固体充填材料保障系统研究与应用

2014-04-20王思贵张吉雄黄艳利

中国煤炭 2014年2期

吴强王思贵张吉雄黄艳利

（1.四川省安全科学技术研究院煤矿所，四川省成都市，610045；2.中国矿业大学矿业工程学院，江苏省徐州市，221116；3.煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏省徐州市，221008）

为解放 “三下”压煤，提高煤炭资源的回采率，减少煤炭开采过程中的固体废弃物排放，控制综采工作面矿压等，我国学者自主研发了综合机械化充填采煤技术。该技术包括固体充填材料连续运输系统，其中垂直投料系统为该系统的核心技术，另外还包括井下矸石制备系统。

为了能够保障该技术在煤矿安全高效地得到实施应用，需要将几个系统进行配合工作。首先是选择合适的充填物料来源；其次是将固体充填物料连续运输到井下；第三是井下掘进与煤流矸石制备固体充填材料。

1 固体充填材料来源分析

可以选用煤矸石、粉煤灰等固体废弃物作为固体充填材料，将材料从地表通过连续运输系统运到井下充填工作面，从而达到控制采空区顶板下沉、减少地表沉陷的目的。

（1）矸石来源。煤矸石是煤炭开采过程中产生的一种灰分高、含碳量低、排放量大的固体废弃物。堆积的矸石山给环境带来很大危害，因此矸石是一种合理的充填材料。因矸石来自井下，也可通过井下掘进与煤流矸石制备固体充填材料系统，将掘进与煤流矸石直接由井下回填到充填区。

（2）粉煤灰来源。粉煤灰是燃煤电厂等排出的主要固体废物，其排放量大，利用率低，可选用粉煤灰作为固体充填材料。

（3）其他充填材料来源。可以根据煤矿开采的周边条件选取，如风积沙、建筑垃圾等固体废弃物作为充填材料。

2 地面充填材料运输系统

固体充填材料保障系统包括地面充填材料运输系统、井下掘进矸石与煤流矸石制备系统等，其中充填物料的运输是制约充填开采技术发展的瓶颈。系统主要包括洗选矸石制备系统、矸石山矸石制备系统以及固体充填物料垂直投放系统。因不同充填物料的运输系统基本相同，本文主要以矸石为例介绍其制备、运输系统。

2.1 洗选矸石制备系统

洗选矸石制备系统是指地面洗选厂分选出来的矸石转移到投料井投放口处的具体工艺过程。其具体过程为矸石从洗选厂分选出来，通过运矸车、梭式矿车运输转运到运矸带式输送机上，然后通过转载机将矸石装载到筛分破碎机，选出符合充填规格的充填材料，在投料控制台的控制下通过带式输送机运到投料井口。

2.2 矸石山矸石制备系统

矸石山矸石制备系统是指地面矸石山堆积的矸石经过一系列运输至投料井投放口处的具体工艺过程。其具体过程为矸石山上的矸石通过推土机、转载机、刮板输送机运输装载到筛分破碎机上，通过筛分破碎机的筛分与破碎，筛选出符合充填规格的充填材料，在投料控制台的控制下通过带式输送机运到投料井口。

2.3 固体充填物料垂直投放系统

固体充填物料垂直投放系统是将固体充填物料从地面运输至井下的运输系统，该系统已经在我国一些矿区成功应用。

2.3.1 固体物料垂直投放系统的结构

充填采煤固体物料垂直投放系统可将地面的固体物料连续运输至井下，它主要由地面控制台、投料管道、维护硐室、缓冲器、储料仓等组成。地面控制台是固体物料垂直投放系统的控制中心，担负控制投料工作；投料孔是固体物料运输至井下的主要通道，它担负了固体物料最长距离的运输，其深度一般为50～800m；由于投料过程中具有很大的冲击力，为了保护井下设备和工作人员的安全，在储料仓上口设置缓冲器，以缓减投料冲击力。充填采煤固体物料垂直投放系统布置如图1所示。

