲邊眼處設(shè)置T3281N溜子巷開口，溜子巷掘進長度應(yīng)為343 m。此外，要在T3280 乙邊眼以外345 m 及35 m 處分別設(shè)置切眼及停采線。

2.2.1 地面運輸系統(tǒng)

地面運輸系統(tǒng)布置時，應(yīng)在主井與副井附近分別設(shè)置裝載機、膠帶輸送機、篩分機、破碎機四部分結(jié)構(gòu)。其中裝載機用于裝載矸石，之后向膠帶輸送機上運送。而膠帶輸送機負責地面上矸石的持續(xù)、快速運送，且要在地面上設(shè)置皮帶走廊，用于保護地面膠帶輸送機運送過程，降低外界其他因素干擾。篩分機則用于篩分膠帶輸送機輸送的不同粒徑矸石，之后利用破碎機破碎處理粒徑大小高于投料要求的矸石，最后再向投料系統(tǒng)中投入矸石[3]。

2.2.2 投料系統(tǒng)

投料系統(tǒng)需要設(shè)置于地面與井下之間，以井下煤矸分選系統(tǒng)為起點，沿線經(jīng)過矸石倉、矸石集中運輸巷、溜矸眼、T3280 乙邊眼、T3281N 溜子巷，最終以T3281N 溜子巷充填工作面為終點。地面上的原始矸石在篩分破碎處理之后，從地面運輸系統(tǒng)運送至投料井井口，再向投料系統(tǒng)中投入，矸石通過投料井落到井底，在井底緩沖裝置緩沖后進入井下矸石儲料倉，充填采煤工作面作業(yè)時，從料倉下方給料機釋放矸石，再經(jīng)過井下巷道中的膠帶輸送機運送到充填采煤工作面用于填充。

2.2.3 井下運輸系統(tǒng)

井下運輸系統(tǒng)主要用于將矸石從投料井運送到井下，之后采用運輸皮帶將矸石運送到充填采煤系統(tǒng)的充填作業(yè)面。本煤礦工程中，運料系統(tǒng)以8 號井為起點，經(jīng)過508 大巷、T3280 乙邊眼，再通過T3281N溜子巷，最后以T3281N 充填工作面為終點。井下運輸系統(tǒng)同樣以膠帶輸送機運料，以便為充填采煤提供充足的充填石料。而運煤系統(tǒng)則以T3281N 充填工作面為起點，通過T3281N 風巷后，經(jīng)過T3280 甲邊眼及8煤層集中運煤巷，再經(jīng)由5021 煤倉、九號井抵達地面。

2.2.4 工作面充填采煤作業(yè)系統(tǒng)

充填采煤作業(yè)系統(tǒng)由兩部分工作而構(gòu)成，一是前部采煤工作面，二是后部充填工作面。此系統(tǒng)設(shè)置時，要架設(shè)好具有后部夯實裝置的充填采煤液壓支架，以便為采煤作業(yè)頂板起到支護作用，提供充填作業(yè)空間，夯實裝置則可將充填后的矸石壓實擠密。需在液壓支架后頂梁下方懸掛充填輸送機，用其向充填空間中填放矸石。此外，應(yīng)在運矸輸送機及多孔底卸式刮板輸送機間設(shè)置自移式充填料轉(zhuǎn)載機，用于轉(zhuǎn)移矸石。

3 煤礦井下采選充采一體化技術(shù)

3.1 井下煤矸分選技術(shù)

井下煤矸分選需要應(yīng)用兩種工藝技術(shù)，一是跳汰排矸技術(shù)。二是煤泥水處理技術(shù)。分選煤矸時，先對原煤進行去雜處理，原煤進入篩分機后，粒徑不高于5 cm 的透篩物掉落到末煤輸送皮帶上，再經(jīng)過分選主運輸巷道輸送至煤倉，粒徑高于5 cm 的原煤則被分到煤矸分選入料輸送皮帶上，向動篩跳汰煤矸分選機運送，分選后的矸石及精煤經(jīng)由物料提升刮板機向矸石或精煤運輸皮帶運送，最后由高頻篩料泵向煤泥水處理系統(tǒng)泵送，經(jīng)過高頻篩分及脫水處理后，得到的細煤再次落到末煤輸送皮帶上，經(jīng)過過濾的煤泥水流則向清水池流入，以便再次分選使用。井下煤矸分選處理工藝見圖3。

