中峪矿井井下矸石分选充填系统设计

郭立斌

(中国煤炭科工集团 北京华宇工程有限公司，北京 100120)

煤矸石作为煤炭开采的固体废弃物，其资源化利用越来越重要，不仅要考虑地面综合利用，更重要的是应考虑井下减排和井下利用。中裕矿井是正在建设的大型现代化矿井，开采条件较为复杂，矸石排放量较大。实现矸石的井下分选和充填利用，是建设安全高效绿色矿井的必然要求，也是建设绿色矿山、实现煤炭高质量发展的必然选择[1]。因此，从设计源头上考虑井下矸石分选充填系统设计，创造条件实现井下分选，井下充填，减少煤矸石排放，提高煤矸石的井下综合利用率就成为矿井设计中的重要环节。

1 矿井概况

中峪矿井位于山西省中南部的长治市沁源县和临汾市安泽县、古县三县交界处，是正在规划建设的大型现代化矿井，设计生产能力500万t/a[2]。井田主要可采煤层为山西组的1、2号煤层和太原组下部的9+10、11号煤层，其中1号煤层为薄煤层，其余煤层为中厚煤层。矿井煤层埋深较大，部分煤层受到奥灰岩溶水威胁，存在煤与瓦斯突出危险性。因此在设计中应充分考虑以上灾害的防范。

设计确定南翼投产南一采区，北翼投产北一采区。薄煤层和中厚煤层均采用一次采全厚长壁采煤法，全部垮落法管理顶板。设计投产约3年后考虑充填开采以解决矸石处置问题，同时对水害、瓦斯、冲击地压将起到明显的抑制作用。

2 井下矸石分选充填特点

矸石井下充填属于煤矸石的直接利用技术，也是减少矸石排放、加强矸石利用的第一选择，该技术从源头上减少矸石出井，最大限度将煤矸石用于矿井回填，用煤矸石置换出煤炭，使矸石利用率达到90%以上，是目前最好的矸石处理方式[3]。该技术在河北、山东和山西等煤矿已经成功实施，许多煤矿企业积极探索并实施了煤矸石充填开采工艺技术，集成创新了较为成熟的充填技术和装备，提高了资源回收率，取得了良好的社会和环境效益[4]。

煤矸石充填适用条件：①“三下采煤”，由于人口和经济发展迅速，造成 “三下”压煤量越来越多，采用煤矸石充填技术，起到支撑顶板、防止地面沉陷和水平变形的作用，提高资源回收率；②非“三下采煤”，煤矸石也可用于非“三下”采煤工作面采空区充填，如掘进巷道充填、长壁工作面采空区充填和废弃巷道充填。

3 中峪矿井井下分选充填设计

3.1 井下矸石分选技术

井下矸石分选技术是破解传统煤炭生产环境问题的关键技术之一，是我国选煤工业的一个科学发展方向。其特点是：将选煤系统建设在井下硐室和巷道中，在井下完成煤矸分离，矸石作为井下充填原料，或直接充填采空区，仅需要将精煤产品升井至地面仓储。近年来，固体充填技术的迅速发展为井下矸石分选技术提供了技术支撑[5]。通过采煤、选煤、充填技术的集成和耦合，实现采选充一体化，既处理了矸石废弃物，又能提高煤炭资源回收率，实现低碳、循环、绿色发展[6]。国家能源局、财政部、国土资源部和环境保护部在2013年1月9号联合发布的《煤矿充填开采工作指导意见》中提出：鼓励新建煤矿在井下进行毛煤预排矸或建设井下选煤系统，矸石直接在井下用于充填开采。很多煤矿企业已经进行了一些井下选煤的实践，分别采用了井下选择性破碎、跳汰、重介浅槽及智能干选实现了井下块煤排矸，积累了宝贵的工程经验[7，8]。TDS智能干选机可根据煤质情况灵活调整“选煤”还是“选矸”。矸少的时候，TDS“选矸”；矸多的时候，TDS则可以 “选煤”，可以灵活切换，“谁少选谁”。

3.1.1 分选原理

设计根据矿井原煤筛分资料与TDS智能干选实际操作经验预计：矿井粒径大于50mm的矸石预计占原煤总量的12%，约0.60Mt/a。设计对全矿井原煤全部进行分选，分选出粒径50mm以上的矸石直接在井下排矸。为此，在井底煤仓两侧的南、北翼带式运输大巷分别布置1套煤矸分选系统。原煤经运煤带式输送机进入TDS智能干选机处理50～300mm粒径的大块煤矸；原煤经筛孔50mm的筛分机筛分后，筛下物(粒径小于50mm末煤)进入运煤带式输送机；筛上物(+50mm)通过溜槽进入TDS智能干选系统，分选后的矸石落入TDS下部的运矸带式输送机进入选矸储料仓(D5.0m)，分选出的块煤与筛下物(粒径小于50mm末煤)一起通过运煤带式输送机进入井底煤仓，如图1所示。需要充填供料时，仓内矸石经储料仓下口甲带给料机放出，相继进入矸石联络巷、进风大巷的运矸带式输送机运输至南翼掘进矸石储料仓内，与掘进矸石一起备用充填作业。

