高浦

（冀中能源股份有限公司 邢东矿，河北 邢台 054000）

1 概 况

充填开采是源头主动减少采煤沉陷的方法，但受装备、技术、成本等因素限制，在全国范围内仅有13 个省份已开采或拟开展充填开采，涉及51 家矿业集团公司、75 座煤矿，尤其是不间断充填开采矿井并不多，其中冀中能源股份有限公司邢东矿不仅在全国率先进行了充填开采，而且20 a 来持续不间断地研究发展，取得较好的经济效益和社会效益[1-9]。

邢东矿于2002 年研究巷道式矸石充填开采，解决地面排放带来的环境问题及矸石井下处理技术；2010 年建成了全国首个井下跳汰洗煤系统，并实施了综合机械化高水充填工作面开采技术；2011 年基于井下采选充一体化构想，开展了综合机械化矸石充填开采工程实践[10]；2019 年在充填开采理论与技术体系建立的基础上，提出区域性矸石处置的智能化矸石充填开采构想，并于2021 年初步实现了矿井全域连续智能化充填开采，形成基于材料研发、装备革新、工艺升级、不断实践的充填开采研发与实践示范基地。

2 研究背景及关键技术研发

邢东矿主采2 号煤层，在井田范围内有大小村庄11 个，村庄及工业广场煤柱压煤量占全矿井储量的82.8%。由于村庄搬迁费用高、搬迁难度大，且邢东矿井田范围内的村庄煤柱相互重叠，最多处达到了6 个村庄的煤柱相互重叠，少数村的搬迁无法解决建下压煤的实际问题，因此采用充填技术尽可能的解放村庄煤柱和其它呆滞煤量，进行建下采煤是邢东矿的有效途径。

在进行建下采煤的同时，由于邢东矿紧邻市区，受环保要求，地面不能建矸石山，所有开拓巷道产生的矸石必须通过巷道进行井下充填。为此，邢东矿于2002 年与中国矿业大学合作，组建了专项技术小组，通过积极开展科技攻关，首创了巷道矸石充填技术，并自主研发了矸石充填成套设备。自2002 年在工业广场煤柱区域内成功实施巷道矸石充填至今，随着装备、工艺、材料的不断发展，先后实施了超高水充填开采、综合机械化矸石充填开采、地面投料矸石充填开采等技术，形成了深井全域连续自动充填开采体系。

2.1 巷道矸石充填开采工艺

巷道矸石充填技术是一项以在井下处理煤矸石为目的的安全、可靠的工艺技术，其工艺较为简洁，充填巷掘进完成后，及时将煤矸石充填进巷道中。主要工艺为进尺或整修、井下跳汰洗选所产矸石，经矿车、皮带、溜子运至矸石仓，然后通过给料机或扒岩机，再经皮带运输至充填巷迎头的矸石充填机，最后通过充填机抛矸皮带上下左右摆动抛射充填矸石，将巷道充填密实接顶（图1）。

图1 巷道充填开采工艺技术流程示意Fig.1 Technology process of roadway filling mining

邢东矿巷道矸石充填的关键技术是研发了一种井下巷道矸石充填综合输送机，通过充填机抛矸皮带上下左右摆动抛射充填矸石，将巷道充填密实接顶。为确保充填率及地面沉降稳定性，选取矸石大小小于150 mm 混合粒径级配，减少间隙充填过程（图2）。

图2 矸石充填巷迎头示意Fig.2 Head-on of gangue filling roadway

2.2 井下跳汰洗煤工艺

井下跳汰洗煤技术可节约地面洗煤厂占地，解决矸石地面堆放问题，实现煤矸石井下就地处理的低碳绿色环保开采模式，其主要工艺为，工作面出来的毛煤通过1 个筛缝75 mm 的篦子，将大块送入分级破碎机进行破碎，小于30 mm 末煤直接落入末煤仓，落入刮板筛分机的原煤在运输过程中经过筛分段（筛缝25 mm）进一步筛分，小于25 mm的末煤经刮板筛分机的下层返回末煤仓，上层刮板上的原煤（25～200 mm）经机头溜入排矸跳汰机进行洗选，分选出合格的块精煤产品和纯矸石。精煤及矸石通过链斗机进行脱水，然后分别落入精煤仓及矸石仓（图3）。

