朱 磊，古文哲

(中煤能源研究院有限責任公司，陜西 西安 710054)

近年來，隨著煤炭資源的大規(guī)模開采，其伴生產(chǎn)物煤矸石的產(chǎn)量也與日俱增[1]。傳統(tǒng)的矸石處理方式是將其堆放在地表，不僅壓占大量土地，還會污染空氣、土壤以及地下水，嚴重影響礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境，威脅礦區(qū)居民的身體健康[2]。隨著社會環(huán)保意識的增強以及國家對于環(huán)保問題零容忍態(tài)度的不斷深入，礦山企業(yè)對于煤矸石的合理、合法處置已成為各界關(guān)注的焦點問題之一[3]。為了實現(xiàn)礦井矸石零排放，國內(nèi)學者已經(jīng)進行了大量研究。王家臣[4，5]提出將煤矸石等礦井生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的廢棄物作為副產(chǎn)品、延伸產(chǎn)業(yè)鏈，將其資源化再利用，實現(xiàn)煤礦生產(chǎn)的大系統(tǒng)零排放；張吉雄[6，7]提出綜合機械化固體采煤技術(shù)，為解決矸石排放問題提供了理論及技術(shù)指導；劉建功[8，9]系統(tǒng)研究了充填支架關(guān)鍵參數(shù)確定及自動控制技術(shù)，進一步提高了充填開采效率。

本文基于小回溝煤礦采礦地質(zhì)條件與開拓開采現(xiàn)狀，以建設(shè)山西省矸石零排放示范型綠色礦山為目標，對礦井矸石零排放實施過程中的關(guān)鍵問題進行系統(tǒng)的研究和設(shè)計，以期對類似條件礦井的矸石處理提供借鑒。

1 礦井概況

小回溝煤礦設(shè)計生產(chǎn)能力3.0Mt/a，服務(wù)年限63.3a。礦井采用斜井開拓方式，礦井移交時共布置5個井筒，均位于工業(yè)場地，分別為主斜井、副斜井、管道斜井、專用進風斜井和回風立井。井田范圍內(nèi)共布置為3個水平進行開采，每個水平劃分為4個采區(qū)，共劃分為12個采區(qū)。一水平采用聯(lián)合開采方式回采03號和2號煤層。03號煤層平均厚度為1.09m，2號煤層平均厚度為2.63m，兩層煤平均間距為6.89m。一水平共4條大巷，其中運輸大巷、輔運大巷和一號回風大巷布置在2號煤中，二號回風大巷布置在03號煤中。

礦井投產(chǎn)時在二采區(qū)北翼03、2號煤層各布置一個綜采工作面。03號煤首采工作面為2301工作面，為薄煤層綜采工作面；2號煤層首采面為2201工作面，為中厚煤層綜采工作面。2201工作面作為主力采煤面，回采至距終采線約415m處由于陷落柱較多停止開采，目前已開始回采2202工作面。初步分析，礦井正常生產(chǎn)期間，矸石來源主要有03煤回采工作面、03煤掘進工作面、2煤工作面底抽巷以及開拓大巷延伸等，初步估算，礦井正常生產(chǎn)期間年產(chǎn)矸石量為0.87Mt。

2 矸石零排放總體構(gòu)思

2.1 矸石零排放實施方法

傳統(tǒng)的矸石處理方式主要是將其資源化再利用，即矸石綜合利用技術(shù)，該技術(shù)由于矸石消耗量有限，無法適用于現(xiàn)代化大型礦井。目前，國內(nèi)能規(guī)模化處理矸石等固體廢棄物的技術(shù)為井下充填開采技術(shù)。充填開采是一種綠色開采技術(shù)[10，11]，其誕生之初的主要目的是為了解決“三下”壓煤，開采村莊下、水體下和鐵路下的煤炭資源[12-16]。但隨著技術(shù)水平、裝備水平以及管理水平的不斷提升，該技術(shù)的采煤能力和充填能力都有了質(zhì)的飛躍，在解決“三下”壓煤的同時，也可以處理礦井生產(chǎn)過程中所產(chǎn)生的固廢。由于充填開采技術(shù)對固廢需求量較大，該技術(shù)已發(fā)展成為規(guī)?；幚砉虖U的最佳方式之一。

