1、专题部分济三矿边角煤煤矸置换工艺研究摘要：我国的煤矸石总堆积已超过30亿t，废弃的煤矸石污染水质、空气，而且还侵占了越来越多的耕地，对生态和环境构成了严重的破坏。同时，矸石提升也已成为制约矿井生产能力提高的主要因素之一。济三煤矿在分析井下矸石来源的基础上，因地制宜地开发出井下矸石置换边角煤炭清洁生产技术，实现了矸石置换煤炭，同时解放了矿区断层附近边角煤，保证了煤质，达到了煤炭清洁生产、减少环境破坏的目的，并有效地解决了矿井提升的紧张局面。关键词：边角煤 矸石充填 系统工艺0.引言目前，我国的煤矸石总堆积已超过30亿t，废弃的煤矸石污染水质、空气，而且还侵占了越来越多的耕地，对生态和环境构成了严
2、重的破坏1。同时，矸石提升也已成为制约矿井生产能力提高的主要因素之一。由于充填采矿法一方面能保证煤炭的正常开采，另一方面能减少地表和环境的破坏，能够确保在安全的情况下顺利生产，开始在金属矿山得到应用。我国应用充填技术较晚于其它国家，但在近几年发展很快。目前，矸石充填，水沙充填、尾砂胶结充填、膏体泵送充填及高水速凝固化充填技术己在许多矿山推广应用。近几年我国的充填工艺已经达到了国际先进水平2。济三煤矿在分析井下矸石来源的基础上，因地制宜地开发出井下矸石置换边角煤炭清洁生产技术，实现了矸石置换煤炭，同时解放了矿区断层附近边角煤，保证了煤质，达到了煤炭清洁生产、减少环境破坏的目的，并有效地解决了矿井
3、提升的紧张局面。1充填技术发展历程1.1废石干式充填干式充填应用历史悠久，在20世纪50年代以前，以地下采出的矸石和工业废料干式回填充填采空区，减缓地面的下沉。干式充填材料通过天井用矿车或人工运到采场进行充填。这样需要大量的劳动力，煤炭的采出成本大大的增加，充填的时间和煤炭采出的周期过长，矿石的贫化程度增加。并且充填时不能生产，生产时不能充填，严重影响工作面的推进速度。由于干式充填存在着许多问题，随着充填技术的发展，由于废石干式充填具有效率低、生产能力小和劳动强度大的缺点，已不能满足采矿生产的需要。因此到1963年在采矿界干式充填几乎不再应用，处十淘汰的地位3。1.2水砂充填由于干式充填不能满
4、足采矿的需求，许多专家和研究人员从20世纪30年代提出了新的充填技术，即水沙充填。40年代有些矿山开始利用水沙充填技术进行充填。到50年代以后大部分的矿井纷纷采用这项技术。早在1929-1932年期间，澳大利业的芒特.莱尔铜矿，赞比业的穆富利拉铜矿，美国的霍姆斯特克金矿，均有水力充填的记录。我国是使用水砂充填最早的国家之一，也是煤层开采中用水力充填开采技术最先进的国家之一。到1957年水力充填采煤法的产量已占全国总量的15. 6%。70年代以后，由于水力充填开采系统复杂，成本高等原因。所以，水砂充填采煤的比例明显下降，到1990年产量仅占1. 07%。处于被淘汰的地位4。1.3膏体泵送充填传统
5、的水力充填工艺，当充填浆液充填采场后充填体需要脱水。使大量的充填尾砂被水带走，造成充填材料的流失，使充填体的强度降低，有水带走的泥砂污染了井下的环境，影响到了正常的生产。膏体充填提高了浆液的浓度，充填体易于接顶，解决了传统水力充填不足之处。20世纪70年代德国格隆德铅锌矿首先开发成功了膏体充填技术，并在一些金属矿山应用成功。这种新工艺具有抵抗分层和抵抗离析的能力，膏体在输送管道中停留长时间不沉淀，并能顺利的输送5。加拿大、澳大利业、南非、美国、德国、瑞典等国家，都投入大量的人力、物力研究膏体充填技术，从全球来看，膏体充填技术是发展的方向。在我国，金川公司于1991年就建立和鉴定了膏体充填试验系