圖3 井下煤矸分選處理工藝

3.2 井下充填采煤技術(shù)

井下采煤時，采用的是走向長壁采煤法，利用雙滾筒電牽引采煤機割煤，以三角煤端部作為進刀口，斜切進刀，切割深度為60 cm，割煤時可保證工作面端部煤壁的順直性，且可實現(xiàn)長時間割煤，能夠提升開采質(zhì)量[4]。矸石充填時，需要聯(lián)合應(yīng)用多孔底卸式輸送機及夯實機實施充填作業(yè)。利用帶式輸送機輸送矸石，再轉(zhuǎn)至充填物料轉(zhuǎn)載輸送機上，最終向多孔底卸式充填輸送機運送，從卸料孔投入矸石并使之抵達采空區(qū)，填充后采用夯實機對填充區(qū)進行夯實處理，填充至頂部即可。

4 技術(shù)應(yīng)用效果分析

4.1 矸石充填效果

本煤礦工程在充填T3281N 工作面時實施了夯實效果監(jiān)測，在傾斜方向上共布設(shè)了12 臺監(jiān)測儀，得到了各夯實機的平均夯實力（見表1）。根據(jù)表1 數(shù)據(jù)顯示，夯實機夯實力均值最低值為3.37 MPa，最高值為10.07 MPa，平均夯實力為5.82 MPa，此夯實力數(shù)值與規(guī)定充填夯實相求相符，說明采空區(qū)充填效果理想，充填質(zhì)量較佳。同時，本煤礦工程對充填采煤期間充填矸石量及采煤量進行了統(tǒng)計，得出了該工作面開采時的充采質(zhì)量比變化均值為1.32，比設(shè)計值1.28 略高，說明取得了相對理想的充填效果，充實率高于標準值85%[5]。

4.2 煤矸分選情況

該煤礦的煤矸分選系統(tǒng)年處理矸石量為82 萬t，分選效率為90%，井下煤矸分選產(chǎn)品質(zhì)量平衡參數(shù)見表2。而采空區(qū)的年矸石處理量為65 萬t，其中，首采工作面開采出的壓煤資源總量為23 萬t，共填充了30.4 萬t 矸石，經(jīng)計算，采充比均值為1.32：1。

表2 井下煤矸分選產(chǎn)品質(zhì)量平衡參數(shù)

4.3 地表沉陷情況

通過對采空區(qū)實施地表觀測發(fā)現(xiàn)，充填開采同時工作面呈慢速下沉趨勢，下沉量介于1.6 cm～1.8 cm之間，并且下沉速度相對均勻（見圖4），未超出地表建筑物變極限值，沒有出現(xiàn)明顯裂縫，說明矸石充填對地表移動變形起到了良好的控制效果。

圖4 工作面推進方向測點下沉速度變化曲線

結(jié)束語

為解決煤礦“三下”壓煤問題，降低對生態(tài)環(huán)境的破壞，文章提出了基于煤礦采選充采一體化技術(shù)模式，采用直接布置與輔助布置相結(jié)合的方式，構(gòu)建井下煤矸分選系統(tǒng)，合理設(shè)置了地面運輸、投料、井下運輸、工作面充填采煤作業(yè)四個系統(tǒng)，引入了跳汰排矸、煤泥水處理兩種井下煤矸分選技術(shù)，并采用走向長壁采煤法實施井下充填采煤作業(yè)。經(jīng)監(jiān)測分析發(fā)現(xiàn)，此技術(shù)取得了良好的充填及煤矸分選效果，有效控制了地表移動變形，驗證了此技術(shù)在煤礦采空區(qū)開采中的應(yīng)用價值。