煤矿矸石充填开采技术的研究与应用

煤矿矸石充填开采技术的研究与应用

上官朝阳

义络煤业生产科 河南省洛阳市宜阳县 471600

摘要: 随矿井煤炭资源的开采及当下煤炭资源需求的放量上涨，矿井“三下”煤炭资源开采问题逐步显现。矿井在生产过程中会排放大量的煤矸石，若采用传统的处理方式，堆积建造矸石山，会造成环境污染，侵蚀、侵占农田和占地成本高等问题。采用矸石充填开采方式，极大地解决了矿井“三下”开采、矸石处理同环境、人文资源保护和成本管理的多方面问题，是“三下”煤炭工作面开采的理想途径。本文主要就煤矿矸石充填开采技术的研究与应用进行了分析。

关键词：煤矿；矸石充填；开采

引言

在支持社会经济发展的同时，煤炭资源的持续大规模开采造成了许多问题，例如矿区的生态破坏和资源的加速枯竭。煤矿产生大量的固体废弃物（煤矸石），一般的处理方法是将煤矸石排放并堆积在煤矸石堆场的表面。煤矸石堆不仅占用土地资源，而且污染空气和地下水。高强度的煤炭开采往往会引发一系列的地质环境灾害。矸石充填开采技术不仅可以减缓一定程度的地面塌陷问题，还能够有效处理煤矸石废弃物，提高矿井的资源回收利用率。研究人员也对矸石充填开采课题开展了研究工作。

1煤矿矸石充填开采技术的应用

矸石充填开采技术是指在煤炭开采的过程中，同时，在地面或井下将矸石作为填充材料充填到采空区，进而实现控制岩层运动和地表沉陷的目的，为煤炭开采工作的安全平稳进行提供可靠保障。智能化采煤工作面采煤机记忆自动割煤，支架跟机自动移架支护，集中泵站实现自动配比和变频智能控制，集控中心可以实现设备分机自动控制、集成自动化控制；并配备矸石充填技术装备。

1.1矸石充填技术装备

矸石充填工作面需要配备的主要装备有固体充填液压支架、多孔底卸充填刮板输送机、自移式矸石转载机等。矸石充填液压支架是综合机械化充填开采工作面核心装备，它与采煤机、刮板输送机、充填刮板输送机、推实机配套使用，起着管理顶板隔离围岩、维护作业空间的作用，与刮板输送机配套能自行前移，推进采煤工作面连续作业。同时它应有独立的推实机构，在矸石充填入采空区后通过此设备进行推压推实，使充填矸石在推压接顶的基础上达到一定的密实度，实现控制岩层与地表变形的目的。

充填液压支架前、后配备双侧同向不等位的两部刮板输送机，即前部的运煤刮板输送机和后部的位于后顶梁下的多孔底卸刮板输送机。在矸石充填开采工艺中，随着充填工作面设备的循序推进，矸石转载机随之移动，传统上大多转载设备采用被动方式移动，制约了充填采煤生产率的提高。自移式矸石转载机能够实现高度的调整以及水平行走，其结构分为三段:前段为卸料部，直接和充填刮板输送机机尾搭接实现落料;中间段为动力部，另外还有张紧装置，实现胶带的张紧作用;后段为受料部，设有挡煤板，由运矸胶带输送机卸载的物料直接落到其上。

1.2矸石充填采煤工艺

矸石充填系统采用架后填矸，运输机上的卸料孔将矸石卸载至采空区，通过捣实机构将矸石充分捣实并完全接顶，待支架后方空间全部充满并完全捣实，再进行下一刀割煤工序，实现循环充填回采。在矸石充填开采系统的配套措施中，不仅要实现煤矸石的井下筛选、运输、充填、捣实等系列技术工序，还要形成井下采煤分选后充填采煤的循环开采模式。矸石的使用和充填捣实是矸石充填开采的核心问题与核心技术。

（1）采煤工艺顺序：双滚筒采煤机割煤—刮板输送机运煤—液压支架支护顶板—推移刮板输送机。（2）充填施工工艺：机尾拉移支架—运矸皮带与后部刮板运输机搭接—工作面中间依次充矸—依次捣实—机头、机尾充矸捣实。（3）充矸捣实过程：漏矸多次—本架捣实多次—邻架漏矸多次—邻架捣实多次，多次漏矸，多次捣实，直至采空区充填物料充分接顶并充分捣实，达到设计压力为止（24MPa及以上）。（4）综合机械化采煤，自动化控制。具体流程为准备—割煤—运煤—移架—推溜。

