煤矸石井下充填置换煤技术的研究与应用

煤矸石井下充填置换煤技术的研究与应用

王怀俭

冀中能源股份公司邢台矿综采二队河北省邢台市054000

摘要：煤矸石充填置换技术已趋成熟，在我国大多数矿井已经得到广泛应用，取得了巨大的经济效益和环境效益。

关键词：煤矸石充填；置换煤炭；应用；效益

针对煤矸石堆存及生产情况，积极吸收国内外的经验和技术，逐步研究出了煤矸石充填置换煤技术，提高了煤炭资源的回采率，达到了矿区经济、社会与环境协调发展的绿色开采目标，走出了一条节能减排的新路子。

一、充填置换技术存在的问题

高瓦斯矿井中煤层的瓦斯含量较普通矿井大，掘进和回采过程中瓦斯涌出量大，并且存在采空区积聚瓦斯的问题。高瓦斯矿井中使用局部瓦斯治理措施实行煤层瓦斯抽采和采空区瓦斯抽放，在使用煤矸石充填采空区会对使本来已经卸压邻近煤层造成一定影响。使用煤矸石置换煤柱，可以减少煤柱和浮煤释放的残余瓦斯，但在封堵不严存在漏风的情况仍然会导致瓦斯积聚。煤矸石的产量占原煤的比例较低，不可能对所有采空区进行充填，对所有煤柱进行置换。也就是掘进中产生的煤岩和回采中分离出来的煤矸石，在煤炭开采的后期是短缺的。况且对采空区进行填充，即便是压实了矸石，但是由于煤矸石的块状结构必然对瓦斯和空气有较高的渗透率，在封堵不严的情况下容易产生局部高温点造成采空区自燃火灾。由于架后顶板不平与空间狭小，后运输机及捣实机构易损坏，维护较困难。这些问题在矸石充填和置换技术在高瓦斯矿井中的使用要加以考虑。

二、技术内容

矸石充填置换煤炭技术主要包括井下煤与矸石的分离技术、长壁综采矸石充填技术、长壁普采矸石充填技术和巷采矸石充填技术。

1.井下煤炭分离技术。（1）井下煤与矸石的分离技术。井下煤与矸石的分离是利用两者间的力学性质差异实现的。由于煤炭变质程度不同，其力学指标也不相同；而矸石也因来源不同，其岩石特性、物理力学特征各异。根据煤与矸石的硬度不同，抗冲击、破碎的特点不同及其他规律，在模拟物理分选实验的基础上，采用选择性分级破碎设备将煤炭与矸石进行破碎分离，据此设计出井下煤炭分选系统，其主要工艺流程如图1所示。

图1井下煤与矸石分选系统工艺流程图

（2）井下煤炭分选设备的结构特点。井下煤炭分选系统主要由孔径100mm的筛分破碎机、转载带式输送机、孔径50mm的筛分机、入料粒度为100mm的选择性破碎机、煤炭和矸石胶带输送机等构成。井下煤矸石分选设备的处理粒度范围为0～300mm，煤矸石处理能力350t/h，煤与矸石的分离效率>70%。（3）实施效果.井下煤炭分选系统在矿井下的现场应用表明，该系统设备体积小、运行稳定、可靠性好；采用干式分离，不用水、不用风，环境适应性强；操作简单，维护方便；能够满足井下巷道空间小、维修不方便的特殊条件，并具有防爆功能。原煤的井下分选，为矸石不出井、直接进行井下处置奠定了基础，缓解了矿井的提升压力，降低了运输成本。

