中厚煤层综采工作面矸石返井充填开采设计

高 峰

(煤炭工业太原设计研究院集团有限公司，山西 太原 030001)

矿山充填开采最早起步于金属矿，以加拿大、澳大利亚、波兰等国为代表。2000年以后河北、山东、河南等地区开展了矸石固体充填开采技术。目前，矸石固体充填开采技术已在国内多个矿区进行了成功试验，邯邢矿区开展最早也更为成熟，山西华晟荣煤矿、山东曲矿、阳煤新元矿等矿企顺利推广实施，山西垚志达煤矿、山西兰花唐安矿、阳煤七元矿等矿企也在开展矸石固体充填开采方案论证，该技术的成功实施已在众多矿区的煤炭生产中发挥着重要的作用，成为提高煤炭资源安全、绿色、高效生产的重要技术手段之一。

金谷煤矿为山西省兼并重组矿井，达产后每年产生矸石39.9万t左右，由于环保政策要求，地面排矸受到严重限制，迫切需要通过技术创新开发一种绿色、经济、环保的矸石处理方法，既能满足矿井即将达到设计排放量的矸石堆场，又能满足当务之急矿井的开采工作面布置。基于此，金谷煤矿通过大量的调研工作后，拟在矿井尝试推行矸石返井充填开采，以取代矸石地面排弃、填埋工艺。

1 矿井概况

金谷煤业有限公司为兼并重组整合，井田面积8.5062km2，核定生产能力为90万t/a。矿井采用斜井开拓方式，布置有3个井筒，分别为主斜井、副斜井和回风斜井，全井田设一个主水平，一个辅助水平，主水平划分为3个采区，辅助水平设一个采区。批准开采2#—11#煤层，目前在9+10#煤层布置一个工作面进行回采，矿井配套洗煤厂矸石产量为16.3万t/a。

金谷煤矿矸石场总占地面积为18.09hm2，矸石容量为28.72万m3，约48.8万t，按目前洗煤厂矸石产量，金谷煤矿矸填场仅满足洗煤厂3年的矸石存量，待中厚煤层开采后矿井每年要产生矸石量为39.9万t，仅满足矿井1.223年存量。由于环保政策要求，金谷煤矿未来地面排矸将受到严重限制，为此，金谷煤矿尝试推行矸石返井充填开采，以取代矸石地面排弃、填埋工艺。同时，根据山西省能源局《关于在全省煤炭行业推行绿色开采试点工作有关事项的通知》(晋能源煤技发[2019]535号)的文件要求，金谷煤业实施充填开采后，矿井可以同时布置一个9+10号煤层工作面和一个11号煤层充填开采工作面，增加了矿井产能。

2 煤矸石返井充填开采系统设计

金谷煤业煤矸石返井充填技术是将地面洗选矸石运输至工作面，充填入采空区，同时进行沿空留巷，实现无煤柱开采，达到井下处理矸石、保护生态环境的目的。该矸石充填系统主要包括地面矸石返井加工运输环节、井下矸石运输环节、工作面矸石采充环节和沿空留巷环节。矸石返井充填开采系统如图1所示。

1)地面返井矸石加工运输环节：矿井洗煤厂的煤泥、中矸及经破碎后的筛分车间拣矸，全部经带式输送机运输至矸石混料仓储存。

2)井下矸石运输环节：矸石混料仓仓下给料至主斜井运矸带式输送机，运至回采工作面巷道。

3)工作面矸石采充环节：充填矸石经运矸带式输送机转载至工作面充填刮板输送机上，通过刮板输送机上卸料孔将充填物料充填入采空区内，然后利用推压装置将矸石材料反复推实并接顶。

4)沿空留巷环节。在工作面回采过程中，通过巷旁充填体注浆加固技术，将该工作面的1条工作面巷道沿充填体保留下来，作为下一个工作面的运矸或运煤巷使用，取消工作面间区段煤柱，提高采区回采率。沿充留巷以后每个工作面可以少掘1条工作面巷道，还可以解决采掘接替紧张问题。

3 煤矸石返井充填开采技术

“煤矸石返井-采空区充填-沿充留巷”一体化煤矸石返井充填开采技术主要研究地面及井下矸石运输、井下采煤系统、充填系统、留巷系统之间的配套关系、布置方法及工艺流程，实现快速高效沿充留巷与充填作业的协同推进。

3.1 地面矸石返井环节

地面矸石返井环节由煤泥运输、中矸运输、大块矸破碎运输和混料矸石储存等4部分组成。

1)煤泥运输部分：压滤车间内的煤泥经铲车给至螺旋给料漏斗卸至带式输送机，在中矸仓和洗煤厂产生的中矸混合运至转载站，转载至混料上仓带式输送机和破碎后的块矸一起进入矸石混料筒仓。

