郭立斌

(中國煤炭科工集團(tuán) 北京華宇工程有限公司，北京 100120)

煤矸石作為煤炭開采的固體廢棄物，其資源化利用越來越重要，不僅要考慮地面綜合利用，更重要的是應(yīng)考慮井下減排和井下利用。中裕礦井是正在建設(shè)的大型現(xiàn)代化礦井，開采條件較為復(fù)雜，矸石排放量較大。實(shí)現(xiàn)矸石的井下分選和充填利用，是建設(shè)安全高效綠色礦井的必然要求，也是建設(shè)綠色礦山、實(shí)現(xiàn)煤炭高質(zhì)量發(fā)展的必然選擇[1]。因此，從設(shè)計(jì)源頭上考慮井下矸石分選充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)，創(chuàng)造條件實(shí)現(xiàn)井下分選，井下充填，減少煤矸石排放，提高煤矸石的井下綜合利用率就成為礦井設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)。

1 礦井概況

中峪礦井位于山西省中南部的長治市沁源縣和臨汾市安澤縣、古縣三縣交界處，是正在規(guī)劃建設(shè)的大型現(xiàn)代化礦井，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力500萬t/a[2]。井田主要可采煤層為山西組的1、2號煤層和太原組下部的9+10、11號煤層，其中1號煤層為薄煤層，其余煤層為中厚煤層。礦井煤層埋深較大，部分煤層受到奧灰?guī)r溶水威脅，存在煤與瓦斯突出危險(xiǎn)性。因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮以上災(zāi)害的防范。

設(shè)計(jì)確定南翼投產(chǎn)南一采區(qū)，北翼投產(chǎn)北一采區(qū)。薄煤層和中厚煤層均采用一次采全厚長壁采煤法，全部垮落法管理頂板。設(shè)計(jì)投產(chǎn)約3年后考慮充填開采以解決矸石處置問題，同時(shí)對水害、瓦斯、沖擊地壓將起到明顯的抑制作用。

2 井下矸石分選充填特點(diǎn)

矸石井下充填屬于煤矸石的直接利用技術(shù)，也是減少矸石排放、加強(qiáng)矸石利用的第一選擇，該技術(shù)從源頭上減少矸石出井，最大限度將煤矸石用于礦井回填，用煤矸石置換出煤炭，使矸石利用率達(dá)到90%以上，是目前最好的矸石處理方式[3]。該技術(shù)在河北、山東和山西等煤礦已經(jīng)成功實(shí)施，許多煤礦企業(yè)積極探索并實(shí)施了煤矸石充填開采工藝技術(shù)，集成創(chuàng)新了較為成熟的充填技術(shù)和裝備，提高了資源回收率，取得了良好的社會(huì)和環(huán)境效益[4]。

煤矸石充填適用條件：①“三下采煤”，由于人口和經(jīng)濟(jì)發(fā)展迅速，造成 “三下”壓煤量越來越多，采用煤矸石充填技術(shù)，起到支撐頂板、防止地面沉陷和水平變形的作用，提高資源回收率；②非“三下采煤”，煤矸石也可用于非“三下”采煤工作面采空區(qū)充填，如掘進(jìn)巷道充填、長壁工作面采空區(qū)充填和廢棄巷道充填。

3 中峪礦井井下分選充填設(shè)計(jì)

3.1 井下矸石分選技術(shù)

井下矸石分選技術(shù)是破解傳統(tǒng)煤炭生產(chǎn)環(huán)境問題的關(guān)鍵技術(shù)之一，是我國選煤工業(yè)的一個(gè)科學(xué)發(fā)展方向。其特點(diǎn)是：將選煤系統(tǒng)建設(shè)在井下硐室和巷道中，在井下完成煤矸分離，矸石作為井下充填原料，或直接充填采空區(qū)，僅需要將精煤產(chǎn)品升井至地面?zhèn)}儲。近年來，固體充填技術(shù)的迅速發(fā)展為井下矸石分選技術(shù)提供了技術(shù)支撐[5]。通過采煤、選煤、充填技術(shù)的集成和耦合，實(shí)現(xiàn)采選充一體化，既處理了矸石廢棄物，又能提高煤炭資源回收率，實(shí)現(xiàn)低碳、循環(huán)、綠色發(fā)展[6]。國家能源局、財(cái)政部、國土資源部和環(huán)境保護(hù)部在2013年1月9號聯(lián)合發(fā)布的《煤礦充填開采工作指導(dǎo)意見》中提出：鼓勵(lì)新建煤礦在井下進(jìn)行毛煤預(yù)排矸或建設(shè)井下選煤系統(tǒng)，矸石直接在井下用于充填開采。很多煤礦企業(yè)已經(jīng)進(jìn)行了一些井下選煤的實(shí)踐，分別采用了井下選擇性破碎、跳汰、重介淺槽及智能干選實(shí)現(xiàn)了井下塊煤排矸，積累了寶貴的工程經(jīng)驗(yàn)[7，8]。TDS智能干選機(jī)可根據(jù)煤質(zhì)情況靈活調(diào)整“選煤”還是“選矸”。矸少的時(shí)候，TDS“選矸”；矸多的時(shí)候，TDS則可以 “選煤”，可以靈活切換，“誰少選誰”。

