潘明亮

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 054000）

0 引 言

根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國煤炭生產(chǎn)礦井“三下”壓煤達137.9億t，建下壓煤94.68億t，隨礦井煤炭資源的開采及當下煤炭資源需求側(cè)的放量上漲，礦井“三下”煤炭資源開采問題逐步顯現(xiàn)。邢東礦村莊及工業(yè)廣場煤柱壓煤量占據(jù)全部礦井儲量的87%，如果搬遷開采，不僅搬遷難度很大，還會產(chǎn)生較高的經(jīng)濟成本，并造成嚴重的生態(tài)和人文環(huán)境的破壞。同時礦井在生產(chǎn)過程中會排放大量的煤矸石，若采用傳統(tǒng)的處理方式，堆積建造矸石山，會造成環(huán)境污染，侵蝕、侵占農(nóng)田和占地成本高等問題。邢東礦采用的工作面矸石充填開采方式，極大地解決了礦井“三下”開采、矸石處理同環(huán)境、人文資源保護和成本管理的多方面問題，是“三下”煤炭工作面開采的理想途徑。

1 矸石充填開采工藝

矸石充填系統(tǒng)（圖1）采用架后填矸，運輸機上的卸料孔將矸石卸載至采空區(qū)，通過搗實機構(gòu)將矸石充分搗實并完全接頂，待支架后方空間全部充滿并完全搗實，再進行下一刀割煤工序，實現(xiàn)循環(huán)充填回采。

圖1 工作面矸石充填工藝示意Fig.1 The gangue filling process of working face

在矸石充填開采系統(tǒng)的配套措施中，不僅要實現(xiàn)煤矸石的井下篩選、運輸、充填、搗實等系列技術(shù)工序，還要形成井下采煤分選后充填采煤的循環(huán)開采模式。矸石的使用和充填搗實是矸石充填開采的核心問題與核心技術(shù)。目前，邢東礦11233智能化矸石充填采面，通過井下跳汰、洗選、篩分系統(tǒng)與井上矸石投料系統(tǒng)，不僅實現(xiàn)了對自有礦井所產(chǎn)矸石的充填使用，還消耗周邊礦井生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的矸石及傳統(tǒng)開采所堆積矸石。改變了矸石作為煤礦開采的伴生物與煤一起運至井上，分離后堆積為矸石山的傳統(tǒng)開采工藝，不僅做到了矸石不升井減少成本，更用矸石充填開采置換煤炭資源，還不會產(chǎn)生環(huán)境、經(jīng)濟和社會等問題。

2 矸石充填開采關(guān)鍵系統(tǒng)

2.1 地面矸石投料系統(tǒng)

由于在采煤生產(chǎn)和巷道開掘、整修過程中所產(chǎn)生矸石，并不能滿足日常充填采煤所需的矸石，因此需要建設(shè)地面矸石投料系統(tǒng)，地面矸石投料系統(tǒng)整體分地面矸石站、矸石投料孔及緩沖裝置、井下矸石運輸、矸石充填等4部分。

2.1.1 地面矸石站

從周邊及其他礦井運輸過來的矸石，在地面的矸石站卸車并進行存儲，然后經(jīng)轉(zhuǎn)載至井上矸石投料孔，地面矸石站平面圖如圖2所示。

圖2 邢東礦地面矸石站平面圖Fig.2 Plane diagram of ground refuse station in Xingdong Mine

井上地面矸石站總占地不足20畝，主要建筑物采用封閉式鋼化棚結(jié)構(gòu)，面積45 m×39 m（長×寬），場地配備控制辦公區(qū)域、車間、洗車系統(tǒng)。車間內(nèi)配備有6個7.5 m×7.5 m連體式地下存儲倉，單個存儲倉容積270 m3，總建設(shè)存儲容量1 620 m3，可實現(xiàn)存儲正常生產(chǎn)24 h內(nèi)充填開采所需的矸石量。存儲倉下安裝6臺給煤機，1部B1000皮帶，可以將矸石運輸至投料孔。

