矸石充填工作面关键技术探索与研究

郑 州

（山东东山古城煤矿有限公司，山东 兖州 272100）

煤矸石露天排放和采空区引起的地表塌陷是煤矿生产引发环境问题最主要的根源。原生矸石充填开采技术可回收条带遗留煤柱和建筑物下压煤，可减少地表下沉，实现矸石不出井，减轻提升、运输的压力，在延长矿井服务年限的同时，也给矿井带来较大的经济效益。

1 概况

古城煤矿地面建筑物密集，整个井田分为“三下压煤”区，地质构造复杂。建矿以来，一直开展条带开采的研究和实践，但回采率低的问题一直没有得到有效解决。近年来，矿井致力于巷道矸石置换充填技术的研究，煤炭采出率有所提高，可仍有40%左右的煤炭资源得不到回收，浪费现象依然存在。

针对煤矿充填开采效率低、开采成本偏高的问题，古城煤矿提出了气动力矸石充填联合采煤法的概念：将井下采掘过程中产生的矸石分离、破碎后运至回采工作面直接充填采空区，先通过捣实充填构件反复推压夯实，实现工作面下落式充填开采，再通过气动力矸石联合充填装置，将输送管路给入的矸石沿管路输送到工作面上部的未充实区域，经捣实构件反复推压夯实并接顶，实现采空区全断面充填。如图1、图2、图3所示。

2 气动力矸石联合充填采煤法

2.1 巷道布置

工作面采用倾斜长壁后退式综合机械化采煤法。两顺槽平行布置，工作面通过12采区进风上山与大巷连接进风，工作面通过回风联络巷、采区回风上山、总回风巷形成工作面回风系统。

2.2 设备布置

工作面进风顺槽（运料巷道）安装有运矸皮带，回风顺槽（运煤巷道）安装有破碎机、转载机、运煤皮带，工作面配备MG250/601-QWD采煤机1台、ZC4000/14.5/30充填专用支架23架、SGZ730/400可弯曲刮板输送机、吊挂皮带等主要设备。

2.3 充填方法

2.3.1 顶板管理

工作面控顶区内顶板移架前挂金属网并在支架间适当间距采用锚网支护，选用Φ22×2500mm等强树脂锚杆控制顶板，从而减缓采空区顶板下沉速度，使工作面达到设计充填效果。

图1 气动力矸石联合充填工作面平面示意图

图2 Ⅰ-Ⅰ断面

图3 Ⅱ-Ⅱ断面

2.3.2 生产工艺

（1）落煤、装煤、运煤

由采煤机割煤，采用常用煤机滚筒与刮板输送机配合装煤，割采生产的原煤经转载机和皮带顺槽上的运煤皮带、联络巷皮带（底层）转载运出。

（2）移架、推溜

采煤机割煤过后，将采煤机移架，移架完成后，根据工作面上的刮板输送机的上窜下滑情况，采用自上而下或自下而上的顺序推溜。

（3）破碎矸石

将井下掘进产生的矸石分级破碎后，运到设在采区矸石仓的齿辊式破碎机内进行破碎。

（4）下落矸石

采用气动力矸石联合充填装置对工作面采空区矸石进行充填。使用液压支架后侧上方吊挂的皮带输送矸石，并配合皮带拦矸器，将充填材料运至工作面的各充填点。然后，通过遥控开启风动力装置，将吊挂皮带运送的矸石吹出，残余矸石则通过后部关闭的拦矸器，实现下落充填，拦矸器通过液压千斤顶实现控制。在完成一个作业循环的采煤工作后，开始采空区充填。充填顺序由上至下，操控支架的捣实构件由下至上进行捣实，实现从机尾至机头的全面充填。

（5）气动力输送系统充填矸石

气动力输送系统采用正压输送方式，矸石从上游皮带输送机通过犁式卸料器给入螺旋给料机，利用罗茨鼓风机以压缩空气为动力作为动力来源，将给入的矸石沿管路输送到工作面，喷射至采空区域，实现采空区上部充填压实。

3 工艺特点及技术要求

（1）移架过程中要拉线移架，保证移架后支架一条直线。矸石破碎粒度小于等于50mm。

（2）高压风动力装置包括用于与高压风机相连的风管，在朝向吊挂皮带位置处的风管上安装有若干个高压喷头，所述高压喷头通过高压气流将吊挂皮带上运送的矸石吹入支架尾梁后方的工作面采空区。

（3）气动力输送系统包括安装在轨道顺槽一侧的螺旋给料机，在螺旋给料机的下游安装有作为动力源的罗茨风机。螺旋给料机通过犁式卸料器接收皮带输送机运输过来的矸石，罗茨风机的出口与输送管路相连，并通过输送管路将待给入的矸石沿管路输送到工作面上部的未充实区域。

4 效果评价

该方法具有设备投资少、工艺简单、充填料价格低廉的特点，解决了建筑物下压煤、煤矸石处理、环境污染、辅助运输四大难题，实现了矿井矸石不升井、减小采动对地面影响的目标，而且将副井从繁杂的矸石提升运输中解放出来。

该矿自2017年推行充填开采以来，充填矸石16.4万t，置换原煤11.8万t，减少矸石占地面积的同时，也降低了地面塌陷赔款，缓解了矿井运输压力，实现了副井、主井的联合提煤，提高了精煤产量和矿井总体产量。原煤煤质平均发热量超过4700kcal ，提高综合经济效益7800万元。

5 结论

开展矸石充填开采技术的研究，其目的是为了最大量提高压煤采出率，实现条带遗留煤柱和建筑物下压煤的回收，延长矿井服务年限，实现经济效益最大化。经联合攻关，气动力矸石充填联合采煤法实现了充填开采关键技术的突破，成功开发了具有自主创新的关键技术原生矸石充填开采工艺。该项目，已达到国内原生矸石充填的先进水平，减轻了采矿作业对自然环境的破坏，实现煤炭资源的“绿色开采”，是煤矿充填开采的大创新，有力地促进了我国煤矿井下充填开采技术的发展。