邢世坤

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺 054000）

0 引 言

目前矸石山環(huán)保治理已經(jīng)列為政府環(huán)境整治的重點(diǎn)任務(wù)，為此國家和地方發(fā)布了系列法律法規(guī)，強(qiáng)化矸石山環(huán)保治理，推進(jìn)矸石綜合利用。利用矸石山的矸石作為原料充填開采，不僅可以解放井下大量的煤炭資源，也為地面矸石山治理提供了一條有利的出路[1-5]。邢東礦先后將條帶開采、超高水材料充填開采等技術(shù)應(yīng)用于解放村莊壓煤，并將井下矸石回填置換永久煤柱，解放了大量呆滯資源。由于礦井矸石充填生產(chǎn)能力的提升，現(xiàn)有的井下掘進(jìn)矸石已不能滿足充填需求。因此建立矸石地面充填系統(tǒng)，不僅可以滿足井下充填需求，還可以減少地面矸石堆放帶來的生態(tài)環(huán)境影響[6-7]。

我國煤礦矸石充填開采大多數(shù)仍采用由井下運(yùn)輸充填方式，充填開采效率低、產(chǎn)量不大，同時極少數(shù)采用地面矸石投料入井進(jìn)行充填開采礦井，一般具有礦井深度小、投料條件較為簡單等特點(diǎn)。隨著矸石充填技術(shù)的發(fā)展，地面矸石充填技術(shù)成為處理矸石及矸石充填開采的重要必然方向，但國內(nèi)外過地面矸石充填站儲存及運(yùn)載矸石技術(shù)發(fā)展尚未成熟，還沒有相似的經(jīng)驗(yàn)可以借鑒，對煤礦充填開采的發(fā)展具有意義。

1 存儲工藝方案確定

邢東礦采用的充填矸石來自臨近東龐礦。矸石原料在東龐礦進(jìn)行篩分破碎（平均粒徑50 mm），破碎合格后的矸石采用自卸式卡車運(yùn)至邢東礦地面矸石充填站。經(jīng)投料孔投入井下，與井下矸石一起經(jīng)皮帶運(yùn)輸至工作面支架后部，再采用刮板輸送機(jī)充填到工作面采空區(qū)，由充填液壓支架推壓密實(shí)機(jī)構(gòu)進(jìn)行推壓密實(shí)，系統(tǒng)分為地面矸石站、矸石投料孔及緩沖裝置、井下矸石運(yùn)輸系統(tǒng)、工作面回填系統(tǒng)4 部分，如圖1 所示。

圖1 地面矸石充填流程示意Fig.1 Ground gangue filling process diagram

1.1 倉儲形式選擇

根據(jù)邢東礦實(shí)際需求，地面矸石存儲量不低于1 500 m3（約為井下1 個工作日所需矸石量）。由于該項(xiàng)目選址處于城區(qū)規(guī)劃區(qū)域之內(nèi)，為減少對周邊環(huán)境的影響，迎合市政規(guī)劃需求，擬選擇矸石存儲方式為封閉式地下淺倉或半地下堆場式。

1.2 工藝方案比較

工藝布置直接影響到該項(xiàng)目的投資和系統(tǒng)功能的通暢性。在滿足充填系統(tǒng)要求，且不影響整體布局的前提下，設(shè)計(jì)對地面工藝總布置進(jìn)行了多方案比選優(yōu)化，以使總平面布置達(dá)到系統(tǒng)簡潔、運(yùn)輸順暢、規(guī)劃用地少、投資小、運(yùn)行費(fèi)用低的目的。

方案一：自卸汽車運(yùn)輸矸石由進(jìn)車門進(jìn)入鋼結(jié)構(gòu)棚化車間（45 m×39 m），車間內(nèi)建有6 個7.5 m×7.5 m 連體地下式儲倉，倉下安裝給料機(jī)。采用直卸式卸載方式，滿載汽車可沿倉四周后卸或側(cè)卸矸石入倉儲存，倉內(nèi)矸石經(jīng)給料機(jī)匯入投料帶式輸送機(jī)，并輸送至井下，地面工藝布置如圖2所示。

圖2 方案一布置示意Fig.2 Scheme 1 layout schematic

方案二：采用鋼結(jié)構(gòu)棚化車間和淺倉存儲方式。地面設(shè)計(jì)鋼結(jié)構(gòu)棚化車間（28 m×25 m），車間內(nèi)建有6 個7.5 m×7.5 m 的淺倉，倉上均布鋼梁，倉下安裝給料機(jī)。采用通過式卸載方式，滿載汽車經(jīng)鋼梁從儲倉上面通行，在倉口上方自卸汽車后卸或側(cè)卸矸石入倉儲存，倉內(nèi)矸石經(jīng)給料機(jī)匯入投料帶式輸送機(jī)輸送至井下，地面工藝布置如圖3 所示。