2.1.2 矸石投料孔及緩沖裝置

矸石經(jīng)B1000皮帶運輸至投料孔后，由地面投放至井下，在井下設(shè)置密閉緩沖裝置，期間通過控制風(fēng)壓的方法來對矸石投放后的掉落速度進行控制，并經(jīng)緩沖裝置對下降的沖擊速度緩沖后，進入矸石緩沖倉。

投料孔（圖3）采用垂直孔洞，孔洞垂直度正負偏差在1‰以內(nèi)，孔深771 m，孔徑870 mm。布置φ586 mm雙金屬耐磨管，壁厚50 mm（外壁采用16 Mn鋼厚20 mm，內(nèi)壁采用高鎳鉻鉬合金厚30 mm），外層為16錳鋼、內(nèi)襯為高鉻耐磨合金（KMTBCr28），管道在高溫熱鑄（焊）狀態(tài)下整體復(fù)合而成，耐磨性與韌性有機結(jié)合，性能優(yōu)勢互補，具有優(yōu)良的抗沖刷磨損性能及承壓抗沖擊能力，采用漂浮法下沉、井口對位焊接方式安裝。

圖3 投料孔結(jié)構(gòu)示意Fig.3 Structure of feeding hole

緩沖裝置主要由投料孔底部的錐形緩沖器和密閉門為主的風(fēng)壓控制裝置構(gòu)成（圖4），從而實現(xiàn)矸石的下落沖擊，降低沖擊速度。

圖4 緩沖器及密閉風(fēng)壓控制系統(tǒng)Fig.4 Buffer and closed air pressure control system

錐形緩沖器被安裝在投料孔的底部存儲倉上口，可以實現(xiàn)減少矸石充填物的垂直落體速度，降低高速垂直落體的矸石充填物對井下儲料倉的沖擊破壞。主要由傘帽、傘底、支撐板、導(dǎo)向桿和彈簧5部分組成。整體為傘裝錐形體結(jié)構(gòu)，錐形體外側(cè)面呈下凹趨勢。下端具有中空腔，與傘底和支撐板由導(dǎo)向桿連接，傘底與支撐板之間裝載高性能彈簧，可用于緩沖矸石充填物的下墜沖擊。

2.2 井下矸石運輸系統(tǒng)

運輸矸石主要包括自產(chǎn)矸石和外來矸石2部分。以邢東礦11233工作面為例，自產(chǎn)矸石運輸主要為處理井下各頭面生產(chǎn)、巷道整修、篩分跳汰系統(tǒng)產(chǎn)的矸石，運輸系統(tǒng)總長4 150 m，矸石倉總?cè)萘? 050 m3，可儲存正常生產(chǎn)所需1.2 d的矸石。主要運輸線路為篩分系統(tǒng)—760運矸巷—1100南部采區(qū)矸石倉—1100南部采區(qū)運矸巷—1100南部采區(qū)集中運料巷—11233運料巷—工作面采空區(qū)。

礦外矸石主要是處理周邊東龐礦、邢臺礦矸石。運輸線路為地面矸石站—投料孔投送—孔底緩沖倉—760運矸聯(lián)巷—760運矸巷—1100南部采區(qū)矸石倉—1100南部采區(qū)運矸巷—1100南部采區(qū)集中運料巷—11233運料巷—工作面采空區(qū)。

3 矸石充填采煤工藝及裝備

礦井11233工作面采用單一厚煤層一次采全高傾斜長壁后退式采煤法，使用機組落煤，刮板輸送機運輸，頂板采用充填液壓支架支護，矸石充填材料控制頂板下沉。

智能化采煤工作面采煤機記憶自動割煤，支架跟機自動移架支護，集中泵站實現(xiàn)自動配比和變頻智能控制，集控中心可以實現(xiàn)設(shè)備分機自動控制、集成自動化控制。