2.长壁综采矸石充填技术。研究开发与长壁综采衔接的高效矸石充填技术，实现长壁综采回采工艺与矸石机械化充填工艺的优化组合是矸石充填置换煤技术可行性与成功的主要标志和最终目标。冀中股份公司邢台矿成功开发出了综采充填开采方法、工艺和充填液压支架与矸石充填输送机。综采充填开采的工艺流程为：由井下运矸系统将矸石输送至悬挂在综采充填液压支架后部的充填输送机，再由充填输送机的漏矸孔将矸石充入采空区，而受综采支架掩护的工作面割煤、运煤系统完全与普通综采相同，采煤与充填可实现并行作业。这样即将煤矿“掘、采”二元开采技术体系提升为“掘、采、充”三元开采模式。矸石充填液压支架主要由顶梁、伸缩梁、立柱、底座、尾梁、尾梁调节千斤顶、尾梁之下悬挂的充填刮板输送机和圆环链等构成。矸石充填输送机溜槽由四条圆环链悬挂在尾梁之下，圆环链与其两侧的吊环联接，溜槽槽板上开有充填用的落矸孔。充填矸石即通过落矸孔落下，落矸孔的大小根据充填矸石的塌落角、充填高度、输送量确定或调节。为有效控制矸石的充填范围，由支架工操控落矸口大小，以控制落矸量。后悬式矸石充填输送机受支架尾梁掩护，可保证充填设备的安全，同时设备维修时可以前移支架。充填过程无需人员进入充填区。充填施工工艺：由机尾向机头依次充矸→捣实再充矸→再捣实，均为多次漏矸、多次捣实，直至采空区充填料充分接顶并充捣压实，完成一个循环。漏矸施工通过打开后运输机中间槽插板控制，捣实施工通过架后尾梁千斤顶的摆动与伸缩来实现。

3.长壁普采矸石充填技术及设备的应用。与长壁普采配套的高效矸石充填技术设备和工艺包括：矸石运输和高速抛矸充填成套设备及采煤工艺、煤矸石的处置与转运、矸石充填和矿压控制的采煤工作面原生矸石充填与开采一体化技术。

由新汶矿业集团自主研制的“V”型花纹抛矸胶带输送机和高度可调、伸缩自如的高速动力抛矸机是实现普采、炮采单体液压支柱工作面后方采空区矸石密实充填的关键设备，主要包括电动机、驱动滚筒、转向滚筒、托辊、抛矸胶带输送机和支架等。长壁普采矸石充填技术已在新汶矿业集团盛泉煤业公司工作面得到应用。工作面采用高速动力抛矸机机械充填矸石，工作面推采空顶距达到7m时，开始从下向上依次充填矸石，回撤支柱。

4.巷采矸石充填技术。巷采矸石充填技术是在煤柱中布置矸石充填巷。首先对矸石充填巷掘进采煤，然后采用自行研制的自移式抛矸机对形成的巷道由内向外充填矸石，保证充填后的地表变形在地表建（构）筑物允许的范围之内。

三、推广应用

煤矸石充填置换煤整体技术已经得到了推广应用，它对煤层赋存条件和原生矸石充填材料具有很好的适应性，对岩层移动和地表沉陷控制效果好，实现了矸石不升井，技术先进，工艺系统简单，适合在我国煤炭行业大规模推广，应用前景广阔。目前，已在冀中能源集团、新汶矿业集团和淄博矿业集团的19座主要煤矿进行了现场应用，综采矸石充填工作面生产能力达到了2000t/d，普采矸石充填工作面生产能力达到了600t/d。平顶山煤业集团、兖矿集团、枣庄矿业集团、潞安环能公司、徐州矿务集团等大型煤炭企业已制订了利用该技术进行矸石充填置换“三下”压煤和其它煤柱的推广应用计划，并已开始了开采方案设计、购置设备、掘进巷道等前期准备工作。该技术的推广应用范围正逐年扩大。

四、效益分析

该技术实现了安全回收传统采煤方法无法开采的呆滞煤炭资源，提高了资源回采率，延长了矿井服务年限，节约了大量电能，减少20%～35%的矿井提升工作量，经济效益、环境效益和社会效益显著，为矿区循环经济发展，创建资源节约型、环境友好型企业提供了强有力的技术支撑。

矸石充填可有效减轻井山提升压力，节约能源，降低污染，减少地表沉陷，作为一种适应我国国情的资源节约、改良环境的新型绿色采煤技术，具有广阔的应用前景。大力推广矸石充填，必将在减轻环境负担，充分开发煤炭资源，减少煤炭资源损失，解决当前面临的资源紧缺等方面起到重大作用。

参考文献：

［1］刘倩．煤矸石井下充填置换技术的研究与应用［J］．煤炭加工与综合利用，2009（5）：50－52．

［2］李毅．综采矸石充填技术在翟镇煤矿的应用［J］．山东煤炭科技，2008（6）：24－25．

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