矸石不升井的井下清潔開采技術

1、井下矸石不升井的井下清潔開采技術高 莊 煤 礦2008年9月20日 井下矸石不升井的井下清潔開采技術在煤炭大量開發(fā)和利用的同時，也帶來一系列環(huán)境和生態(tài)問題，如井下開采產生的煤矸石壓占耕地良田，露天礦剝離物外排占地，煤矸石山自燃造成大氣污染等，不僅破壞了礦區(qū)生產環(huán)境，也對社會文明進步產生不利影響。在分析高莊煤礦井下矸石來源與分類的基礎上，因地制宜的開發(fā)出礦井矸石不出井的井下清潔開采技術：一是礦井井下矸石分選系統(tǒng)；二是在3下504工作面實施預置充填帶，實現(xiàn)無煤柱開采；從而達到煤炭清潔生產、減少環(huán)境破壞的目的。7.1 井下矸石來源與分類高莊礦井下在生產過程中排放的矸石，主要來源于井下巖石巷道的掘進、

2、煤倉和溜煤眼的掘進以及工作面在推進過程中的矸石(主要包括：摻入煤炭中的頂、底板巖石、煤層夾矸以及過斷層巖石)。對于井下生產過程中產生的矸石，按照用途和所產生地點的不同，將其按照以下兩類進行處理。（1）巖石巷道、煤倉以及溜煤眼等掘進過程中所產生的矸石，通過皮帶或者礦車將其運至井下矸石處理場進行破碎，破碎后的矸石一部分用于井下廢棄巷道等充填，一部分作為無煤柱開采預置充填帶的骨料。（2）工作面推進過程中的產生的矸石，通過運輸巷中的皮帶隨煤炭一起進入井下矸石分選系統(tǒng)分選后，運送至無煤柱開采充填帶充填系統(tǒng)處，與其他充填材料混合充填到無煤柱開采充填帶處。7.2 礦井井下矸石分選系統(tǒng)7.2.1 井下矸石分選

3、系統(tǒng)建立必要性高莊礦2002年以前采用全水力化采煤，2002年改擴建后，形成水旱并舉、東水西旱的生產格局，即邵集斷層以西的西五采區(qū)為旱采生產，以東的西一、西三采區(qū)為水采生產。2004年產量突破300萬t，其中旱采出煤208.28萬t，水采出煤92萬t。2005年5月隨著水采生產結束，整個礦井生產由原來的水、旱兩套生產系統(tǒng)變?yōu)橐惶咨a系統(tǒng)，加之邵集斷層以東的西七采區(qū)開拓尚未完成，整個礦井只能靠一套旱采系統(tǒng)單翼生產，即礦井產量全部由礦井西五采區(qū)承擔。在生產過程中，綜放工作面架后放煤和工作面遇到地質構造均有大量大塊矸石進入煤流運輸系統(tǒng)，造成卡倉、砸壞提升箕斗等事故，為解決提升運輸系統(tǒng)中的卡倉問題，在

4、原煤提升系統(tǒng)中建立一套矸石手選系統(tǒng)，選出煤流中的大塊矸石，杜絕了矸石卡倉現(xiàn)象，降低機械事故率，提高原煤提升效率，保證了礦井正常生產是十分必要的。7.2.2 矸石分選系統(tǒng)方案設計（1）方案選擇根據現(xiàn)有原煤提升系統(tǒng)及裝卸載方式，對矸石分選系統(tǒng)建立的位置提出如下三個設計方案：方案一：系統(tǒng)建在西五采區(qū)煤倉處。巷道總掘進工程量約為400 m，矸石倉深度25 m，直徑6 m。以上工程量以二個掘進頭每月70 m進尺計，共需要3個月完成。方案二：系統(tǒng)建在西十一采區(qū)煤倉處。巷道總掘進工程量約為500 m，溜煤眼深度20 m，直徑2 m，矸石倉深度25 m，直徑6 m。以上工程量以二個掘進頭每月70 m進尺計，共

5、需要4個月完成。方案三：系統(tǒng)建在主井煤倉處。巷道總掘進工程量為656 m，擴刷工程量為105 m，矸石倉1深度30 m，直徑6 m，矸石倉2深度40 m，直徑6 m。以上工程量以二個掘進頭每月70 m進尺計，共需要6.5個月完成。（2）各方案比較1）方案一優(yōu)點：系統(tǒng)簡單可靠，工程量最少，能較快達到礦領導早日進行矸石篩分的要求。缺點：矸石運輸量大，對礦井整個運輸系統(tǒng)有一定影響。2）方案二優(yōu)點：膠帶手選斷面處斷面小，系統(tǒng)簡單。缺點： 較方案二工程量大，施工工期長； 施工溜煤眼時，有可能影響礦井生產； 矸石運輸量大，對礦井整個運輸系統(tǒng)影響較大。3）方案三優(yōu)點： 系統(tǒng)可靠，能夠實現(xiàn)矸石膠帶快速運輸；能