6、统，正式建成了生产系统，随后武山铜矿也建成了膏体充填系统。1.4高水速凝充填高水速凝充填是与以往的充填理念完全不同的一种新型充填工艺，它对充填浆液的浓度要求不高，当高水材料遇水后有较强固水能力的特点，并能吸附游离的水分子。该工艺20世纪60年代在英国率先研制成功，起初用于煤矿的巷旁充填支护。我国在20世纪80年代初，由中国矿业大学北京校区孙恒虎教授领导的课题组发明了高水固结充填材料。一些矿山，如招远金矿、小铁山矿、新桥硫铁矿于80年代末开始进行了现场试验研究，取得了突破性进展6。这种工艺采用高水速凝固结材料作固化剂，近年来新型高水速凝充填材料研制成功，并在煤矿的沿空留巷应用成功。新型高水速凝充
7、填材料由甲、乙两种组份构成，其中甲料以特种水泥熟料为基料，与悬浮剂及复合超缓凝剂混磨成，乙料1由石灰、石膏、悬浮剂和复合速凝剂等混磨成。这些材料本身无毒、无害、无腐蚀性。甲、乙两种料在干燥条件下的保质期为5个月。实践证明，新型高水速凝材料的研制成功，必将引起充填开采工艺的重大变革。1.5矸石充填矸石充填采煤技术是针一对我国煤矿开采存在的“三下”压煤问题、煤矸石排放问题和上地资源问题而开发出来的绿色采煤技术之一，与传统矸石充填相比，矸石充填形成机械化系统，可边采煤边充填。矸石充填开采，既可采用综采方式，也可采用普采方式。在连续的供矸前提下，综采矸石充填采煤可以达到高产高效生产指标。普采矸石充填采
8、煤工艺能适应各种复杂的采矿地质条件，也具有较广泛的推广应用前景7。2矸石运输与分选2.1矸石的来源煤矿井下生产过程中排放矸石，主要来源于井下岩石巷道、煤仓和溜煤眼的掘进以及工作面在推进过程中产生的矸石8。 对于井下生产过程中产生的矸石，按照用途和所产生地点的不同，将其按照以下几类进行处理。（1）岩石巷道、煤仓以及溜煤眼等掘进过程中所产生的矸石，通过胶带或者矿车将其运至井下矸石处理场进行破碎，破碎后的研石在“三下”压煤区中实施巷道矸石充填。在断层边角煤压煤区建立矸石注浆充填系统 矸石充填为主、灌注矸石渣浆为辅的全空间充填方式置换煤炭，如图1所示。既有效解决了单一抛矸充填带上方接触不实、地表下沉的
9、问题，又通过工作巷道间交替充填，使块段采出率达90%以上。 图1 矸石充填的边角煤巷道（2）工作面推进过程中产生的研石(主要包括:掺入煤炭中的顶底板岩石、煤层夹矸石以及过断层岩石，通过运输巷中的胶带随煤炭一起进入井下煤矸分离系统分选后，粒度直径150mm以上的矸石经矿车直接运抵充填系统，用于置换“三下”压煤;粒度直径150mm以下的矸石，经地面洗选分离后，运送至井下，作为区段间沿空掘巷“预构人造墙体”的充填材料，置换出边角煤柱。2.2矸石的井下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。
10、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9。2.3辅助运输系统辅助运输主要担负采区材料、设备的运输，矸石的运输和人员运送等运输任务。辅助运输方式应适应采区地质条件和巷道布置的需要。辅助运输方式要求系统简单，安全可靠，设备和中转环节少，有利于减少辅助运输人员，提高运输效率，最大限度地实现连续运输，并具有良好的经济效益。济宁三号煤矿目前以无轨胶轮车运输为主、轨道运输、皮带排矸为辅的辅助运输方式。无轨胶轮车运输方式在开采初期距离井底车场较近的采区发挥了较好的作用：机动灵活、方便快捷
11、，对采掘工作面的液压支架及大型设备的搬迁运输效率高，人员占用少，基本实现了井下的连续、快速、高效的运输。但是随着开采范围的扩大，运距加大，岩石巷道的增加，矸石量增大，以及大量的支护材料和人员运输等问题，无轨胶轮运输方式越来越难以满足矿井大量的、长距离的辅助运输需要。十八采区距东区井底车场较远，最远地点达到9km，结合其地质条件及巷道布置等，对采区矸石的运输，材料、设备的运输分别研究。2.4矸石运输矸石的运输是十八采区辅助运输的难点，根据十八采区距井底车场较远、开拓准备掘进矸石量大的特点，掘进矸石的运输及处理提出以下三个方案：（1）方案一：十八采区回风巷皮带、北区回风巷皮带、北部回风巷皮带排矸方