图1 充填采煤固体物料垂直投放系统布置图

2.3.2 固体物料垂直投放系统的工作原理

将地面的固体物料通过垂直投放系统运输至井下是一个连续化的过程，其工作原理是通过地面控制台将不同的固体物料从支管道连续给入主管道，并利用地面控制系统控制固体物料的配比及投料速度，不同的固体物料在主管道内自动混合后垂直下落，当混合物料接近井底时，首先经储料仓上部的缓冲器缓冲后，进入呈斜锥状的储料仓向下滑落并堆积，当混合物料堆积高度达到满仓报警位置时，通过信号传感器的信号输出传至地面控制台，由地面控制台控制停止投料工作，当井下充填开采工作面将储料仓内的混合物料用完后，进行下一循环的投料工作。

3 井下掘进矸石与煤流矸石制备系统

3.1 井下掘进矸石制备系统

井下掘进矸石制备系统是指将井下掘进工作面产生的矸石通过矸石制备系统以及输送、转载等工序直接在井下充填到工作面的系统。

井下掘进矸石的制备系统主要工艺为运输、筛分、破碎、储存等，其工艺过程根据不同矿区的实际工程而不同。一般而言，掘进工作面的矸石经破碎机破碎后转载到带式输送机上运到矸石仓，再用带式输送机运到工作面运输巷，再由充填物料转载输送机运到充填工作面进行充填开采工作。

3.2 煤流矸石制备系统

煤流矸石制备系统是指将井下洗选出来的矸石直接到充填工作面的过程。其主要工艺有筛选、运输、破碎、充填等。具体过程就是将井下洗选出来的矸石通过破碎机破碎后转载到输送机上运到矸石仓或直接运到充填工作面，从而实现矸石井下直接利用。这个系统与掘进矸石制备系统一样，可以减少矸石排出量，能够解放 “三下”压煤，降低煤矿开采成本。

上述两套系统可以将采煤矸石井下直接充填，不仅节省矿井的运输费用，还能减少矸石排放，很好地实现岩层控制，是矿山绿色开采的一个发展方向。

4 工程应用

济宁花园煤矿隶属于济宁能源发展集团，井田全部为 “三下”压煤，为了提高采出率，采用了固体充填开采方法进行开采。

4.1 投料井地面运输系统布置

基于简单、高效、低故障率的原则和对运输系统的性能要求，经过现场调研和分析，确定地面运输系统方案。矸石山矸石由推土机和装载机推至刮板输送机上，经转载机投入破碎机，破碎后的矸石进入带式输送机走廊，经带式输送机运送至投料井投放到井下，其工艺流程如图2地面部分所示。

4.2 固体充填物料垂直投料输送系统

地面矸石等固体物料经筛分、破碎等前期工序后运输至垂直投料输送系统井口，物料被投放至投料井内经缓冲装置缓冲后进入储料仓，工作面充填时将其通过给料机放出，再经带式输送机运至工作面，垂直投料输送系统的主要设备包括地面运输装置、缓冲装置、满仓报警装置、清仓装置、控制装置等。

4.3 井下掘进矸石制备系统

花园煤矿井下矸石产出地点有东翼大巷的掘进头与二采区下山掘进头，其中主要产矸地点为东翼大巷的掘进头位置。

井下掘进矸石制备系统使井下掘进矸石不需要提升至地面，直接进入充填矸石运输系统用于工作面充填。因为掘进矸石的产出量不稳定，产出地点不断变化，因此需要在适当的位置设置矸石仓，用于掘进矸石的临时存储。同时，由于掘进矸石粒径较大不能直接用于充填，需要用破碎机对其进行破碎，当矸石粒径过大，不能进入破碎机时，采取布置密集炮眼爆破破碎或者人工破碎的方式减小矸石粒径。运矸联络巷内设备布置如图3所示。

图2 花园煤矿固体充填物料垂直投料输送系统布置图

图3 运矸联络巷设备布置示意图

4.4 应用效果

综合机械化固体密实充填采煤技术在花园煤矿推广应用以来，解放了大量 “三下”压煤，提高了矿井资源采出率，大大增加了矿井服务年限；解决了矸石、建筑垃圾等在地面堆放造成的环境污染与破坏问题；实现了将掘进矸石直接井下处理，减轻了矿井辅助提升的压力，大大提高了充填的效率。根据现场井田条件，通过采用该技术，预计可以多采出煤炭资源2700 万t，利用固体废弃物超过3000万t，大大延长了该矿井的矿井服务年限。综合机械化固体密实充填采煤技术在花园煤矿的应用达到了预期效果，取得了较大的经济、社会与环境效益。