摘要：指出了煤矸石是煤炭生产和加工过程中伴生的固体废弃物,长期堆存会对生态环境造成污染,探讨了通过采用泵送矸石回填采空区,以实现矸石回填不上井,不占地,减少环境污染,对填充效果及效益进行了分析总结。
关键词：矸石充填；以矸换煤；绿色开采
收稿日期：2011-11-02
作者简介：石运保（1969―），男,山东新泰人，助理工程师,主要从事采煤生产技术管理工作。
中图分类号：TD82
文献标识码：A
文章编号：1674-9944(2011)11-0173-03
1引言
山东华恒矿业有限公司位于新汶煤田的东部、地处鲁中腹地新泰市境内。矿井始建于1958年,2005年核定生产能力120万t/年。在煤炭开采过程中,大量矸石长期堆存,占用土地,不仅容易自燃,而且造成大气环境和水质污染。
传统的开采方法掘进矸石需运至地面堆积形成矸石山,矸石山在安全方面留下重大隐患。一是矸石山自燃释放大量有害气体污染了环境；矸石山塌落造成安全事故;二是矸石山堆积占用大量土地;三是矸石山大多采用绞车提升，耗费电能。
目前的开采工艺均为破坏性开采,给井上、井下带来很大的安全隐患,因此探索如何实现“以矸换煤、绿色开采”的途径十分必要。
2泵送矸石充填开采的发展背景
华恒公司主要开采11层、13层、15层煤,煤层覆存条件差,煤层薄,地质构造特别复杂,全岩巷道多,产矸量大,万吨掘进率高,加之-1 000水平正在开拓延深,矸石产生量大。
自2007年以来,根据集团公司矸石“不升井、不上山、不转移”的总体思路,不断探索实践各类充填工艺,先后采用了高档工作面配抛矸机充矸、对报废巷道用绳式耙装机倒扒进行充填、综采工作面下端头加高档手工充填等充填方式,均因其充填能力小、系统复杂、占用设备多等缺点,难以实现原生矸石不升井的目标。从2007年12月份开始调研、实验应用泵送矸石充填工艺,在13层煤工作面采用泵送矸石充填工艺开采应用成功。2008年底实现了井下原生矸石不升井、不上山的目标。
2010年华恒公司继续优化泵送矸石充填系统,对充填系统各环节能力进行了分析对比,将原回填泵更换成大流量双联泵,充填能力由原来的60m3/h提升为100m3/h,进一步提升了泵送充填能力。
3泵送矸石充填工艺
3.1充填原理
泵送矸石充填就是将原生矸石在井下集中就地破碎,加入添加剂进行搅拌,然后以矸石输送泵为动力通过管道输送充填至采空区,在倾斜工作面沿采空区自流接顶。
3.2工艺流程
工艺流程为掘进矸石→2.2t 双底卸式矿车→梭矿溜子(加除铁器除铁)→破碎机→矸石仓→下山排矸皮带→搅拌机 → 矸石输送泵→输送管道→采空区。
4应用实例分析
4.1工作面布置及开采方法
41303东煤柱工作面原本是在用采区下山西翼保护煤柱,运用泵送矸石充填技术开采。该工作面切眼与采区下山相距10m平行布置,下巷长度10m与采区运煤下山相联,上巷由切眼上头与石门相联。采用背向采区下山上巷后退式、下巷前进式沿空留巷泵送矸石充填开采(图1)。
图1工作面布置
4.2工作面地质条件
该工作面走向长80m，倾斜宽110m,煤层倾角150,可采储量2万t;煤层平均厚度1.46m,含夹矸1～2层炭质砂岩夹矸厚度0.2～0.5m,平均0.32m。煤层内局部还含透镜状黄铁矿结核。
4.3充填工作面的支护设计
根据41302西面充填开采经验选取:工作面支护采用DZ(1.6～2.2)30/100单体支柱配合HDJB-1000铰接顶梁支护。HDJB-1000铰接顶梁架设在正规支柱上,倾向每3.0m一列,距上下端头不大于3.0m,工作面排距为1.0m、柱距为0.75m,支护密度为1.33棵/m2。通过计算,其支护密度0.91棵/m2即可满足顶板控制要求,本工作面实际支护密度为1.33棵/m2,大于以上支护密度,所以,本工作面支护密度满足顶板控制要求。