3.1.1 分選原理

設(shè)計(jì)根據(jù)礦井原煤篩分資料與TDS智能干選實(shí)際操作經(jīng)驗(yàn)預(yù)計(jì)：礦井粒徑大于50mm的矸石預(yù)計(jì)占原煤總量的12%，約0.60Mt/a。設(shè)計(jì)對全礦井原煤全部進(jìn)行分選，分選出粒徑50mm以上的矸石直接在井下排矸。為此，在井底煤倉兩側(cè)的南、北翼帶式運(yùn)輸大巷分別布置1套煤矸分選系統(tǒng)。原煤經(jīng)運(yùn)煤帶式輸送機(jī)進(jìn)入TDS智能干選機(jī)處理50～300mm粒徑的大塊煤矸；原煤經(jīng)篩孔50mm的篩分機(jī)篩分后，篩下物(粒徑小于50mm末煤)進(jìn)入運(yùn)煤帶式輸送機(jī)；篩上物(+50mm)通過溜槽進(jìn)入TDS智能干選系統(tǒng)，分選后的矸石落入TDS下部的運(yùn)矸帶式輸送機(jī)進(jìn)入選矸儲料倉(D5.0m)，分選出的塊煤與篩下物(粒徑小于50mm末煤)一起通過運(yùn)煤帶式輸送機(jī)進(jìn)入井底煤倉，如圖1所示。需要充填供料時(shí)，倉內(nèi)矸石經(jīng)儲料倉下口甲帶給料機(jī)放出，相繼進(jìn)入矸石聯(lián)絡(luò)巷、進(jìn)風(fēng)大巷的運(yùn)矸帶式輸送機(jī)運(yùn)輸至南翼掘進(jìn)矸石儲料倉內(nèi)，與掘進(jìn)矸石一起備用充填作業(yè)。

圖1 TDS智能干選機(jī)原理

3.1.2 分選工藝流程

南翼大巷帶式輸送機(jī)在距離機(jī)頭卸載316m處設(shè)置固定卸料車，通過帶翻板的分叉溜槽將原煤轉(zhuǎn)載至上分級篩運(yùn)煤帶式輸送機(jī)，原煤經(jīng)上分級篩運(yùn)煤帶式輸送機(jī)運(yùn)輸至原煤分級篩進(jìn)行篩分，-50mm的末煤經(jīng)篩下運(yùn)煤帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載至南翼大巷帶式輸送機(jī)進(jìn)入井底煤倉。篩上+50mm原煤經(jīng)過兩臺振動(dòng)布料器進(jìn)入TDS智能干選機(jī)分選，分選后的矸石經(jīng)去矸石倉運(yùn)矸帶式輸送機(jī)運(yùn)至南翼分選矸石倉倉口，經(jīng)篩分破碎后進(jìn)入矸石倉，矸石倉下口設(shè)甲帶給料機(jī)，矸石經(jīng)倉下運(yùn)矸帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載至+270m水平南翼進(jìn)風(fēng)大巷運(yùn)矸帶式輸送機(jī)進(jìn)入掘進(jìn)矸石運(yùn)輸系統(tǒng)。分選后的煤經(jīng)篩下運(yùn)煤帶式輸送機(jī)轉(zhuǎn)載至南翼大巷帶式輸送機(jī)進(jìn)入井底煤倉。井下煤矸分選系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

3.1.3 分選系統(tǒng)設(shè)備

井下煤矸分選系統(tǒng)的主要設(shè)備由上分級篩運(yùn)煤帶式輸送機(jī)、原煤分級篩、振動(dòng)布料器、TDS智能干選機(jī)、篩下運(yùn)煤帶式輸送機(jī)、去矸石倉運(yùn)矸帶式輸送機(jī)、重型篩分機(jī)、 礦用分級破碎機(jī)、倉下甲帶給料機(jī)、 倉下運(yùn)矸帶式輸送機(jī)構(gòu)成，其中TDS智能干選機(jī)是整個(gè)分選系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備。

圖2 井下煤矸分選系統(tǒng)工藝流程圖

TDS智能干選機(jī)不同于傳統(tǒng)選煤方法，它不是按密度差異進(jìn)行分選的，而是采用大數(shù)據(jù)計(jì)算和智能識別技術(shù)，針對不同的煤質(zhì)特征建立與之相適應(yīng)的分析模型，采用X射線源對煤與矸石進(jìn)行數(shù)字化識別，最終通過高靈敏高可靠執(zhí)行機(jī)構(gòu)將矸石(或煤)排出。中峪礦井TDS智能干選機(jī)設(shè)計(jì)處理50～300mm粒徑的大塊煤矸，處理能力260t/h，功率108kW。

3.2 井下矸石充填系統(tǒng)

3.2.1 長壁工作面充填開采特點(diǎn)