3.1 矸石充填采煤工藝

（1）采煤工藝順序：雙滾筒采煤機割煤—刮板輸送機運煤—液壓支架支護頂板—推移刮板輸送機。

（2）充填施工工藝：機尾拉移支架—運矸皮帶與后部刮板運輸機搭接—工作面中間依次充矸—依次搗實—機頭、機尾充矸搗實。

（3）充矸搗實過程：本架漏矸多次—本架搗實多次—鄰架漏矸多次—鄰架搗實多次，多次漏矸，多次搗實，直至采空區(qū)充填物料充分接頂并充分搗實，達到設(shè)計壓力為止（24 MPa及以上）。

（4）綜合機械化采煤，自動化控制。具體流程為準備—割煤—運煤—移架—推溜。

3.2 矸石充填采煤裝備

工作面矸石充填開采三機設(shè)備包括43臺ZC5160/29/48D液壓支架，1套MG500/1140-WD采煤機，1部SGZ800/800前部刮板輸送機。為增強設(shè)備的適應(yīng)性和實用性，提高充填效率和效果，對支架局部進行了升級改造。研制了支架新型搗實機構(gòu)，將原來的雙搗實改為單搗實，操作更加便捷高效、易更換，該項改造榮獲國家專利。研制了國內(nèi)最大的矸石刮板運輸機，將原來的130 kW、730槽寬的升級為200 kW、800槽寬的刮板運輸機，選用進口材料制作，提高了后溜子的運行效率和耐磨度，該項改造獲國家專利。

（1）采煤機選用上海創(chuàng)力礦山設(shè)備有限公司MG500/1140-WD型電牽引采煤機1臺（圖5），主要技術(shù)參數(shù)如下。裝機功率/kW 1 140牽引功率/kW 2×55供電電壓/v 3 300牽引力/kW 720/430整機重量/t 67適應(yīng)傾角/（°） ≤16機面高度/mm 1 595截割功率/kW 2×500調(diào)高功率/kW 30牽引速度/（m·min-1） 0～7.55～12.6采高范圍/m 2.0～4.4煤質(zhì)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

圖5 MG500/1 1 40-WD型電牽引采煤機Fig.5 MG500/1140-WDelectric traction shearer

（2）液壓支架選用邢臺機械廠ZC5160/29/48D型矸石充填支架（圖6），主要技術(shù)參數(shù)如下。

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

支護強度/MPa 0.57

初撐力/kN 3 878

工作阻力/kN 5 160

底板比壓/MPa 2.98

（3）端頭支架采用ZT9400/30/50D型端頭支架（圖7），主要技術(shù)參數(shù)如下。

圖7 ZT9400/30/50D型端頭支架Fig.7 ZT9400/30/50Dend bracket

支護強度/MPa 0.3

初撐力/kN 7 752

工作阻力/kN 9 400

底板比壓/MPa 2.98

4 結(jié) 論

邢東礦11233工作面矸石充填采煤系統(tǒng)在工作面運行期間，系統(tǒng)穩(wěn)定可靠。

（1）同以往的傳統(tǒng)開采技術(shù)相比，不僅在矸石的處理上降低了矸石升井后的處理成本，并且解決了矸石山建造等存在的一系列環(huán)境、人文保護和遷建困難的問題。

（2）提高了資源的利用率，矸石充填工作面的建設(shè)隨矸石充填開采的能力提高，使得矸石置換“三下”煤炭資源，極大的提高了我國煤炭資源的利用率。

（3）外部矸石的調(diào)度運輸處理也為現(xiàn)存礦井矸石山的環(huán)境治理提出了新的解決思路，為生態(tài)治理矸石山提供了新的治理方向，即環(huán)境治理改善與采煤生產(chǎn)相結(jié)合。在以后的采煤應(yīng)用技術(shù)中，矸石充填開采技術(shù)會受到更加充分的推進。