6、夠實現(xiàn)矸石不上井對西三采區(qū)的充填，對礦井整個運輸系統(tǒng)沒有任何影響； 該系統(tǒng)從長遠角度看，對礦井發(fā)展最為有利。缺點：工程量大，施工工期長，施工難度大。由以上方案比較可以看出，方案一更加經濟可靠，生產系統(tǒng)簡單易于快速形成，因此本設計選擇方案一為矸石分選系統(tǒng)的方案，方案一矸石分選系統(tǒng)路線如圖7-2所示。 7-2 井下矸石分選系統(tǒng)圖7.2.3 施工組織（1）施工準備 在工程施工前，首先由施工單位對西五采區(qū)候車室及大巷電纜進行保護，確保放炮安全。 工程施工前，由機電單位對西翼一部皮帶機機尾硐室進行保護，確保不影響正常的礦井生產。（2）施工順序為確保該工程能夠順利進行，對該工程進行如下施工安排： 巷道工程

7、手選膠帶機聯(lián)絡巷、手選膠帶機巷、回煤膠帶機輔助上山、回煤膠帶機巷由開拓工區(qū)進行施工。矸石運輸環(huán)形車場由普掘工區(qū)進行施工。 矸石倉工程該工程由三處施工隊進行施工。 安裝工程由礦安裝部門對手選膠帶機、回煤膠帶機和西五采區(qū)煤倉上口篩子進行安裝。7.2.4 施工中采取的措施（1）為了確保分選系統(tǒng)按期安全投入使用，實行安全目標管理。（2）施工單位在施工前要制定安全可靠的施工方法及組織措施，在確保安全的前提下，達到安排進度要求。（3）管理負責單位要加強現(xiàn)場管理，要明確任務、責任到人，按施工工期要求進行超前組織安排。對需要協(xié)調的工作要及時聯(lián)系，確保施工正常進行。（4）矸石倉施工時成立工作組，現(xiàn)場跟班負責管理

8、。（5）責任單位嚴格按施工組織安排組織施工并組織日調度，對完不成當天任務的進行分析原因并制定出整改措施。7.2.5 矸石分選系統(tǒng)效果分析（1）矸石分選系統(tǒng)工藝流程高莊礦井下矸石分選系統(tǒng)其工藝流程主要包括：篩選、分選、回煤三道工序流程。 篩分含有矸石的煤流，進入強力皮帶機頭分級篩進行篩分，150mm以下的煤、矸進入西五采區(qū)煤倉；150mm以上的塊煤、矸石進入下一流程，篩分工藝如圖7-3所示。 (a) 小塊矸石通過篩子 (b) 大塊矸石通過篩子 (a) 左側工人處理大塊矸石 (b) 右側工人處理大塊矸石圖7-3 篩分工藝流程 分選由篩分工藝篩分出來的大塊的煤與矸石進入分選工藝，分選工人將分選皮帶上

9、的大塊矸石分選出來放進身旁的裝矸鐵漏斗中溜入矸石倉，由礦車運至井下矸石破碎場，進行井下破碎用于井下充填需要矸石的場所，分選皮帶上的塊煤經分選皮帶尾部的傾斜漏斗漏入回煤皮帶，分選工藝如圖7-4所示。 圖7-4 分選工藝流程 回煤塊煤經回煤皮帶進入西五采區(qū)煤倉。 (a) 分選皮帶將煤溜入回煤皮帶 (b) 煤炭通過回煤皮帶運走圖7-5 回煤工藝流程（2）使用效果增加了綜采放頂煤回收率。井下選矸系統(tǒng)的使用，使綜放工作面由原來的“架后見矸關門改為全部見矸關門”，提高了綜采放頂煤的資源回收率。 解決了提升運輸系統(tǒng)的卡倉問題。綜放工作面架后放煤和工作面遇到地質構造均有大量大塊矸石進入煤流運輸系統(tǒng)，在原煤提升

