小保当煤矿矸石充填技术研究及应用

2021-08-17胡伯

煤炭工程 2021年8期

胡伯

(煤炭工业规划设计研究院有限公司，北京 100120)

煤炭资源是最重要的基础能源之一，是保障国家能源安全的重要因素[1]，对我国经济建设和社会发展起到了重要的支撑作用[2]。在煤矿开采的过程中，也在不断地排放着各类工业固体废弃物[3]。传统的矸石处理方式是将其堆放在地表[4]，大量煤矸石堆积如山[5]，占用大量的土地面积，污染大气环境[6]，严重制约着我国绿色矿山建设和绿色化开采[7]。充填开采在有效处理煤矸石方面有着与生俱来的优势[8]。红山矿井矸石回填采用巷式充填，提高矿井的资源回收利用率，延长矿井服务年限[9]。中峪矿井采用井下分选，井下充填，提高煤矸石的井下综合利用率[10]。常村煤矿采用井下块煤分选系统实现矸石不升井，将洗选矸石作为充填材料进行“三下”采煤[11]。舒安东等研究了煤矸石对充填材料密实度的影响，找到了最优值[12]。新疆润田煤矿通过对比综合机械化矸石充填采煤、短壁胶结充填采煤和短壁干式充填采煤三种方法，找到了最适合润田煤矿的充填采煤法[13]。黄鹏等对矸石充填体的黏弹性特征进行了研究，找到了矸石充填体在深部矿体充填时的响应规律[14]。本文根据小保当煤矿地质条件及开采情况，以掘进矸石不出井、洗选矸石以井下充填为目标，通过对多种充填方法和井下矸石分选方法的比较，对小保当煤矿矸石充填的关键问题进行了分析和研究。

1 矿井概况

陕西小保当矿业有限公司下属小保当一号、二号矿井及选煤厂。小保当一号矿井建设规模1500万t/a，小保当二号煤矿建设规模1300万t/a，配套建设选煤厂，一二号井联合布置工业场地及洗煤厂，位于井田中央。小保当一号、二号矿井矸石岩性为粉砂岩、炭质泥岩、泥岩。灰分平均值为73.22%、72.23%。对各煤层及顶底板、夹矸样品的12种微量元素进行了测试，12种微量元素含量很低，均未达到可供利用的品位要求，且其发热量不满足《煤矸石综合利用管理办法》(2014年修订版)中对关于用于煤矸石发电项目的煤矸石收到基低位发热量不低于5020kJ/kg的要求。可见，从近、中远期看，井下充填是最佳的处理方案。

2 充填方式选择

2.1 充填方法对比

目前，煤炭矿山已经形成了超高水材料、膏体材料和矸石固体三种不同形式的充填采煤方式[15]。从充填区域又可以分为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和废旧巷道矸石充填等4种方式。

1)长壁工作面充填开采优点：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；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；控制导水裂隙带发育，对于实现保水开采较为有利；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。缺点：矸石充填量大；随采随充，工艺复杂，设备投资较大；现有工作面采煤设备改造难度大；充填用时较长，影响工作面推进速度和矿井产量。

2)巷道式充填开采优点：工艺较简单，有效地避免矸石地面排放带来的环境问题，同时又置换出“三下”煤炭及边角煤资源，具有较好的经济效益和环境效益；巷道式充填工艺、技术和充填设备均较为成熟，资金投入较小、工艺灵活；采煤和充填工序相互影响小。缺点：掘进机采煤效率低，采煤巷道推进速度慢；仅适合局部充填开采；充填矸石量少；对于厚度较大的煤层，煤炭回收率较低。

3)旺格维利采煤方法充填优点：充填空间较大，充填矸石量大；采充独立，互不影响；可以实现地面保护与资源回收的最大统一。缺点：需要专门的充填区；需配备专门的连续采煤机等设备，设备投入较大。

4)废旧巷道矸石充填优点：技术或工艺难度，资金投入最少，最简单有效地避免矸石地面排放带来的环境问题；避免新掘充填巷道的能源消耗，减轻巷道维护量与巡检量，同时提升了废旧巷道的重复利用价值。缺点是充填量相对较少。

从以上充填方法看，若条件许可，生产中应优先选择长壁工作面充填开采，该方法不仅可以解决矸石充填利用问题，更重要的是可以减少采空区垮落空间，进而减小导水裂隙带发育高度，实现最大限度的保水采煤；初期对于地面保护要求较低的区域，可考虑固体充填，即直接进行工作面矸石充填；后期对于地面保护要求较高的区域，如村庄等地面建构筑物下，可考虑膏体充填；其次应考虑综合充填工艺，即旺格维利采煤法充填，初期可选择专门的充填采区，为生产中逐步试验在地面水源地保护区下充填开采提供试验数据，实现资源回收与地面保护的双赢。考虑到小保当一号、二号矿井都是新建的千万吨级大型矿井，矿井的采煤量大，充填矸石量小，初期无法满足长壁工作面充填开采所需矸石量。因此，两个矿井近期煤矸石井下充填设计更适用巷道充填和旺格维利综合充填的方式。

