东曲矿隶属于西山煤电(集团)公司,本矿年产矸石量大约为150万吨左右,其中,初选大粒径矸石约30万吨,小粒径洗矸约120万吨。八采区为本矿其中一个采区,该采区煤层含矸率为40%,大约每年产矸石量约为120万吨。由于矸石的大量产出,导致煤矿地面矸石的大量堆积,大片土地被占用,致使土地周围的生态环境受到严重的污染,环境治理的成本不断提高,此类情况与国家要求建设生态文明矿区的引导政策相悖,急需进行改善与治理。综上可知,传统矸石处理方法已经难以满足目前煤矿发展的要求,迫切需要创新开发一种绿色、经济、环保的矸石井下处理方法。本文通过技术创新改革,提出一种地面矸石破碎、集控、运输与井下采充作业一体化协作的系统处理方法,该方法通过井下处理矸石,减少了矸石堆积对地面环境造成的污染破坏,保障在西山矿区的可持续发展[1,2]。
东曲煤矿矸石井下充填开采项目,于2018年5月开始进行可行性研究及方案制定,2018年8月由西山设计院与河北工程大学共同编制完成项目初步设计。2018年9月5日省组织召开专题会,确定了五家煤矿企业矸石充填试点,其中东曲煤矿矸石充填开采项目被列为试点之一,2019年4月获得批复,同时予以立项。该项目设计充填能力150万吨/年。投资概算21975.64万元,其中矿建3818.96万元,土建1713.22万元,设备12209.24万元,材料及安装3079.67万元,其他费用718.07万元,工程预备费436.48万元。本矿通过建立“地面洗选—井下充填”一体化返矸充填系统,实现矸石井下处理。矸石充填运转流程为:将地面选煤厂产生的矸石通过洗矸仓→管状皮带输送机→井口溜矸立井→返矸巷道→工作面顺槽→工作面充填采空区。
返矸通道表土段经过流沙层,地表垂直约20米、水平距离约为150米范围内建矿初期为河床,经过回填形成的流砂与鹅卵石的互层结构。施工需要穿越,顶板没有稳定的岩层,施工难度大。为确保工期,经多次对表土段施工方案的论证,优化支护工艺,采用打设超前导管+U25型钢拱架一次性浇筑支护的工艺。采用管棚法超前支护,掘进前在巷道顶板(半圆拱断面为拱部)掘进断面以上打入一排钢管,进行超前护顶,钢管规格为dn50mm×3000mm钢管,间距100mm,每组钢管搭接1000mm,导管施工完成后开始人工开挖掘进并架设U25型钢棚,喷射混凝土形成管棚帷幕,U25型钢棚架棚断面在设计掘进断面基础上加大300mm,钢棚采用U25型钢加工而成,分别为顶梁及两侧棚腿,棚腿与顶梁采用卡缆高强螺栓连接,每架棚之间采用钢筋挂钩连接形成整体,喷砼设计标号C20,厚度为150mm,棚间距500mm。由日进1m提高至2m,有效提高表土段掘进速度。图1所示为返矸通道表土段断面支护示意图。
28802工作面切眼设计宽度11m,高度为4m。由于切眼宽度较大,队组分两次施工,首次施工6.1m×4m的巷道,随后扩帮至11m。
施工切眼采用二次成巷,切眼支护根据理论计算后,使用了锚网索支护,并且在此支护的基础上增加了单体、点柱、堆柱、木垛等形式的联合支护,有效的保证了切眼设备安装时人员和设备的安全;通过打设点柱,并且将点柱编号,作为信号柱使用,通过观察点柱变形或损坏程度,及时分析顶板压力情况,及时加强支护,保证工作面安装时的人员安全和设备安全;在工作面机头和机尾分别打设木垛,加强工作面三角区和丁字口的支护强度,保证人员安全。针对安装工期紧的特点,矿井根据工作面切眼顶板岩性特点,创造性提出11m切眼大断面一次施工到位。
工作面采用郑州四维的ZC9100/30/55充填支架,共计73台(含过渡4架,端头2架);出煤系统采用太矿1200采煤机,滚筒直径2.7m,截深800mm;采用山西煤机厂的破碎机、900/315转载机、900/1050前运输机;西山机电厂的1.2m带式输送机,运量为1000t/h,带速3.5m/s。工作面后部运输机采用河北冀凯公司的764/400底卸式中双链运输机。
利用液压支架做临时支撑的办法,经过集团公司组织的严格论证,成功实行,为工作面的如期进行争取了时间和工序的优化基础。
面对胶轮车大尺寸运输充填液压支架的挑战,专门制作了支架模型,试验运输路线,对暴露出和预判性的问题,及时进行参数设计调整处理,确保了运输一次性到位。