近年來，井下矸石充填的方法和技術(shù)發(fā)展迅速，其中長壁工作面充填開采、巷道式充填開采、旺格維利采煤方法充填、廢舊巷道矸石充填等多種充填方法和技術(shù)，都得到了較為成功的應(yīng)用[9，10]。針對該礦井復(fù)雜的地質(zhì)條件，經(jīng)綜合分析對比，設(shè)計(jì)選擇長壁工作面充填開采[11]，其特點(diǎn)如下：

1)有效地避免矸石地面排放帶來的環(huán)境問題，具有較好的環(huán)境效益。

2)抑制煤層及頂?shù)装宓膭?dòng)力現(xiàn)象，減輕煤炭開采對地表的影響，減少和避免地表塌陷；對于控制導(dǎo)水裂隙帶及底板破壞深度發(fā)育，實(shí)現(xiàn)承壓水上安全開采較為有利。

3)減少?zèng)_擊地壓幾率、瓦斯積聚空間，降低采空區(qū)突水、瓦斯爆炸、有害氣體突出、浮煤自燃等事故發(fā)生可能性，提高礦井安全保障程度。

生產(chǎn)中也可以考慮綜合充填工藝[12-15]，逐步試驗(yàn)在地面保護(hù)區(qū)下充填開采，實(shí)現(xiàn)資源回收與地面保護(hù)的雙贏。

3.2.2 井下矸石運(yùn)輸及充填系統(tǒng)

礦井南北兩翼的掘進(jìn)矸石均通過布置于進(jìn)風(fēng)大巷中的帶式輸送機(jī)運(yùn)輸匯總至南翼掘進(jìn)矸石儲料倉(D6.0m，+270m水平進(jìn)風(fēng)大巷與南一采區(qū)進(jìn)風(fēng)上山交叉位置)，在儲料倉上口布置破碎篩分機(jī)，粒徑100mm的矸石篩分后直接落入料倉內(nèi)，100mm粒徑以上的矸石進(jìn)入破碎機(jī)破碎至粒徑100mm以下后再落入料倉。需使用矸石充填物料時(shí)，從儲料倉下口經(jīng)給料機(jī)放出，通過帶式輸送機(jī)連接進(jìn)入井下充填矸石輸送系統(tǒng)。

3.2.3 井下矸石充填系統(tǒng)工藝流程

矸石充填儲料倉倉下口設(shè)甲帶給料機(jī)，矸石經(jīng)矸石充填斜巷運(yùn)矸一部帶式輸送機(jī)、矸石充填斜巷運(yùn)矸二部帶式輸送機(jī)、南一采區(qū)2煤軌道上山一部運(yùn)矸帶式輸送機(jī)、南一采區(qū)2煤軌道上山二部運(yùn)矸帶式輸送機(jī)、南一采區(qū)2煤回風(fēng)巷道運(yùn)矸帶式輸送機(jī)到達(dá)工作面運(yùn)矸巷道，通過運(yùn)矸巷道內(nèi)的轉(zhuǎn)載輸送機(jī)、多孔底卸式輸送機(jī)輸送、充填采空區(qū)。

3.2.4 充填工作面設(shè)備選型

1號煤層屬于薄煤層，目前充填工藝無法達(dá)到理想充填效果，故考慮3年后2號煤層及后期下組煤采用充填開采以解決矸石處置問題。設(shè)計(jì)初期針對2煤綜采工作面進(jìn)行改造，形成工作面前部采煤，后部使用多孔底卸式輸送機(jī)等實(shí)現(xiàn)采空區(qū)矸石充填，即采用綜合機(jī)械化固體充填采煤工藝。矸石充填工作面采煤設(shè)備，要與原有的2煤工作面采煤設(shè)備相匹配，達(dá)到生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益的最大化。

1)2號煤層工作面原有液壓支架更換為ZC9600/16/36四柱支撐式充填采煤液壓支架，選用電液閥控制，主要技術(shù)參數(shù)為：支護(hù)高度1.6～3.6m，工作阻力9600kN，初撐力7752kN，質(zhì)量約35t/架。

2)多孔底卸式輸送機(jī)選用SGBC764/250型，主要技術(shù)參數(shù)為：設(shè)計(jì)長度155m，運(yùn)輸能力500t/h，卸料孔尺寸345mm×460mm，電機(jī)功率250kW，額定電壓1140V。

3)自移式充填物料轉(zhuǎn)載輸送機(jī)選用GSZZ-800/15型，主要技術(shù)參數(shù)為：運(yùn)輸能力500t/h，帶寬0.8m，v=2.5m/s，邁步自移行程10m，卸載高度2.2～4.1m，電機(jī)功率15kW，額定電壓1140V。

4 結(jié) 語

綠色發(fā)展是煤炭規(guī)劃發(fā)展的迫切要求和重要理念，作為開采條件復(fù)雜的現(xiàn)代化大型礦井，中峪礦井設(shè)計(jì)從源頭上減少煤矸石排放，創(chuàng)造條件實(shí)現(xiàn)井下分選，井下充填，提高煤矸石的井下綜合利用率，實(shí)現(xiàn)生態(tài)環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益的和諧統(tǒng)一，為相似條件下煤礦井下分選充填設(shè)計(jì)應(yīng)用提供了可靠借鑒，得到了設(shè)計(jì)評估單位及建設(shè)單位的高度評價(jià)。