为提高工作面采空区矸石充填效率,工作面采用“见六充三”的充填方式,因此本工作面最大控顶距选取为6.4m,最小控顶距选取为3.4m。工作面采用支护参数见表1。
表1工作面采用支护参数
支护形式支柱控顶距支护密度顶板管理
排距/m柱距/m最大/m最小/m密度/(根/m2)强度/(kN/m2)支回方式切顶方式管理方式推采步距
/m
戴帽点柱1.00.756.43.41.33347.53见六充三密集充填法1.0
4.4充填工序
工作面充填施工顺序为充填管路巡查→挂挡矸竹笆塑料彩带→回柱→垒砌矸石墙→充填→掐缩充矸管子→安装充填管子。
(1)工作面采用“见六充三”充填方式,即工作面自切眼推进六排支柱后开始充填,充填管路敷设在面溜子以东第二与第三排支柱的空档内。自下巷上帮垒砌倾斜长度不少于5.0m的矸石垛。回柱前现将下一段充填范围的边排里侧挡好竹芭和塑料彩带,然后方可严格按照“自下而上、由里向外”的顺序逐列逐棵进行回撤充填区支柱。
(2)按照“见六充三,自下向上”顺序,分段回柱充填,分段长度为6m。充填点采用慢弯900钢管子短节过渡伸入充填区内,其长度不准超过0.8m,高度不得小于1.0m。采用手拉葫芦抬高充填处管路,起吊时链子同管路必须固定牢固。为防止充填时矸石浆向上流淌,在每段充填迎头垒砌挡矸墙,挡矸墙厚度不得低于0.6m。垒砌分段挡矸墙前,在各充填空档内各布置一架一梁二柱,梁长为3.2mπ型钢前探支护,前探长度不得低于所垒砌挡矸墙宽度。人员在π型钢的有效保护下作业。在垒砌挡矸墙距顶板0.2~0.3m时,将π型钢逐架撤除存放置下一个挡矸墙位置备用。
(3)靠边排用竹芭、塑料彩带封闭时,竹芭倾斜压茬不得低于0.5m,在支设边排密集柱时上端(包括塑料彩带)一同升在顶板上。塑料彩带底部预留长度不少于0.3m,铺在底板上用塑料编织袋装入碎矸石或底板泥掩埋。密集柱支设在正规支柱中间位置,支护结构同工作面保持一致,初撑力不低于50kN。
(4)每一段充填完后,用电话联系充填泵站停止供料,然后方可掐缩管路及回柱工作。处理管内存留矸石余矸采用高压注液枪进行清理。
(5)为防止工作面充填期间下巷积水,在下巷低洼处建沉淀池。每班安人负责看管清理沉淀池,以保持正常疏水。采空区充填期间,如充填材料水分过多,充填负责人及时通知充填泵房停止充填,立即调整充填材料的配比。对充填区边排安专人巡查,对封堵不严的地点必须重新加固,防止泥浆外溢,失效支柱及时更换。
(6)当充填点至距“上巷下帮煤壁”50节时,工作面开始组织正常生产,在组织出煤的同时将未充填范围段充实。
5充填效果及效益
5.1工作面“三量”观测
通过“三量”观测综合曲线图中可以看出,工作面采空区充填密实,充填时初凝时间8h。充后顶底板移近量(充前顶底板移近量、充填欠接顶量、充填体压缩量三者之和)不大于80mm,工作面没有明显的初次来压、周期来压显现。
5.2工作面矸石充填后岩移观测站移动与变形综合计算
根据-650m水平41302矸石充填工作面地表观测站实际观测资料,采空区未充填前地表下沉值为480mm,地表下沉系数为0.34;实行泵送矸石充填后地表下沉值为-112mm,泵送矸石泥浆充填地表下沉系数为q充=0.08左右,减沉效果达到77%,由此可见泵送矸石充填开采工艺对地表减沉起到了决定性的作用,对地质环境综合保护作用极其明显。
5.3充填效益分析
该工作面将采区下山2万t煤柱成功采出,处理井下原生矸石2.6万t;采区下山无明显变形,能够正常使用;前进式开采80m,成功留巷90m,作为下区段工作面上巷,实现了区段无煤柱开采。
该工作面采用泵送充填开采煤柱2万t,占年产量的1.7%,实现直接经济效益1 020万元。