圖3 方案二布置示意Fig.3 Scheme 2 layout schematic

方案三：設(shè)計(jì)采用半地下式堆場儲存矸石。矸石堆場外圍護(hù)鋼結(jié)構(gòu)棚化車間（40 m×32 m），滿載汽車進(jìn)入堆場后自卸矸石入場地存儲，場地中建有3.6 m×3.6 m 的受料漏斗，鏟車日常協(xié)助堆放和推矸石進(jìn)漏斗，進(jìn)入漏斗的矸石通過其下安裝的給料機(jī)給入帶式輸送機(jī)運(yùn)輸至井下，地面工藝布置如圖4 所示。

圖4 方案三布置示意Fig.4 Scheme 3 layout schematic

3 個方案的對比見表1。經(jīng)綜合比較，確定采用方案一作為地面工藝布置方案。

表1 不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)對比Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of different schemes

1.3 主要生產(chǎn)單元工藝布置

1.3.1 汽車卸載點(diǎn)

場區(qū)中央沿淺倉邊緣均可卸車，自卸汽車進(jìn)入卸載區(qū)域后可根據(jù)需要將矸石自行卸入任意倉內(nèi)，每個倉下均設(shè)有給料機(jī)，用于將倉內(nèi)矸石給入帶式輸送機(jī)。

1.3.2 矸石儲倉

在場地中央建有6 個7.5 m×7.5 m 的連體淺倉，每個倉容270 m3，總?cè)萘? 620 m3，滿足1 d需要充填矸石1 500 m3的生產(chǎn)要求。

1.3.3 投料運(yùn)輸系統(tǒng)

在倉下設(shè)有一條通向井下投料孔的帶式輸送機(jī)，倉內(nèi)矸石通過給料機(jī)匯入帶式輸送機(jī)并投料孔輸送至井下。

1.3.4 封閉式矸石充填站

該設(shè)計(jì)充填站尺寸為45 m×39 m，外圍護(hù)全部采用封閉式結(jié)構(gòu)，在維護(hù)墻中采取隔噪措施，將生產(chǎn)中的噪音和揚(yáng)塵與外部環(huán)境隔離。

2 輸送投料方式選擇

2.1 輸送投料方式

將固體充填物從地面輸送至井下，目前常用的方法有副井提升法、雙井筒托盤式輸送法及垂直投放法[8-9]。

（1）副井提升法。

如果副井為立井，且矸石充填量較少時，可以通過副井提升的方式運(yùn)輸矸石。該方法可充分利用礦井現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)，不需增加額外工程。但其主要缺點(diǎn)一是受副井提升能力的限制，加劇了輔助提升的壓力；另一方面副井主要用作輔助運(yùn)輸，同時兼顧運(yùn)送矸石，因此不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)輸，運(yùn)輸量有限，無法滿足大批量矸石充填的需求。

（2）雙井筒托盤式輸送法。

雙井筒托盤式輸送法主要是利用地面驅(qū)動系統(tǒng)帶動固體充填料投放系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)，投放系統(tǒng)由若干個托盤組成，矸石在托盤上通過驅(qū)動系統(tǒng)到達(dá)井下，卸載到膠帶輸送機(jī)上，同時進(jìn)入另外一個投料孔返回地面裝載矸石，如此循環(huán)運(yùn)輸。該方法可現(xiàn)實(shí)固體充填料的高效輸送，其主要優(yōu)點(diǎn)為可適應(yīng)不同投料粒徑的需求，保證原始充填料的粒徑；井壁結(jié)構(gòu)簡單，充填井不易發(fā)生堵塞現(xiàn)象。但該方法投料系統(tǒng)復(fù)雜，當(dāng)井筒較深時，工程投資較大。雙井筒托盤式輸送法示意圖如圖5 所示。

圖5 雙井托盤輸送系統(tǒng)示意Fig.5 Tray conveying system of double well

（3）垂直投放法。

垂直投放法是在地面施工一個鉆孔，安裝耐磨管路作為物料的輸送通道。該方法的優(yōu)點(diǎn)是通過量大、成本低。但有堵管的可能，并且當(dāng)投料深度大時對底部的緩沖系統(tǒng)要求較高。垂直投放法輸送示意圖如圖6 所示。