2)中矸运输部分：中矸(100mm)经中矸仓仓下闸门卸载至煤泥中矸带式输送机，和带式输送机上的煤泥混合运至转载站，转载至混料上仓带式输送机和破碎后的块矸一起进入矸石混料筒仓。

3)大块矸破碎运输部分：筛分车间筛选出的大块矸(≤400mm)经矸石带式输送机(进行延长改造)运至矸石破碎间进行破碎后(≤80mm)，经混料上仓带式输送机(中部接受转载站混运来的煤泥、中矸)进入矸石混料筒仓。

4)混料矸石储存部分：采用筒仓形式，位于主斜井井口房后约50m，采用全地下形式、钢筋混凝土结构。

3.2 井下运输环节

在主斜井井筒布置一条主井返矸带式输送机，架设在主运煤带式输送机上方，矸石在11号煤进风通道处卸载至11101上巷运矸带式输送机(一部)，再经11101上巷运矸带式输送机(二部)转入11号煤采面，通过一台转载机给料至充填工作面。矸石充填系统井下运输环节如图2所示，主斜井井筒布置如图3所示。

3.3 工作面采充技术

3.3.1 工作面及巷道布置

11号煤层11101工作面为首采充填工作面，位于一采区南翼，倾斜长度150m，推进长度约1190m，采用后退式开采，实际揭露煤层厚度1.4～2.8m，平均厚度2.2m，可采储量约51万t。工作面上下巷道均采用沿空留巷。

11101工作面采用充填采煤时不需新增巷道，只需对主斜井矸石下运带式输送机的驱动装置硐室进行局部拓高拓宽、矸石混料仓下井筒巷道须局部加强。煤矸石经主斜井通过带式输送机运输至井下充填工作面，主斜井矸石下运带式输送机布置在主运煤带式输送机上侧，两条带式输送机上下两层运输。

3.3.2 工作面充填工艺

充填工艺采用“边采边充”，即矸石充填作业紧随采煤作业进行，割煤机割煤后调整充填支架后部充填刮板输送机，依次开动工作面充填刮板输送机、矸石转载机、运矸带式输送机等运输设备，进行采空区充填，如图4所示，充填工作主要靠充填刮板输送机和推压机构共同完成。作业顺序由机尾向机头方向充填，当下一个卸料孔落料到一定高度后，关闭卸料孔再开启上一个充填卸料孔，随即启动推实千斤顶推动铲板，对已落下的充填材料进行压紧推实，如此反复几个循环，直至采空区充满压实；调节千斤顶用于调节推实千斤顶和铲板的角度，可使充填料在支架后部接顶，从而实现完全充填。综采工作面生产系统、充填系统融合为一体，回采、充填同时进行。工作面中部矸石充填工艺如图5所示。

由带式输送机、矸石转载机将矸石运输、转载至工作面充填支架后部底卸式刮板输送机上，通过刮板输送机卸料孔将矸石充填入采空区内，然后利用推压装置将矸石材料推实。

3.4 沿充留巷工艺

11101工作面采用专用的沿充留巷支架，不占用工作面内正常支架空间，对巷旁充填体注浆加固，形成稳定的巷道壁，如图6所示。沿充留巷技术把U型通风方式变成了Y型通风方式，成功解决了工作面瓦斯积聚与超限的问题。

传统沿空留巷通过切顶卸压来控制围岩稳定性，沿充留巷围岩控制机理为护顶控压，因此充填体不需要很高的加固强度，留巷工艺简便，且留巷成本低。

4 效益分析

1)金谷煤矿矸石返井充填建设投资、后期20年运营成本共计12767.31万元，矸石场排弃建设后期20年运营成本共计23810.2万元。投资矸石返井充填开采经济效益明显高于现使用的矸石外排费用，可为矿方节约费用11042.89万元。

2)金谷煤业实施充填开采后，可以同时在9+10号煤层和11号煤层分别布置一个工作面。实现同时开采2个工作面，保证矿井产量，提高经济效益。

3)依据国家政策，投资矸石返井充填建设，可得到30%的产能置换，为矿方带来可观的经济效益。

5 结 论

1)金谷煤业煤矸石返井充填技术将地面洗选矸石运输至工作面，充填入采空区，同时进行沿空留巷，实现无煤柱开采，达到井下处理矸石、保护生态环境的目的。

2)金谷煤矿综采工作面矸石返井充填开采利用矸石就地充填，既满足了岩层变形及地表移动控制需求，又综合利用了工业废弃物，避免了大面积征地费用和环境治理费用。

3)煤矸石治理是实现煤矿低碳、绿色开采的必由之路，也是现代化矿山建设的必然趋势。因此，煤矸石治理对实现矿山绿色循环发展、保护人类社会具有重要意义。