10、系統(tǒng)中建立一套矸石手選系統(tǒng)，選出煤流中的大塊矸石，杜絕了矸石卡倉現(xiàn)象，降低了機械事故率，提高了原煤提升效率。從2007年該系統(tǒng)運行以來，從未出現(xiàn)大塊矸石卡堵煤倉和洗煤廠原煤系統(tǒng)事故，大大延長了主井箕斗、井下裝載定量倉的使用壽命。增加了主井有效提升量。手選矸石系統(tǒng)每年可選出矸石8萬噸以上，相當于主井凈增加提升能力8萬噸，如每噸原煤按500元銷價計算，可增加產值8500元/噸=0.4億元人民幣，其效益是相當可觀的。解決了充填材料問題。井下選出的矸石，經礦車直接運抵充填系統(tǒng)進行充填，解決了充填料來源問題，實現(xiàn)了手選、充填、置換的閉合循環(huán)。從源頭上提高了煤質。井下手選矸石系統(tǒng)從源頭控制矸石上井量，將大

11、塊矸石提前揀出，完善了井下煤質控制流程。7.3 預置充填帶無煤柱開采技術目前，滕南、兗州乃至全國大部分礦區(qū)采區(qū)工作面之間都留設了36 m的煤柱，目的是為了防止生產（或準備）工作面與相鄰采空區(qū)通透漏風而引起自然發(fā)火，同時也兼顧了工作面礦山壓力的影響。工作面區(qū)段之間留設煤柱雖然短期內對防治竄風、自然發(fā)火起到一定作用，但卻造成了煤炭資源的浪費（大約損失2%3%），而且煤柱在采空區(qū)被壓酥，甚至壓碎，極易造成采空區(qū)煤柱自燃發(fā)火，對安全生產構成威脅。因此，實現(xiàn)工作面無煤柱開采，無論是對安全生產，還是對增加經濟效益和社會效益，都具有十分重要的意義。針對高莊礦工作面區(qū)段間煤柱如何采出進行了研究，提出了工作面區(qū)

12、段間預置充填帶無煤柱開采技術，成功實現(xiàn)了工作面的無煤柱開采。預置充填帶無煤柱開采，就是在上一區(qū)段運輸巷靠近下一區(qū)段軌道巷的巷幫沿運輸巷預置一條充填帶，下區(qū)段軌道巷掘進時，沿預置的充填帶進行掘進，不再留設煤柱，用充填帶把上下兩個區(qū)段間該留設的煤柱置換出來，實現(xiàn)工作面無煤柱開采。7.3.1 采區(qū)概況高莊礦西五采區(qū)布置為下山雙翼采區(qū)，采用走向長壁采煤法開采。采區(qū)設有三條下山（一條為回風下山、一條為軌道下山、一條為膠帶機運輸下山），服務于3上、3下兩層煤。3上煤層平均厚5 m，采用綜采防頂煤；3下煤層平均厚4 m，采用綜采。煤層傾角1521，平均17，煤層容重1.35 t/m3。采區(qū)開采順序從上向下進

13、行，區(qū)段上巷為軌道巷，下巷為膠帶機運輸巷，區(qū)段間留設3 m煤柱，區(qū)段巷道支護均采用錨網梯索支護。7.3.2 方案實施研究根據工作面區(qū)段間預置充填帶無煤柱開采方案，開展技術研究，制定了兩個實施方案：一是砌墻充填帶置換煤柱開采方案；二是矸石渣混凝土置換煤柱開采方案。通過方案比較，確定采用矸石渣混凝土置換煤柱開采方案。1、 實施地點和長度的確定 根據高莊煤礦目前的運輸環(huán)節(jié)和采場狀況，在3下504綜采工作面實施無煤柱開采，該面位于西五采區(qū)內，從采動情況看，工作面運輸巷受礦壓影響不明顯，巷道變形量小。工作面于2008年7月份進行回采，目前剩余走向長度800m，巷道高度34m，采用錨網梯支護，采用擴幫充填

14、的方式施工。2、無煤柱開采關鍵技術與設備（1）充填材料選擇及強度的確定無煤柱開采所用的充填材料有多種選擇，我礦選用的是以矸石渣為主輔以少量水泥、河沙加水混合而成的膠結體，屬于混凝土系列中的輕骨料品種。由于矸石混凝土充填時，攪拌料采用混凝土輸送泵輸送，要求其穩(wěn)定性不變型、不分散；和易性要有一定的自然流平力；泵送性要不阻塞、不離析、粘塑性不損失、泌水率低。通過多次泵送實驗，確定水泥、河沙、矸石渣按重量配比比例為1：1：4.7。要求矸石混凝土墻28小時達到C18強度，能滿足礦壓顯現(xiàn)規(guī)律和巷道變形特性要求，具有良好的承載特性和變形性能。（2）防爆混凝土輸送泵研究防爆混凝土輸送泵是實施該項技術的關鍵設備