充填開采技術(shù)種類繁多，根據(jù)充填物料的不同可分為固體充填、膏體充填和高水充填，根據(jù)充填形式的不同又可分為工作面充填和巷道充填。但總體上，可以實現(xiàn)規(guī)模化回填矸石的充填方式主要包括綜合機械化固體充填、膏體充填和巷式充填?？紤]到膏體充填經(jīng)濟性較差，巷式充填能力小，確定小回溝煤礦采用綜合機械化固體充填采煤技術(shù)。

綜合機械化固體充填采煤技術(shù)又稱刮板輸送機卸矸充填技術(shù)，該技術(shù)通過將普通綜采工作面液壓支架更換為充填采煤專用支架，并新增一套運輸系統(tǒng)，將矸石等固廢經(jīng)各級轉(zhuǎn)載運輸至懸掛于充填支架后頂梁的刮板輸送機上，利用刮板輸送機的卸料孔將矸石填入采空區(qū)，以達到處理固廢、控制頂板破壞、保護地表構(gòu)筑物的目的。

2.2 矸石井下充填方案

2.2.1 方案提出

固體充填采煤的基本構(gòu)思是將矸石等固體廢棄物通過帶式輸送機等設(shè)備運輸至充填工作面，借助充填采煤液壓支架、底卸式刮板輸送機等設(shè)備實現(xiàn)采空區(qū)充填。根據(jù)該技術(shù)的技術(shù)特征，綜合小回溝煤礦的實際情況，提出兩種技術(shù)方案。

1)方案一：布置綜采+充填混采工作面。在同一個工作面同時布置充填開采和普通綜采設(shè)備，根據(jù)工作面采空區(qū)是否充填，以及底卸式刮板輸送機的布置位置，將工作面劃分為充填段、垮落段和兩者之間的過渡段，各設(shè)備之間相互協(xié)調(diào)，共同完成采煤和充填工藝流程?；觳晒ぷ髅娌贾萌鐖D1所示。

圖1 混采工作面布置

2)方案二：布置獨立充填工作面。該方案是通過在井下布置一個獨立的工作面進行充填開采，與傳統(tǒng)綜采工作面相比，該工作面較短，一般為50～100m，且全部配備充填采煤液壓支架，在工作面采煤作業(yè)的同時，完成卸矸充填任務(wù)。獨立工作面布置如圖2所示。

圖2 (獨立)充填工作面布置

2.2.2 方案比選

1)技術(shù)比較。方案一的優(yōu)點在于：充填與采煤系統(tǒng)布置在一起，有利于集中管理，且新增工程量少，項目投資低；缺點在于：兩種工藝平行作業(yè)，工序復(fù)雜，對生產(chǎn)管理水平要求較高，可能影響礦井達產(chǎn)；過渡區(qū)頂部受力復(fù)雜，存在壓架、漏發(fā)等安全隱患。方案二的優(yōu)點在于：主力采煤與充填工作面分開布置，相互影響較小，利于各自能力的發(fā)揮，且技術(shù)成熟；缺點在于：井下新增一套系統(tǒng)，對原有系統(tǒng)影響較大，且工程量較大。

2)經(jīng)濟比較。以充填工作面或充填區(qū)段長度為100m，進行投資估算，結(jié)果見表1。

表1 方案投資對比表 萬元

2.2.3 方案確定

綜合以上技術(shù)經(jīng)濟分析可知，與方案一相比，方案二投資較大，但技術(shù)相對成熟；同時考慮到方案一對煤層賦存條件、設(shè)備水平及管理水平等各方面要求較高，實施難度較大，且可能影響礦井達產(chǎn)。因此，確定采用獨立工作面進行充填開采。

2.3 總體方案

根據(jù)上述分析，結(jié)合小回溝煤礦開拓開采現(xiàn)狀，綜合考慮煤層厚度、傾角及接續(xù)計劃等因素，確定將一水平二盤區(qū)南翼作為充填采煤試采區(qū)域，新增一個充填采煤工作面?？傮w方案如圖3所示。

圖3 總體方案

3 矸石井下充填關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計

3.1 矸石井下運輸系統(tǒng)

3.1.1 主運大巷煤-矸雙向運輸方案

小回溝煤礦年產(chǎn)矸石量較大，約86.2萬t/a，因此，矸石井下運輸方式確定采用帶式輸送機連續(xù)運輸。地面矸石由進風斜井運輸至井下后，如何高效運輸至充填工作面成為矸石井下運輸系統(tǒng)設(shè)計的核心問題。常規(guī)解決方式有兩種：改造已有巷道完成矸石運輸或新掘一條矸石專用運輸巷。