圖6 垂直輸送系統(tǒng)示意Fig.6 Vertical conveying system

邢東礦采用的固體充填料為矸石，礦井始建于1998 年，經(jīng)多年升級改造，其生產(chǎn)能力由原設(shè)計(jì)60 萬t/年提升至125 萬t/年，副井富裕能力已無法滿足60 萬t/年的矸石返運(yùn)能力。投料點(diǎn)地面距井下約770 m，若采用雙井筒托盤式輸送法則其投資大，工期長。因此本著工期短，系統(tǒng)簡單可靠的原則，此次設(shè)計(jì)選用垂直投放法，即自地面垂直向井下施工一個投料鉆孔形成輸送通道。

2.2 投料孔直徑

投料孔直徑關(guān)系著投料能力與成本投入。直徑太小將限制充填能力，增加物料與投料管的摩擦且容易造成管路堵塞，而直徑較大將增加施工難度并增加經(jīng)濟(jì)成本[10]。根據(jù)單位時間內(nèi)的投料量計(jì)算投料孔直徑。

2.2.1 單位時間投料量

（1）平均投料量。

平均投料量見式（1）。

式中：Q1為平均投料量，t/h；α 為夯實(shí)后的充填物與原煤容重比，2.5/1.75=1.45；A 為年生產(chǎn)能力取60 萬t；t 為日有效投料時間，取7 h。

經(jīng)計(jì)算，平均投料量為376.6 t/h。

（2）瞬時投料量。

瞬時投料量為投料口所有輸送機(jī)總輸送能力之和，一般考慮1.2 的不穩(wěn)定系數(shù)。即：Q=1.2Q1=452 t/h。

（3）充填料下落等效直徑。

式中：γ 為投料流量不均衡系數(shù)，取1.2；ρ 為投料孔中固體料平均密度，取1.6 t/m3。

經(jīng)計(jì)算，得d0=213 mm。

（5）等效直徑修正。

考慮投料孔垂直度、投料孔壁粘附效應(yīng)、潮濕固體料粘聚作用，對計(jì)算等效直徑進(jìn)行修正：

式中：r1為垂直度修正系數(shù)，取1.2；r2為粘附效應(yīng)修正系數(shù)，取1.3；r3為固體料粘聚修正系數(shù)，取1.3。

經(jīng)計(jì)算d=432 mm。

通過上述計(jì)算，同時滿足固體料最大顆粒直徑及單位時間內(nèi)所需投料量的計(jì)算投料孔內(nèi)徑應(yīng)大于等于450 mm。

2.2.2 工程類比

（1）郭二莊煤礦二坑。

生產(chǎn)能力60 萬t/a，投料孔深度330 m，最大投料粒徑100 mm，投料能力400 t/h，投料孔內(nèi)徑495 mm，服務(wù)年限6 a。

（2）邢臺礦。

生產(chǎn)能力210 萬t/a，投料孔深度350 m，最大投料粒徑80 mm，投料能力不小于450 t/h，投料孔內(nèi)徑486 mm。服務(wù)年限大于15 a。

（3）唐山礦。

生產(chǎn)能力420 萬t/a，投料孔深度597 m，最大投料粒徑50 mm，投料能力不小于550 t/h，投料孔內(nèi)徑486 mm。服務(wù)年限大于15 a。

綜合確定該礦井投料孔內(nèi)徑為486 mm。

2.3 投料管材質(zhì)

在投料管安裝過程中，投料管自身需要承受較大的縱向拉力，在使用過程中還需要承受外側(cè)巖體對管體的圍壓作用。

投料管使用過程中，將承受圍巖壓力，其壓力最大處在投料管底端。因此材料的抗壓強(qiáng)度應(yīng)大于根據(jù)博萊絲公式確定的長圓筒臨界壓力。

綜上，確定管路外徑為586 mm，耐磨層厚度為30 mm，材質(zhì)為高鎳鉻鉬合金。

2.4 投料管安裝

由于投料管長度大，自重較重，為減少縱向應(yīng)力對管材的不利影響，投料管采用漂浮法下沉、井口對位焊接連接方式安裝。

鉆孔的垂直度將直接影響投料管的受力情況，理想的絕對垂直將減少投料管管壁的摩擦，延長投料管使用壽命。若垂直度較大，管壁彎曲處將受到?jīng)_擊壓力及摩擦力的雙重影響，其磨損量成幾何倍數(shù)增長。投料鉆孔垂直度控制在1‰以內(nèi)。

