矸石直接充填采煤的技术框架、关键设备及充填开采工艺

卢成飞

(神华神东煤炭集团 柳塔煤矿，陕西 榆林 017209)

一 矸石直接充填采煤的技术框架分析

所谓的矸石直接充填采煤技术实质上就是借助采掘作业面处置煤矸石的一种采煤方法，通过该技术不但能够有效减少煤矿固体废弃物的排放量，而且还能进一步减轻煤矿开采过程中的沉陷灾害，有利于提高矿井资源的收回率，是实现煤矿绿色开采的关键技术之一。现阶段，随着矸石充填液压支架以及高速动力抛矸机等设备的研制成功，使得矸石直接充填采煤变为可能，并且也基本形成了煤矿井下矸石直接充填开采的技术框架，其中主要包括综采矸石充填技术、巷道采掘矸石充填技术以及普采矸石充填技术等等。目前，针对我国各大煤矿矸石的露天排放以及大量的三下压煤现象，已经研制并成功开发出了煤矿井下矸石直接充填置换开采技术，并且还相应建立了矸石充填采煤的矿压分析和岩层运动与地表沉陷预测方法，同时还开发出了井下煤流分选设备、相应系统以及矸石运输系统等，并将之成功应用于三下压煤和其它煤柱的回采当中，进而形成了一套原创性的矸石置换开采技术和应用体系，其总体技术框架如图1所示。

图1 煤矿井下矸石直接充填采煤的技术框架

二 矸石直接充填采煤的关键设备及开采工艺

(一)关键设备

煤矿井下矸石直接充填采煤技术的关键设备有矸石充填机和矸石输送机，后者是前者的配套设备。在矸石充填的过程中，充填机的充填部会随着充填的不断进行向充填巷道外部退移，而输送机则应当能够随着充填部的不断退移，利用自动调整或是手动调整快速回复工作。通常情况下，大部分矸石输送机的驱动方式都是机头驱动，在实际生产过程中，由于该设备的体积和重量相对较大，因而向后退移比较困难，这样一来对矸石的充填速度和效率造成了一定程度的影响，解决这一问题最为有效的方法是改用机尾驱动式矸石输送机。目前，大部分煤矿采用的矸石输送机都是由以下几个部分组成：胶带、托辊、机架、驱动装置、拉紧与清扫装置等，而机尾驱动式矸石输送机的实现比较简单，具体可在现有的胶带输送机的基础上进行适当改造，使其驱动方式由原本的机头驱动变为机尾驱动，其相关参数的确定主要包括带宽、带速、电动机功率、驱动滚筒的圆周力及其所需的功率等等。其中带宽与带速的确定是较为重要的环节之一，根据相关理论可得出如下结论，即最佳的带宽与带速有着直接关系，简单来讲，带宽大会导致整机加重、占地面积加宽、造价升高，同时过度增大带速又可能带来一些负面效应，如电动机所需的功率增大、运行成本提高等等。此外，带宽的选择还与运输物料的最大块度有关。由于带速是影响电动机选择的主要因素，而带速的确定不仅与运输的物料种类相关，而且还受到带宽的制约。通常情况下，可以按照煤矿的实际地质条件，并参照相应的设计规范，通过对输送机稳定性的分析，选取最为适合该作业条件下的带宽与带速。在实际改造过程中，主要改造的部位如下：其一，将驱动装置由机头驱动改为机尾驱动;其二，加装SZL型可伸缩式输送机自动张紧装置，该装置主要是由液压泵、隔爆电控箱、拉紧油缸、蓄能站、慢速绞车以及相关附件构成，它的工作原理是当胶带出现松弛且拉力下降时，张紧油缸与胶带间的拉力便会失去平衡，在蓄能站与泵站的共同作用下，张紧油缸会出现迅速收缩的情况，这样一来便会拉动小车移动，直至胶带重新张紧到设定状态为止。

(二)开采工艺

1.矸石直接充填开采的工艺流程。首先，由推车机将矸石矿车推入到翻车机中，再由翻车机翻矸至矸石仓，随后由矸石仓下口将矸石送入给料机，并由给料机将矸石转送至充填配巷的机尾驱动式矸石输送机中，然后运送给充填机，由其充填至需要进行充填的巷道内。同时在与之邻近的充填巷道内进行注浆加固处理。

2.充填工艺。矸石充填过程中采用的是机尾驱动式矸石输送机，其驱动部分位于机尾，将之固定在充填巷道的出口位置处，输送机的机尾部分与充填机的机尾进行搭接，并由该端负责接收来自于矸石充填配巷的矸石，然后通过输送机将矸石运输至与充填机充填部位衔接的卸载端，矸石输送机的机头则随着充填巷的不断充填而外移，设备上的拉紧装置能够使输送机的胶带不断收缩，进而使矸石充填工作保持连续。

3.应用效果分析。①通过将矸石输送机由机头驱动改为机尾驱动，进一步降低了工作人员的劳动强度，设备的后撤速度也明显加快，正常情况下，矸石的日最大处理量能够达到150立方米左右。②由于输送机的驱动装置安装在机尾，从而增大了充填巷内的活动空间，有效减少了设备及作业人员的安全事故。③输送机的机头卸矸端能够很好的使充填机充填部自动移动，进而消除了输送机卸矸时矸石外漏的情况，显著提高了矸石运输的可靠性。④整个矸石充填的工序非常简单，充填后的矸石密实度良好，能够对覆岩层起到较好的控制作用。

(三)矸石直接充填开采技术的推广前景

推广矸石直接充填开采技术的重要意义具体体现在以下几个方面上：其一，通过该技术的推广应用，能够有效解决三下压煤问题，可以显著增加可供采掘的煤炭资源，有助于延长矿井的服务年限。由于煤炭本身属于不可再生的一次性资源，因而，增大煤炭资源、延长矿井服务年限对于国民经济的可持续发展意义重大;其二，能够明显改变矿压的显现规律，可以使矿井的支护条件获得显著改善。由于充填开采使原始的围岩得以稳定，采掘作业面初期来压以及周期来压也不再显现，从而使得矿山的压力明显降低，不但进一步减少了支架的工作阻力，而且还节省了大量的钢材;其三，有助于减少矿井涌水量，进而节省排水费用。采用充填开采技术可以使煤层底板始终保持稳定，这样一来涌水量大幅度降低，较之常规开采工艺能够节省将近70%左右的井下排水费用，经济效益非常明显;其四，可显著减少矸石山的占地面积，有利于保护周边自然生态环境。据不完全统计，我国每年累计堆积的矸石约为45亿吨左右，较大规模的矸石山约有1600余座之多，并且矸石的堆积量还在以每年15-20亿吨的速度增长，采用矸石直接充填采煤技术能够使该问题获得有效解决;其五，有利于减少矿井瓦斯的涌出量。由于采用矸石直接充填开采工艺采空区后围岩不会产生出移动，这样煤层顶板和底板便可以保持原始状态，瓦斯涌出量比采用冒落式开采大幅度减少;其六，经济效益和社会效益明显。采用该技术进行煤矿开采矸石不会形成矸石山，有效减少了矸石的占地面积，矿山周边环境得以改善。

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