图3 井下跳汰排矸系统工艺流程示意Fig.3 Process flowof underground jigging gangue discharge system

井下跳汰洗煤的关键技术是因地制宜建设井下洗煤厂，由于井下围岩压力大，无法施工过大断面的硐室来满足大型设备布置所需要的空间，因此，井下的洗选系统必须要根据矿井实际生产能力及井下硐室的实际断面规格进行拆分，使设备按照功能分别布置在不同的硐室，将地面洗煤厂的三维空间布置改为井下洗选的线性布置。

根据这一特殊要求，邢东矿通过对工艺与设备的研究创新，研发了一种井下跳汰洗选的处理煤矸石工艺，配套设备主要有空气跳汰机、分级破碎机、异形排斗式提升机等等。这些设备入料粒度及处理能力都能满足矿井生产需求，且设备尺寸相对较小，操作简洁方便，符合井下硐室空间相对较小的要求。

2.3 超高水充填开采工艺

超高水充填由于固体料用量少，主要原材料可直接使用矿井水，材料来源充足可靠，是一种生产能力较高的建下充填采煤方法。其主要工艺为通过地面制浆系统及管路输送系统将A、B 浆液由地面注浆站输送到井下回采工作面，再通过工作面布置的液压充填支架将采空区与工作面分隔开形成浆液充填区域，待地面输送的浆液凝固后实现充填开采。超高水充填开采的关键技术是研制低成本、稳定性好、强度高的充填材料以及与之相适应的配套充填回采设备（图4）。

图4 超高水充填工艺流程示意Fig.4 Process of super-high water material filling

2.4 综合机械化矸石充填开采工艺

综合机械化矸石充填开采技术相比巷道矸石充填技术及超高水充填开采技术兼有煤矸石综合利用和高效率建下开采的优点，是近年来应用较广的充填采煤方法，其主要工艺为通过储装运系统将矸石在井下存储、输送至工作面，再通过矸石充填液压支架实现矸石在采空区的填充。综合机械化矸石充填开采的关键技术是研发集架后矸石输送、填充、捣实于一体的液压支架（图5～图6）。

图5 综合机械化矸石充填工艺流程Fig.5 Process of comprehensive mechanized gangue filling

图6 矸石充填液压支架落料、推压示意Fig.6 Blanking and pushing pressure indication of gangue filling hydraulic support

2.5 地面投料矸石充填开采工艺

地面投料矸石充填开采工艺是将综合机械化矸石充填技术与地面矸石站结合，通过将区域性矿井矸石集中投放处理，实现常规开采矿井煤矸石综合治理与建下开采矿井充填成本降低的双赢局面。其主要工艺为采用地面投料的方式，将外运矸石经垂直投料系统、井下固体充填物料输送系统，输送到支架后部刮板输送机，投放到采空区，最后由充填液压支架推压密实机构进行推压密实（图7）。

图7 地面矸石充填系统示意Fig.7 Ground gangue filling system

地面投料，尤其是深井地面投料矸石充填的关键技术为建设落料速度可控、防冲击、防堵管的矸石地面投放系统，主要包括地面矸石站、矸石投料孔及缓冲装置3 部分。其中缓冲装置主要组成部分为投料孔底锥形缓冲器和密闭门为主的风压控制装置，用来缓冲矸石冲击、控制投料孔内矸石下落速度。在初始投料时，投料井和充填仓中的气体会产生“气垫”作用，阻止充填料下坠，尤其对于充填料中的微小颗粒，效果明显。当粒径较大的充填料运行至井底时，充填料冲破“气障”，开始正常投料。物料投放过程中形成封闭气场，气场的强弱表征着投放量的大小，通过调整气压，可实现大垂深矸石投放速度控制，建成防冲击防堵管的安全高效投放系统（图8）。