该项目属于厚煤层矸石充填,前期规划充填采区为八采区的8#煤层,上山开采、埋深约350m,煤层总厚度在1.52m-5.04m之间,平均厚度4.94m,夹一至两层夹矸,28802充填面走向长度920m,工作面倾向长度125.5m,储量60万吨。作业流程采用“一采一充”方式,按照采高为5m、煤厚为3.8m、截深0.8m计算,循环产量为500t (120×0.8×3.8×1.37)。工作面日采2刀煤,充填矸1363t (2×131×0.8×5×1.37×0.95),工作面外帮对外帮长度131m,截深0.8m,充高5m,容重1.37,初始充填率95%。
工作面配风量2356m3/min,绝对瓦斯涌出量为6.71m3/min。盖山厚度185-331m,8#-9#煤的层间距约5m。工作面试验性充填推进机头18m,机尾18m,工作面累计采出原煤8276t,充填矸石14537t。测量矸石与顶板接触点到矸石与底板洒落点斜边长6.4m、垂直高度3.9m,安息角约37.5°,通过观测几点,测得安息角约35.5°-39°左右。现工作面一刀一充,每架充填矸石后约压实8-9次。目前未出现明显的矿压显现,支架工作阻力基本保持在25-30MPa。时间约5-6h,充填量约250t/h。
工作面割一刀煤需1.3h(包括顶机头、机尾),充填一刀基于试验区域的具体地质采矿条件,布置充填采煤系统,优化设计采煤与充填工艺,在保证充填效果的前提下,实现充填与采煤平行作业,最大程度的提高工作面生产效率。在需要控制地表沉陷时提高密实充填率,当密实充填率达到一定条件后直接顶和基本顶不垮落和断裂,保持着较好的连续性,上覆岩层呈整体弯曲下沉形态,且不产生断裂及明显的贯穿裂隙,在充填体及上覆岩层的合力作用下仅发生弯曲变形,形成连续曲形梁岩层结构,有效地控制关键层的沉降变形,从而保护地表生态及建筑物。
2020年1月6日接面,2020年1月21日开始割第一刀煤,2020年2月4日开始充填作业(实际)。
初始充填效果:工作面中部落山的矸石距离顶板0.6m左右不接顶,机头至5#架矸石距离顶板2m左右,机尾部分落山矸石距离顶板0.5m左右。3月1日开始试验充填至5月19日,工作面试验性充填推进机头66m,机尾60m,累计生产原煤39952t,充矸62368t。3月18日前推进11m,充矸量10836.32t(131×11×1.6×4.7);3月19日安装完皮带秤后,截止目前显示51300.78t。目前工作面采高4.7m,煤厚4.2m,夹矸0.4m。工作面割一刀煤需1.3h(包括顶机头、机尾),充填一刀时间约3-4h,充填量约400-500t/h。现工作面一刀一充,每架充填矸石后约压实8-9次。捣实机构长度2m,采用2刀一充,矸石不能接顶。
后续充填效果:采空区充矸能接顶,但顶部密实度不高。采空区充填体接顶处至支架后梁端约1.1m左右,两端头处稍大约1.5m左右。切眼刚开始堆满时测量矸石与顶板接触点到矸石与底板洒落点斜边长6.4m、垂直高度3.9m,安息角约37.5°,通过观测几点,测得安息角约35.5°-39°左右。现在矸石斜长一般4.5m。
返矸通道表土段穿过流沙层快速掘进技术研究,为今后生产过程中遇到类似情况积累了先进经验和技术指导,值得推广应用。充填工作面大断面切眼支护设计研究与应用,矿井根据工作面切眼顶板岩性特点,创造性提出11m切眼大断面一次施工到位。充填工作面设备快速安装工艺技术研究,利用液压支架做临时支撑的办法,胶轮车大尺寸运输充填液压支架的挑战,通过严格论证,成功实行,为工作面的如期进行争取了时间和工序的优化基础。大采高煤层安全高效充填工艺研究与应用,通过布置充填采煤系统,优化设计采煤与充填工艺,在保证充填效果的前提下,实现了充填与采煤平行作业,最大程度地提高了工作面生产效率。有效地控制关键层的沉降变形,从而保护地表生态及建筑物。
摘要：煤矿井下煤矸石的大量出产占据了大面积土地,不断的堆积更是造成了周围环境的污染,针对上述情况,本文以东曲矿为例,创新开发了一套绿色、经济、环保的井下矸石充填处理技术。首先介绍了东曲煤矿矸石充填项目具体技术内容,其次对矸石充填过程中的主要创新技术进行了研究,包括返矸通道表土段穿过流沙层快速掘进技术、充填工作面大断面切眼支护技术、大型充填支架快速安装工艺、大采高煤层安全高效充填工艺四方面;最后对该充填项目的社会效益进行了分析与总结。
关键词：煤矸石,绿色,充填处理技术,社会效益
[1] 郑州.矸石充填工作面关键技术探索与研究[J].山东煤炭科技,2020,(3):167-168,171.
[2] 公茂泉.推广矸石充填技术实现煤矿绿色开采[J].山东煤炭科技,2010,(1):2-4.
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