12、案在十八采区回风巷、北区回风巷和北部回风巷内安装皮带，作为掘进排矸系统。运输路线为：掘进工作面十八采区回风巷胶带输送机十八采区矸石仓（直径5m，净高13m，容量约350t）北区回风巷胶带输送机北部回风巷胶带输送机井底车场矸石仓转换为矿车井底车场副井地面。胶带输送机均选择SSJ800/275型可伸缩胶带输送机，其中，十八采区回风巷前期安装一部，北区回风巷长2300m，安装两部，北部回风巷长2300m，目前已安装两部，正在服务于十二采区的排矸任务。井底车场矸石仓转换系统目前已建成，正常使用。（2）方案二：十八采区回风巷皮带、十八采区辅助回风巷皮带排矸、西部总回风巷绞车提升方案该方案运输路线为：掘进
13、工作面十八采区回风巷胶带输送机十八采区辅助回风巷胶带输送机西部总回风巷矸石转换系统转换为矿车西部总回风巷下山井底车场副井地面。胶带输送机均选择SSJ800/275型可伸缩胶带输送机，其中，十八采区回风巷前期安装一部，十八采区辅助回风巷长2370m，安装两部。西部总回风下山长度为782m，坡度9，已安装2m液压绞车，可基本满足十八采区及矿井西部各掘进工作面的辅助提升任务。（3）方案三：井下矸石充填方案为加强环境保护，减少矸石升井，减少矸石占地，降低排矸费用，缓解济三矿辅助运输压力，十八采区矸石设计利用边角房柱式开采形成的采空区进行井下充填处理。充填方法及工艺：十八采区掘进矸石经采区回风巷皮带进入
14、位于采区上部的矸石仓（直径5m，净高13m，容量约350t），矸石仓下部设置矸石给料机控制矸石流量，矸石经给料机，矸石胶带输送机，然后通过充填机充填到房式（小条带）开采形成的巷道内。具体路线：掘进工作面矸石十八采区回风巷胶带输送机十八采区矸石仓矸石给料机矸石胶带输送机矸石充填机充填巷道。充填巷道布置在3下煤层中，充填巷道宽4.5m，高5m（原则沿煤层顶底板布置），断面22.5m2，采用锚网支护，充填巷道间留设煤柱为5.5m。充填地点选择：根据尽量缩短运距，就近充填处理的原则，十八采区矸石充填巷道选择两处：一处为北区回风巷以北，163下05皮带顺槽以西，KF59断层以东的三角形区域，该处可布置长
15、235600m充填巷道16条，巷道总长度约9800m（可共充填的巷道9000m），估算可满足岩石巷道充填6716m（掘进断面17m2，岩石松散系数取1.6，巷道充填系数取90，9000/171.6/(22.50.9)6716m。另一处为北区辅助运输巷以南，六采区西部辅助运输巷以西，KF59断层以东狭长区域，该处可布置长2100m充填巷道2条，充填巷道总长度4200m，估算可满足岩石巷道充填3134m（掘进断面17m2）。两处可满足岩石巷道充填9850m（掘进断面17m2），十八采区前期开拓岩石巷道为4378m，可满足十八采区矸石充填的需要。（4）方案优缺点比较：方案一具有巷道已经形成，安装施工工期短，充分利用北部现已安装使用的两部排矸皮带等优点。其主要缺点： 十八采区回风巷皮带（一部）、北区回风巷皮带（两部）、北部回风巷皮带（两部）共需要5部皮带，运输环节多，系统复杂，管理难度大。 十六采区皮带顺槽与北区回风巷多为直交，北区回风巷内布置排矸皮带跨越十分困难。方案二的优点是比方案一少两部皮带（北区两部皮带），其主要缺点是： 十八采区辅助回风巷长2370m，该巷道施工及排矸皮带安装约需要9个月，工期长，十八采区建设前期难以采用。 增加矸石转换环节，在西部总回风巷建矸石转换系统，增加绕道、矸石仓等巷道工程量130m。 十八采区与西部开拓同时开拓准备，造成西部总回风