图1 TDS智能干选机原理

3.1.2 分选工艺流程

南翼大巷带式输送机在距离机头卸载316m处设置固定卸料车，通过带翻板的分叉溜槽将原煤转载至上分级筛运煤带式输送机，原煤经上分级筛运煤带式输送机运输至原煤分级筛进行筛分，-50mm的末煤经筛下运煤带式输送机转载至南翼大巷带式输送机进入井底煤仓。筛上+50mm原煤经过两台振动布料器进入TDS智能干选机分选，分选后的矸石经去矸石仓运矸带式输送机运至南翼分选矸石仓仓口，经筛分破碎后进入矸石仓，矸石仓下口设甲带给料机，矸石经仓下运矸带式输送机转载至+270m水平南翼进风大巷运矸带式输送机进入掘进矸石运输系统。分选后的煤经筛下运煤带式输送机转载至南翼大巷带式输送机进入井底煤仓。井下煤矸分选系统工艺流程如图2所示。

3.1.3 分选系统设备

井下煤矸分选系统的主要设备由上分级筛运煤带式输送机、原煤分级筛、振动布料器、TDS智能干选机、筛下运煤带式输送机、去矸石仓运矸带式输送机、重型筛分机、 矿用分级破碎机、仓下甲带给料机、 仓下运矸带式输送机构成，其中TDS智能干选机是整个分选系统的关键设备。

图2 井下煤矸分选系统工艺流程图

TDS智能干选机不同于传统选煤方法，它不是按密度差异进行分选的，而是采用大数据计算和智能识别技术，针对不同的煤质特征建立与之相适应的分析模型，采用X射线源对煤与矸石进行数字化识别，最终通过高灵敏高可靠执行机构将矸石(或煤)排出。中峪矿井TDS智能干选机设计处理50～300mm粒径的大块煤矸，处理能力260t/h，功率108kW。

3.2 井下矸石充填系统

3.2.1 长壁工作面充填开采特点

近年来，井下矸石充填的方法和技术发展迅速，其中长壁工作面充填开采、巷道式充填开采、旺格维利采煤方法充填、废旧巷道矸石充填等多种充填方法和技术，都得到了较为成功的应用[9，10]。针对该矿井复杂的地质条件，经综合分析对比，设计选择长壁工作面充填开采[11]，其特点如下：

1)有效地避免矸石地面排放带来的环境问题，具有较好的环境效益。

2)抑制煤层及顶底板的动力现象，减轻煤炭开采对地表的影响，减少和避免地表塌陷；对于控制导水裂隙带及底板破坏深度发育，实现承压水上安全开采较为有利。

3)减少冲击地压几率、瓦斯积聚空间，降低采空区突水、瓦斯爆炸、有害气体突出、浮煤自燃等事故发生可能性，提高矿井安全保障程度。

生产中也可以考虑综合充填工艺[12-15]，逐步试验在地面保护区下充填开采，实现资源回收与地面保护的双赢。

3.2.2 井下矸石运输及充填系统

矿井南北两翼的掘进矸石均通过布置于进风大巷中的带式输送机运输汇总至南翼掘进矸石储料仓(D6.0m，+270m水平进风大巷与南一采区进风上山交叉位置)，在储料仓上口布置破碎筛分机，粒径100mm的矸石筛分后直接落入料仓内，100mm粒径以上的矸石进入破碎机破碎至粒径100mm以下后再落入料仓。需使用矸石充填物料时，从储料仓下口经给料机放出，通过带式输送机连接进入井下充填矸石输送系统。

3.2.3 井下矸石充填系统工艺流程

矸石充填储料仓仓下口设甲带给料机，矸石经矸石充填斜巷运矸一部带式输送机、矸石充填斜巷运矸二部带式输送机、南一采区2煤轨道上山一部运矸带式输送机、南一采区2煤轨道上山二部运矸带式输送机、南一采区2煤回风巷道运矸带式输送机到达工作面运矸巷道，通过运矸巷道内的转载输送机、多孔底卸式输送机输送、充填采空区。

3.2.4 充填工作面设备选型

1号煤层属于薄煤层，目前充填工艺无法达到理想充填效果，故考虑3年后2号煤层及后期下组煤采用充填开采以解决矸石处置问题。设计初期针对2煤综采工作面进行改造，形成工作面前部采煤，后部使用多孔底卸式输送机等实现采空区矸石充填，即采用综合机械化固体充填采煤工艺。矸石充填工作面采煤设备，要与原有的2煤工作面采煤设备相匹配，达到生产效率和经济效益的最大化。

1)2号煤层工作面原有液压支架更换为ZC9600/16/36四柱支撑式充填采煤液压支架，选用电液阀控制，主要技术参数为：支护高度1.6～3.6m，工作阻力9600kN，初撑力7752kN，质量约35t/架。

2)多孔底卸式输送机选用SGBC764/250型，主要技术参数为：设计长度155m，运输能力500t/h，卸料孔尺寸345mm×460mm，电机功率250kW，额定电压1140V。

3)自移式充填物料转载输送机选用GSZZ-800/15型，主要技术参数为：运输能力500t/h，带宽0.8m，v=2.5m/s，迈步自移行程10m，卸载高度2.2～4.1m，电机功率15kW，额定电压1140V。

4 结 语

绿色发展是煤炭规划发展的迫切要求和重要理念，作为开采条件复杂的现代化大型矿井，中峪矿井设计从源头上减少煤矸石排放，创造条件实现井下分选，井下充填，提高煤矸石的井下综合利用率，实现生态环境与经济效益的和谐统一，为相似条件下煤矿井下分选充填设计应用提供了可靠借鉴，得到了设计评估单位及建设单位的高度评价。