15、之一。根據我礦的要求，混凝土輸送泵廠家對地面混凝土輸送泵非防爆裝置進行了改造。該泵是具有體積小、功率大、耐磨、輸送距離長、防爆等特點。（3）充填帶規(guī)格的確定根據充填帶凝固時間、工作面運輸巷長度、斷面尺寸和礦壓對充填帶的影響，要求充填帶既有可靠的抗壓性、穩(wěn)定性、柔韌性外，還要確保區(qū)段間不竄風，確定充填帶規(guī)格：高度3.6m（煤層的厚度），寬度1.6m。如圖7-6所示。（4）充填帶擴刷充填帶擴刷采用打眼爆破法施工。從3上507工作面停采線開始，沿運輸巷由外向里逐段進行，其斷面在運輸巷已掘設計斷面的基礎上，按充填帶規(guī)格向下幫擴刷。擴刷支護采用錨網梯索柱支護，巷道擴刷后，頂板打錨網梯索，擴刷幫采用竹錨桿

16、，支護參數(shù)與運輸巷一致，支柱設在充填帶的外側，間距1 m，隨擴刷隨打，充填帶的擴刷斷面參數(shù)示意如圖7-7所示。 (a) 充填帶斷面 (b) 已充填好的充填體(b) 固定充填體的模板圖7-6 充填帶充填效果圖7-7 充填帶擴刷斷面參數(shù)示意（5）充填帶充填施工充填帶擴刷后，充填帶從下向上一段一段的施工。充填帶施工時，首先充填3下504運輸巷底板以下的臥底部分，再沿設計的充填帶的外側支設模板，充填底板以上的部分，充填帶現(xiàn)場施工效果如圖7-8所示。 (a) 施工中的充填帶端頭 (b) 施工中的充填帶側面圖7-8 充填帶現(xiàn)場施工效果（6）工藝流程水泥、河沙、矸石渣充填料分別用礦車運至攪拌站，攪拌機攪拌后

17、的混凝土漿液進入混凝土輸送泵，通過管路注入待充填段。充填時沿充填帶外側支設模板，從后向前逐段施工，進行全斷面充填，形成滿足設計要求的混凝土墻。工藝流程如圖7-9所示。 (a) 攪拌機上料斗上口 (b) 攪拌機上料斗下口 (a) 充填泵 (b) 充填泵通過管路將混凝送往充填地點圖7-9 工藝流程（7）施工設備HBT-90型混凝土輸送泵一臺，90型攪拌機一臺，注漿管路（直徑159mm）長度1000m 。7.3.3 預置充填帶無煤柱開采方案創(chuàng)新點、實施效果及經濟社會效益分析 1、創(chuàng)新點（1）將地面建筑混凝土輸送泵改造為適應井下現(xiàn)場的矸石混凝土輸送泵，實現(xiàn)了井下長距離充填材料的輸送，極大的簡化了無煤柱

18、充填的施工環(huán)節(jié)，提高了工效，減輕了工人的勞動強度。（2）充填材料的選擇、配比完全滿足了泵送的要求，充填形成的矸石混凝土墻完全達到了煤柱的支護效果，且矸石渣來源于洗選精煤產生的價格低廉的洗矸，解決了注漿充填矸石來源不足和掘進矸石需要多級破碎帶來的成本增加、環(huán)境污染問題。（3）巧妙設計注漿泵硐室的位置，充分利用原有巷道，增加了上口攪拌機硐室環(huán)形車場的存儲能力，減少了充填材料的運輸環(huán)節(jié)，從而保證了系統(tǒng)的連續(xù)充填。2、實施效果高莊煤礦預置充填帶無煤柱開采實驗段，于2006年11月24日在3上507面運輸巷完成了矸石渣混凝土充填帶施工，目前該工作面已回采結束。從工作面推到充填帶觀察情況看，充填帶體除了在充填帶上部向下約在13 m左右的地方從巷道頂板到底板出現(xiàn)一道微小的裂縫外，其余部分基本完好，完全滿足工作面開采要求。3、經濟和社會效益分析從2008年12月下旬在3下504工作面運輸巷采用邊擴刷邊充填的方式進行，目前，已充填巷道230米。施工人員經歷了對設備操作和材料配比的不熟練到完全熟練操作、配比的過程，充填工作正順