煤矿矸石充填开采技术的研究与应用

潘明亮

（冀中能源股份有限公司 邢东矿，河北 邢台 054000）

0 引 言

根据数据统计，我国煤炭生产矿井“三下”压煤达137.9亿t，建下压煤94.68亿t，随矿井煤炭资源的开采及当下煤炭资源需求侧的放量上涨，矿井“三下”煤炭资源开采问题逐步显现。邢东矿村庄及工业广场煤柱压煤量占据全部矿井储量的87%，如果搬迁开采，不仅搬迁难度很大，还会产生较高的经济成本，并造成严重的生态和人文环境的破坏。同时矿井在生产过程中会排放大量的煤矸石，若采用传统的处理方式，堆积建造矸石山，会造成环境污染，侵蚀、侵占农田和占地成本高等问题。邢东矿采用的工作面矸石充填开采方式，极大地解决了矿井“三下”开采、矸石处理同环境、人文资源保护和成本管理的多方面问题，是“三下”煤炭工作面开采的理想途径。

1 矸石充填开采工艺

矸石充填系统（图1）采用架后填矸，运输机上的卸料孔将矸石卸载至采空区，通过捣实机构将矸石充分捣实并完全接顶，待支架后方空间全部充满并完全捣实，再进行下一刀割煤工序，实现循环充填回采。

图1 工作面矸石充填工艺示意Fig.1 The gangue filling process of working face

在矸石充填开采系统的配套措施中，不仅要实现煤矸石的井下筛选、运输、充填、捣实等系列技术工序，还要形成井下采煤分选后充填采煤的循环开采模式。矸石的使用和充填捣实是矸石充填开采的核心问题与核心技术。目前，邢东矿11233智能化矸石充填采面，通过井下跳汰、洗选、筛分系统与井上矸石投料系统，不仅实现了对自有矿井所产矸石的充填使用，还消耗周边矿井生产过程中产生的矸石及传统开采所堆积矸石。改变了矸石作为煤矿开采的伴生物与煤一起运至井上，分离后堆积为矸石山的传统开采工艺，不仅做到了矸石不升井减少成本，更用矸石充填开采置换煤炭资源，还不会产生环境、经济和社会等问题。

2 矸石充填开采关键系统

2.1 地面矸石投料系统

由于在采煤生产和巷道开掘、整修过程中所产生矸石，并不能满足日常充填采煤所需的矸石，因此需要建设地面矸石投料系统，地面矸石投料系统整体分地面矸石站、矸石投料孔及缓冲装置、井下矸石运输、矸石充填等4部分。

2.1.1 地面矸石站

从周边及其他矿井运输过来的矸石，在地面的矸石站卸车并进行存储，然后经转载至井上矸石投料孔，地面矸石站平面图如图2所示。

图2 邢东矿地面矸石站平面图Fig.2 Plane diagram of ground refuse station in Xingdong Mine

井上地面矸石站总占地不足20亩，主要建筑物采用封闭式钢化棚结构，面积45 m×39 m（长×宽），场地配备控制办公区域、车间、洗车系统。车间内配备有6个7.5 m×7.5 m连体式地下存储仓，单个存储仓容积270 m3，总建设存储容量1 620 m3，可实现存储正常生产24 h内充填开采所需的矸石量。存储仓下安装6台给煤机，1部B1000皮带，可以将矸石运输至投料孔。

2.1.2 矸石投料孔及缓冲装置

矸石经B1000皮带运输至投料孔后，由地面投放至井下，在井下设置密闭缓冲装置，期间通过控制风压的方法来对矸石投放后的掉落速度进行控制，并经缓冲装置对下降的冲击速度缓冲后，进入矸石缓冲仓。

投料孔（图3）采用垂直孔洞，孔洞垂直度正负偏差在1‰以内，孔深771 m，孔径870 mm。布置φ586 mm双金属耐磨管，壁厚50 mm（外壁采用16 Mn钢厚20 mm，内壁采用高镍铬钼合金厚30 mm），外层为16锰钢、内衬为高铬耐磨合金（KMTBCr28），管道在高温热铸（焊）状态下整体复合而成，耐磨性与韧性有机结合，性能优势互补，具有优良的抗冲刷磨损性能及承压抗冲击能力，采用漂浮法下沉、井口对位焊接方式安装。

图3 投料孔结构示意Fig.3 Structure of feeding hole

缓冲装置主要由投料孔底部的锥形缓冲器和密闭门为主的风压控制装置构成（图4），从而实现矸石的下落冲击，降低冲击速度。

图4 缓冲器及密闭风压控制系统Fig.4 Buffer and closed air pressure control system

锥形缓冲器被安装在投料孔的底部存储仓上口，可以实现减少矸石充填物的垂直落体速度，降低高速垂直落体的矸石充填物对井下储料仓的冲击破坏。主要由伞帽、伞底、支撑板、导向杆和弹簧5部分组成。整体为伞装锥形体结构，锥形体外侧面呈下凹趋势。下端具有中空腔，与伞底和支撑板由导向杆连接，伞底与支撑板之间装载高性能弹簧，可用于缓冲矸石充填物的下坠冲击。