图8 地面矸石投料缓冲系统示意Fig.8 Ground gangue feeding buffer system

3 邢东矿建下充填开采工程实践

3.1 全域连续巷道矸石充填工程实践

自2002 年开始，邢东矿在工业广场等煤柱区域，实施巷道矸石充填技术。为了提高资源回收率，在原有单一巷道矸石充填工艺的基础上，对拟充填开采区域统一规划，设置集中运矸联巷，通过留5 m 宽煤柱掘5 m 宽巷道的方式进行充填巷布置，待充填巷上覆岩层稳定后再充填开采剩余煤柱，实现全域巷道矸石充填。邢东矿自2002 年—2012 年，累计掘进充填巷道105 条，总长度31 259 m，出煤123 万t，充填矸石125 万t。

3.2 全域连续工作面充填工程实践

由于邢东矿建下压煤达83%，大面积连续充填开采是矿井生存发展必须要突破的重大技术难题，与单一小面或局部范围内充填开采相比，大面积连续充填开采时充填材料和装备都有更高的要求。涉及难点有，大面积充填开采条件下地表沉陷变形难控制，缺少适合连续充填、承载性能优良的充填材料，现有充填开采产能小、成本高，不能实现规模化。

针对地表沉陷变形难控制问题，邢东矿结合河北工程大学，研发了一种适合大面积连续充填开采的易成型、快承载、高强度碾压充填材料及充填工艺与装备，改变了矸石散状固体充填材料特征，有效控制了深井厚煤层充填开采围岩变形及地表沉陷。矸石散状固体颗粒间无粘结连接，没有变形约束，具有明显的流动性和压硬性，与胶结料混合后，不加压仍是散状材料，施压后，立即固化成型，充分碾压后具备较高的支撑强度，形成胶结时间可控的类贫碾压混凝充填材料（图9）。

图9 类贫碾压混凝充填材料现场效果图Fig.9 Field effect of poor roller compacted coagulation filling material

针对充填开采产能小、成本高，不能实现规模化的问题，邢东矿在应用类贫碾压混凝充填材料提高充填体成型效率的基础上，采取成组移架、交替落料、同步推实的工序，提高充填效率和充填效果，现场采充作业平行度提高至80%，实现了规模化充填开采（图10）。2021 年邢东矿11233 工作面开展采充平行作业实施矸石充填，月产能力达到了7.2 万t，实现了该矿井全年产量全部由充填开采完成。根据测算，邢东矿利用全域连续工作面充填开采共增加产值4.56 亿元，新增利润4.11 亿元。此外节约村庄搬迁费用、矸石地面占地费、运输费、环保费每年约4 600 万元。

图10 矸石充填作业工序Fig.10 Gangue filling operation process

4 邢东矿充填开采发展构想

邢东矿充填开采经过20 a 的实践与不断研发，建立了全域连续充填开采技术体系，实现了安全高效的不迁村采煤。但充填成本相较常规开采吨煤成本仍然要增加约37 元，此外相比常规开采，充填开采单面产能仍然较低。2020 年，邢东矿着手建设智能化煤矿。2021 年，将智能化技术与矸石充填技术有效整合，以智能化矸石充填工作面建设为基础，打造了国内首个智能化矸石充填工作面，实现了在地面分控中心对井下采煤、充填、原煤及矸石运输的自动化控制。

当前的矸石充填智能化系统仅能实现记忆截割、跟机作业、自动推压捣实，鉴于邢东矿地质条件复杂，尚无法实现工作面采煤及充填的无人化。通过在采煤及充填控制过程中建立多元离散数据感知系统，确定采煤及充填效果判据，依据实时监测技术，对采煤及充填效果进行快速评价，实现工作面无人值守，进而降低充填成本。

5 结 语

邢东矿通过20 a 持续不间断对充填开采的实践与研发，推动了单面局部到大面积全域充填开采的技术进步，使得充填技术真正可以实现不迁村开采。通过提高采充平行度，实现了规模化开采，降低了充填成本，提高了充填开采的可推广价值。通过打造区域性矸石处理模式，主动保护了矿区及周边生态环境，探索了生态矿山发展方向，推动了煤炭行业绿色低碳转型发展。