新增一條矸石運輸巷道可以使矸石運輸系統(tǒng)和原井下生產(chǎn)系統(tǒng)相互獨立，避免矸石井下運輸對原有系統(tǒng)的影響?？紤]到小回溝煤礦一直面臨采掘接續(xù)緊張的問題，增加掘進工程量將進一步加重采掘失調(diào)，且項目投資也將增大。因此，方案制定的優(yōu)先考慮改造已有巷道。通過對所有可能的運矸通道逐一進行分析，一、二號回風大巷以及輔助運輸大巷均由于其自身功能的特殊性無法作為矸石運輸通道，唯一可能的選擇只有運輸大巷。

方案提出在運輸大巷布置兩條帶式輸送機——南側(cè)為原主運煤帶式輸送機，北側(cè)新增一條運矸帶式輸送機，實現(xiàn)煤-矸利用同一條巷道完成雙向運輸。運輸大巷正常段斷面可以滿足帶式輸送機布置要求，如圖4所示。

圖4 運輸大巷斷面設(shè)備布置(mm)

運輸大巷中運煤帶式輸送機位于南側(cè)，運矸帶式輸送機位于北側(cè)，則大巷北翼2煤綜采工作面運煤帶式輸送機能否跨越運矸帶式輸送機實現(xiàn)煤炭的轉(zhuǎn)載將決定方案的可行性。根據(jù)工作面和運輸大巷設(shè)備安裝關(guān)系圖以及現(xiàn)場踏勘實測情況，對搭接處巷道及設(shè)備布置進行設(shè)計，結(jié)果顯示，搭接處滿足設(shè)備安裝及相關(guān)規(guī)范要求。設(shè)備布置如圖5所示。

圖5 綜采工作面運輸巷機頭搭接處設(shè)備布置圖(mm)

上述研究表明，利用運輸大巷布置兩條帶式輸送機實現(xiàn)煤-矸雙向運輸方案技術(shù)可行，該方案不用布置矸石運輸巷，可降低掘進工程量，減少項目投資，緩解掘進緊張的局面。

3.1.2 矸石井下運輸系統(tǒng)布置

地面矸石經(jīng)專用進風斜井運輸至井下，通過矸石運輸石門進入井下儲料倉，然后經(jīng)矸石運輸聯(lián)巷、運輸大巷和工作面運矸巷，進入充填工作面進行充填。矸石井下運輸系統(tǒng)布置如圖6所示。

圖6 矸石井下運輸系統(tǒng)

3.2 工作面高效充填系統(tǒng)

3.2.1 工作面系統(tǒng)布置與生產(chǎn)能力

設(shè)計充填首采面為CT2201工作面，工作面采用單巷布置，分別為運矸巷和運輸巷?；夭蛇^程中對工作面運輸巷進行沿充留巷，留設(shè)巷道與工作面回風尾巷作為回風巷道，實現(xiàn)工作面“Y”型通風。工作面巷道布置如圖7所示。

圖7 工作面巷道布置

充填工作面的生產(chǎn)能力包括采煤能力和充填能力，由于系統(tǒng)的主要任務(wù)是處理矸石，在此基礎(chǔ)上，再行確定煤炭的回采能力，即采用“以矸定產(chǎn)”的模式。

充填工作面充填能力為：

Q=330hbfnclkρz

(1)

式中，Qbf為充填能力，Mt/a；n為日進刀數(shù)；c為循環(huán)進尺，m；hbf為充填高度，m；l為面長，m；k為正常循環(huán)率，0.86；ρz為矸石視密度，t/m3。

充填工作面采煤能力為：

Q=330hnclkρ

(2)

式中，Q為生產(chǎn)能力，Mt/a；h為采高，m；ρ為煤的容重，t/m3。

依據(jù)上述公式，若以充填形式解決礦井全部矸石，則充填工作面長度需達到100m，每天進刀數(shù)需達到9刀。在此工作面參數(shù)條件下，工作面采煤能力為71.76萬t/a，充填能力約為87.82萬t/a。

3.2.2 高效排矸工藝

為了提高排矸效率，保障系統(tǒng)充填能力，對傳統(tǒng)采充交替、逐架充填的工藝進行優(yōu)化，提出采充平行作業(yè)、成組移架、交替落料、同步推實的高效排矸工藝。矸石充填作業(yè)緊隨采煤作業(yè)進行，采煤機割煤后將端部支架前移一個步距開始排矸，每3架為1組，每組支架交替排矸，并同步推實，依次逐組完成排矸任務(wù)。充填開采作業(yè)工序如圖8所示。