2.2 井下矸石运输系统

运输矸石主要包括自产矸石和外来矸石2部分。以邢东矿11233工作面为例，自产矸石运输主要为处理井下各头面生产、巷道整修、筛分跳汰系统产的矸石，运输系统总长4 150 m，矸石仓总容量2 050 m3，可储存正常生产所需1.2 d的矸石。主要运输线路为筛分系统—760运矸巷—1100南部采区矸石仓—1100南部采区运矸巷—1100南部采区集中运料巷—11233运料巷—工作面采空区。

矿外矸石主要是处理周边东庞矿、邢台矿矸石。运输线路为地面矸石站—投料孔投送—孔底缓冲仓—760运矸联巷—760运矸巷—1100南部采区矸石仓—1100南部采区运矸巷—1100南部采区集中运料巷—11233运料巷—工作面采空区。

3 矸石充填采煤工艺及装备

矿井11233工作面采用单一厚煤层一次采全高倾斜长壁后退式采煤法，使用机组落煤，刮板输送机运输，顶板采用充填液压支架支护，矸石充填材料控制顶板下沉。

智能化采煤工作面采煤机记忆自动割煤，支架跟机自动移架支护，集中泵站实现自动配比和变频智能控制，集控中心可以实现设备分机自动控制、集成自动化控制。

3.1 矸石充填采煤工艺

（1）采煤工艺顺序：双滚筒采煤机割煤—刮板输送机运煤—液压支架支护顶板—推移刮板输送机。

（2）充填施工工艺：机尾拉移支架—运矸皮带与后部刮板运输机搭接—工作面中间依次充矸—依次捣实—机头、机尾充矸捣实。

（3）充矸捣实过程：本架漏矸多次—本架捣实多次—邻架漏矸多次—邻架捣实多次，多次漏矸，多次捣实，直至采空区充填物料充分接顶并充分捣实，达到设计压力为止（24 MPa及以上）。

（4）综合机械化采煤，自动化控制。具体流程为准备—割煤—运煤—移架—推溜。

3.2 矸石充填采煤装备

工作面矸石充填开采三机设备包括43台ZC5160/29/48D液压支架，1套MG500/1140-WD采煤机，1部SGZ800/800前部刮板输送机。为增强设备的适应性和实用性，提高充填效率和效果，对支架局部进行了升级改造。研制了支架新型捣实机构，将原来的双捣实改为单捣实，操作更加便捷高效、易更换，该项改造荣获国家专利。研制了国内最大的矸石刮板运输机，将原来的130 kW、730槽宽的升级为200 kW、800槽宽的刮板运输机，选用进口材料制作，提高了后溜子的运行效率和耐磨度，该项改造获国家专利。

（1）采煤机选用上海创力矿山设备有限公司MG500/1140-WD型电牵引采煤机1台（图5），主要技术参数如下。装机功率/kW 1 140牵引功率/kW 2×55供电电压/v 3 300牵引力/kW 720/430整机重量/t 67适应倾角/（°） ≤16机面高度/mm 1 595截割功率/kW 2×500调高功率/kW 30牵引速度/（m·min-1） 0～7.55～12.6采高范围/m 2.0～4.4煤质硬度 硬或中硬截深/mm 800采高/m 1.5～2.3外形尺寸/m 12.78×2.6×1.59

图5 MG500/1 1 40-WD型电牵引采煤机Fig.5 MG500/1140-WDelectric traction shearer

（2）液压支架选用邢台机械厂ZC5160/29/48D型矸石充填支架（图6），主要技术参数如下。

图6 ZC51 60/29/48D矸石充填支架Fig.6 ZC5160/29/48Dgangue filling support

支护强度/MPa 0.57

初撑力/kN 3 878

工作阻力/kN 5 160

底板比压/MPa 2.98

（3）端头支架采用ZT9400/30/50D型端头支架（图7），主要技术参数如下。

图7 ZT9400/30/50D型端头支架Fig.7 ZT9400/30/50Dend bracket

支护强度/MPa 0.3

初撑力/kN 7 752

工作阻力/kN 9 400

底板比压/MPa 2.98

4 结 论

邢东矿11233工作面矸石充填采煤系统在工作面运行期间，系统稳定可靠。

（1）同以往的传统开采技术相比，不仅在矸石的处理上降低了矸石升井后的处理成本，并且解决了矸石山建造等存在的一系列环境、人文保护和迁建困难的问题。

（2）提高了资源的利用率，矸石充填工作面的建设随矸石充填开采的能力提高，使得矸石置换“三下”煤炭资源，极大的提高了我国煤炭资源的利用率。

（3）外部矸石的调度运输处理也为现存矿井矸石山的环境治理提出了新的解决思路，为生态治理矸石山提供了新的治理方向，即环境治理改善与采煤生产相结合。在以后的采煤应用技术中，矸石充填开采技术会受到更加充分的推进。