2.2 井下矸石分选

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入地面仓储。通过采煤、选煤、充填技术的集成和耦合，实现采选充一体化，即处理了矸石废弃物，又能提高煤炭资源回收率，实现低碳、循环、绿色发展。根据小保当煤矿开采情况，井下采用智能干选技术分选300～100mm原煤中的矸石，在矿井井下各自建设两套处理能力180 t/h的智能干选系统，可满足矸石分选需要。

井下矸石分选后，可根据矸石充填方式、充填地点综合选择充填工艺流程：①矸石仓下给煤机→破碎机(<150mm)→可伸缩带式输送机→工作面高位后挂式刮板输送机→充填采空区；②矸石仓下给煤机→破碎机(<150mm)→可伸缩带式输送机→自移式充填抛矸机→充填巷道；③破碎机(≤40mm)→连续式强力搅拌机→定量分级加水装置→煤矿防爆专用混凝土输送泵→低摩阻复合管道→充填巷道或采空区(充填材料为单一的矸石和矿井水)。

根据小保当一、二号矿井的生产能力，通过井下矸石分选，可以将洗选矸石全部用于废旧巷道充填和区域充填，实现洗选矸石不升井。

3 充填方案

3.1 小保当矸石资源量

小保当一、二号矿井矸石产量见表1[16]。

表1 小保当一、二号矿井矸石产量

3.2 矸石充填区域可充填量分析

根据小保当一号矿井的排采计划安排，工作面辅助运输巷间联络横川及带式输送机运输巷可用于煤矸石井下充填[17，18]。小保当一号矿井首采工作面巷道每隔150m设一处联络巷，其它工作面采用连采机掘进方式每隔50m设一处联络巷。首采工作面巷道年推进长度为5643m，将设置38处长度为20m的联络巷，每个联络巷净断面18m2，38处联络巷的体积为13680m3；工作面带式输送机运输巷5643m，净断面22.1m2，其体积为124710m3。

矿井达产第一年首采工作面推进完毕，可带来废旧充填空间为138390m3，按充填率55%和煤矸石密度2.0t/m3计算，首采工作面废旧巷道每年可充填煤矸石合计15.22万t；在后续的接续工作面，按照工作面巷道年推进长度为5643m，将设置112处长度为20m的联络巷，其联络巷及带式输送机运输巷可带来废旧充填空间165030m3，按充填率55%和煤矸石密度2.0t/m3计算，接续工作面废旧巷道每年可充填煤矸石合计18.15万t，其中采用全部掘进矸石8万t/a和部分洗选矸石10.15万t/a用于充填。同理估算，小保当二井的首采工作面的联络横川及带式输送机运输巷可充填矸石15.0万t/a；接续工作面废旧巷道每年可充填煤矸石合计18.0万t/a。

考虑到小保当一二号井联合布置工业场地及洗煤厂，小保当一号矿井未能综合利用的煤矸石可以规划至二号矿井充填区集中充填。矿井投产第一年，煤矸石产量为38.57万t，一号井废旧巷道可充填15.22万t，剩余23.35万t规划至二号矿井充填区充填；矿井投产8.0Mt/a时的接续工作面，一号井废旧巷道可充填18.15万t，剩余20.42万t可规划至二号矿井充填区充填。

设计在二号矿井风井场地东北侧2-2煤层布置井下矸石充填区。充填区西侧边界为132201综采面回风巷，南侧、东侧边界为工广及铁路煤柱，北侧边界为2-2煤煤层分叉线。充填区长约1.3km，宽约170m，面积0.219km2。由充一区、充二区组成。充填区一区在充填区域南侧，充填区一区开拓布置如图1所示。该区域一水平2-2煤厚平均3.8m，区域煤炭资源量110万t，该充填区按煤炭回收率50%计算，可回收煤炭资源50万t，并形成矸石充填空间83.22万m3，按煤矸石充填率55%和煤矸石密度2.0t/m3计算，该充填区2-2煤可充填煤矸石量为91.54万t。

小保当一号矿井东北部区域存在着大片村庄及海子，压占着大片煤炭资源难以开发。根据留设的保护煤柱边界估算，该片区域面积约16.60km2，按照2-2煤层平均厚度4.5m为例，该区域仅2-2煤层压覆煤炭资源9860.4万t。充填区按煤炭回收率50%计算，仅2-2煤可回收煤炭资源4930.2万t，并形成矸石充填空间3735万m3，未来仅此一个充填区即可完全消化掉两个矿井的矸石量。