2.5 緩沖及壓風(fēng)控制

在固體充填料投放過程中，隨著充填料的下落，投料管及矸石料倉內(nèi)的空氣原有位置不斷被投放的充填料所占據(jù)，氣體受到壓縮，形成較大的氣壓（約0.5 MPa）。為了利用氣體壓力降低迎風(fēng)面充填料下落速度，形成“氣墊效應(yīng)”，同時避免瞬時增大的氣壓對人員、設(shè)備等造成危害，設(shè)計(jì)對矸石料倉上口進(jìn)行封閉并采取相應(yīng)的泄壓措施。

根據(jù)相關(guān)研究及應(yīng)用實(shí)踐，泄壓管直徑在100～500 mm 時，泄壓效果最為明顯。因此，綜合該礦矸石投料量和投料深度考慮，矸石料倉上口設(shè)計(jì)設(shè)置泄壓管直徑為300 mm。另外適當(dāng)增加泄壓管數(shù)量可以減小封閉空間的氣壓值，改變氣流場的分布狀態(tài)，設(shè)計(jì)設(shè)置泄壓管數(shù)量為2 個。

緩沖及壓風(fēng)控制系統(tǒng)示意如圖7 所示。

圖7 緩沖及壓風(fēng)控制系統(tǒng)Fig.7 Buffer and compressed air control system

2.6 降塵措施

充填物料投放時，會產(chǎn)生大量粉塵，所產(chǎn)生的粉塵會隨著泄壓管的泄壓涌入矸石倉繞道，造成粉塵飛揚(yáng)，危害作業(yè)人員健康、污染環(huán)境，因此須在泄壓管出口設(shè)置泄壓水池。一方面，泄壓水池可以實(shí)現(xiàn)水浴降塵、改善作業(yè)環(huán)境，另一方面，泄壓水池可以緩和氣體壓力，避免瞬時過大的氣壓對作業(yè)人員造成傷害。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 工作面概況

邢東礦11231 工作面位于一水平一采區(qū)，地面標(biāo)高為+57.2—+58.9 m，工作面標(biāo)高為-591—-724 m，工作面所采煤層為2 號煤。11231 工作面傾斜長度59 m，走向長度622 m，采用綜合機(jī)械化矸石充填開采。

3.2 應(yīng)用情況

經(jīng)過6 個月的施工，2021 年，煤矸石存儲站及投料孔投入了使用。現(xiàn)場應(yīng)用表明，矸石投料量可達(dá)600 t/h。2021 年6 月，工作面最高月產(chǎn)達(dá)到6萬t，創(chuàng)出矸石充填開采新水平。

3.3 社會效益

矸石充填工作面的建成，隨著矸石充填開采能力的提高，使外運(yùn)矸石置換建下煤炭成為現(xiàn)實(shí)，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)全礦區(qū)連續(xù)充填開采，大大提高資源利用率，將真正實(shí)現(xiàn)不遷村開采，推動礦井持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展。

礦外矸石利用投料孔投放井下，解決了建下矸石充填采煤的瓶頸問題，同時提供了較好的矸石山處理辦法，減少矸石對環(huán)境的污染。在緩沖后進(jìn)入矸石倉，同時布置系統(tǒng)將井下矸石匯合，通過矸石充填運(yùn)輸系統(tǒng)進(jìn)入工作面充填，可以回收大量煤炭資源、改善充填效果和降低建下回采成本。矸石充填開采對比高水充填可以降低成本69.81 元/t。

4 結(jié) 論

（1）實(shí)現(xiàn)了矸石從礦外通過車輛運(yùn)輸至地面矸石站卸車并儲存，主要建筑采用封閉式鋼化棚，車間內(nèi)建有6 個連體地下式儲倉，倉下安裝6 臺給煤機(jī)和1 部膠帶輸送機(jī)，將矸石運(yùn)輸至投料孔。

（2）實(shí)施應(yīng)用了大垂深（771 m）投料孔，矸石經(jīng)投料孔由地面投放至井下，孔下布置緩沖裝置及密閉裝置，通過控制風(fēng)壓調(diào)節(jié)矸石速度，并經(jīng)緩沖裝置緩沖后，進(jìn)入矸石緩沖倉。

（3）建成了全封閉半地下多點(diǎn)位全覆蓋自動收降塵的環(huán)保型矸石投放站。具有地下工程量小、車輛運(yùn)行簡單、卸載方便、采光通風(fēng)良好、噪聲粉塵控制效果好等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)場應(yīng)用效果良好，滿足了矸石充填的要求。