圖8 充填開采作業(yè)工序

4 矸石零排放技術(shù)保障措施

4.1 項目前期矸石處理方案

由于小回溝煤礦2201工作面提前停止開采，且礦井接續(xù)計劃有所調(diào)整——目前礦井已經(jīng)開始掘進二盤區(qū)南翼2203工作面，將其作為2202工作面的接續(xù)面。根據(jù)《煤礦安全規(guī)程》(2016版)，“一個采(盤)區(qū)內(nèi)同一煤層的一翼最多只能布置1個采煤工作面”，因此，CT2201工作面充填計劃可能需要推后。考慮到2201工作面部分區(qū)域尚未開采，將該區(qū)域作為前期充填區(qū)域，并確定采用巷道充填方案，一方面用于回收2201工作面尚未開采的資源，解決項目初期的矸石，另一方面對后期類似情況下矸石的處理于以指導。充填系統(tǒng)布置如圖9所示。

圖9 充填系統(tǒng)布置

4.2 矸石來源不均衡應(yīng)對措施

現(xiàn)有資料顯示小回溝煤礦正常生產(chǎn)期間年均矸石產(chǎn)量約為0.86Mt。但考慮到矸石產(chǎn)量受地質(zhì)條件等因素影響較大，不同時期矸石產(chǎn)量可能不均衡，針對此情況提出以下應(yīng)對技術(shù)措施：

1)矸石儲料倉雙向調(diào)節(jié)——針對短期矸石來源不均衡。保持地面矸石倉處于空倉狀態(tài)，井下儲料倉儲存工作面一天的充填量。以應(yīng)對矸石來源突然增大或減小，達到矸石儲料倉雙向調(diào)節(jié)、正負緩沖、均衡給料的效果，緩解短期矸石來源不均衡。

2)速度調(diào)節(jié)為主、密實度調(diào)節(jié)為輔——針對一段時期矸石來源不均衡。當矸石產(chǎn)量增大時，增加充填工作面采充循環(huán)次數(shù)，加快工作面的推進速度，以提高工作面充填能力；當矸石產(chǎn)量不足時，減少充填工作面采充循環(huán)次數(shù)，減緩工作面推進速度；總之，盡量使充填能力與矸石產(chǎn)量匹配。如矸石產(chǎn)量長期偏低，則可減緩?fù)七M速度并適當降低充填率。

3)工作面充填能力總體富余——充填能力與矸石產(chǎn)量長期平衡。充填工作面布置時，對未來幾年的礦井矸石產(chǎn)量進行實時預(yù)測，對充填工作面關(guān)鍵參數(shù)進行調(diào)整，以年為單位，使充填工作面充填能力總體富余，可以完全匹配礦井年產(chǎn)矸石量的波動。

4.3 大傾角俯采應(yīng)對措施

從現(xiàn)有的資料來看，充填區(qū)域以近水平和仰斜開采為主，但考慮到該區(qū)域地質(zhì)勘探程度較低，可能存在一定的俯斜開采地段，因此，對于俯斜開采地段提出了大傾角俯采技術(shù)措施：

1)當俯采傾角小于8°時，因傾角較小，增加對矸石充填體的推實次數(shù)即可，由正常“落料一次推實三次”改為“落料一次推實五次”。

2)當俯采傾角大于8°時，在充填體內(nèi)添加少量黃土或粉煤灰輔料以增加充填體的膠結(jié)性，為此，需在地面建立粉煤灰倉或黃土儲存車間，在矸石運輸過程中，將定量的黃土或粉煤灰匯入其中。

5 結(jié) 論

1)針對小回溝煤礦的實際地質(zhì)條件和開拓開采現(xiàn)狀，結(jié)合矸石產(chǎn)量預(yù)測，確定采用綜合機械化固體充填采煤技術(shù)來解決礦井所產(chǎn)生的的矸石。

2)研究表明，利用運輸大巷布置兩條帶式輸送機實現(xiàn)煤-矸雙向運輸方案技術(shù)可行，該方案可降低掘進工程量，減少項目投資，緩解掘進緊張的局面。

3)針對項目前期矸石的處理以及實施過程中矸石來源不均衡、煤層起伏變化較大等問題制定了相應(yīng)的技術(shù)措施，降低了項目實施的風險。

4)該方案的設(shè)計和研究為小回溝煤礦實現(xiàn)矸石零排放提供了技術(shù)支撐和保障，同時對地區(qū)矸石的處理提供了一種可行的方法，具有較強的地區(qū)示范效應(yīng)。