工作面向前推进后，采空区内的煤矸石缓慢移动。煤矸石的运移自始至终会持续一段时间，充填巷道沉陷坑的形成滞后于采矿作业。因此，研究煤矸石运动时间随工作面开采的变化规律，对优化开采与充填作业的协调具有指导意义。①煤矸石运动时间随工作面倾斜长度的变化，即分析比较煤矸石在不同开采阶段的运动时间；②煤矸石运动时间随采深的变化，即分析了在一个开采阶段下首采煤矸石向工作面上首采过程中运动时间的变化。

1.3回填技术

充填采煤技术被用来控制地层和地表沉陷。回填采矿技术可以有效提高回收率和矿山安全。回填采矿在保护环境方面很重要。我国已提出３种采用固体、胶结和高含水充填材料的充填采矿方法，并得到了中央和地方政府的大力支持。固体充填采矿法作为一种充填采矿方法，主要是利用机械方法进行煤炭开采，并将煤矸石、粉煤灰、黄土、风积沙等固体充填材料或其混合物通过运输系统运输到地下。这些材料可以通过胶带输送机运送到回填采矿面。对于采空区回填，全机械化回填采矿的关键设备，如液压支架和多孔底部卸载输送机被有效地使用。回填开采的额外费用主要包括建筑工程费用（包括土木工程费和回填系统工程费）、设备采购费用（包括回填设备采购费和回填设备采购费）、安装工程费用（包括回填系统安装费和回填设备安装费）和生产费用（主要包括回填材料费、回填人工费）。

2注意事项

为了保证矸石充填开采的顺利进行，需要对以下问题进行深入分析和研究。一是煤矸石的具体来源和粒度；二是如何将煤矸石顺利运至采空区；三是为提高采煤工作效率，应注意采填同步；四是确保煤矸石的强度，为上覆岩层提供足够的支撑。首先在地面上对煤矸石进行充分破碎，然后通过垂直运输通道将破碎后的煤矸石运输至地下，最后通过地下带式输送机运输至采空区指定位置。

为了保证地面煤矸石运输系统高效、安全运行，有必要对整个运输过程进行系统、全面的监控，发现问题及时采取有效的对策。为了尽可能缩短控制距离，有必要将煤矸石给料系统控制台设置在给料井口的适当位置，并对储料仓进行实时监控，避免其堵塞，影响煤矸石的顺利运输。在煤矸石地面运输过程中，需要使用推土机和装载机将煤矸石快速高效地转移到卸料漏斗中，然后通过转移机将其进一步运输到破碎机中。在破碎机中，煤矸石被完全粉碎后，由大颗粒变为合适的粒度，然后通过带式输送机输送至给料井口。为保证整个物料运输系统的协调运行，地面供料控制室对整个物料运输系统进行统一集中控制。

结束语

煤矿矸石充填开采技术不仅在矸石的处理上降低了矸石升井后的处理成本，并且解决了矸石山建造等存在的一系列环境、人文保护和迁建困难的问题。提高了资源的利用率，矸石充填工作面的建设随矸石充填开采的能力提高，使得矸石置换“三下”煤炭资源，极大的提高了我国煤炭资源的利用率。外部矸石的调度运输处理也为现存矿井矸石山的环境治理提出了新的解决思路，为生态治理矸石山提供了新的治理方向，即环境治理改善与采煤生产相结合。在以后的采煤应用技术中，矸石充填开采技术会受到更加充分的推进。

参考文献：

[1]胡伯.小保当煤矿矸石充填技术研究及应用[J].煤炭工程,2021,53(08):16-19.

[2]李衡,刘伦强,周雪军.新疆润田煤矿矸石充填开采系统设计[J].科技创新与应用,2021,11(18):78-79+83.

[3]杨建军,张金彪.七五煤矿矸石充填开采可行性分析[J].山东煤炭科技,2020(01):170-173.

[4]张号召. 五沟煤矿矸石充填开采沉陷规律研究[D].中国矿业大学,2019.

[5]宋桂军,潘虹.寸草塔煤矿矸石充填开采技术可行性研究[J].陕西煤炭,2017,36(S1):76-79.