矸石不升井的井下清洁开采技术_井下作业修井技术手册

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井下矸石不升井的井下清洁开采技术

高 庄 煤2008年9月

矿 日井下矸石不升井的井下清洁开采技术

在煤炭大量开发和利用的同时，也带来一系列环境和生态问题，如井下开采产生的煤矸石压占耕地良田，露天矿剥离物外排占地，煤矸石山自燃造成大气污染等，不仅破坏了矿区生产环境，也对社会文明进步产生不利影响。在分析高庄煤矿井下矸石来源与分类的基础上，因地制宜的开发出矿井矸石不出井的井下清洁开采技术：一是矿井井下矸石分选系统；二是在3下504工作面实施预置充填带，实现无煤柱开采；从而达到煤炭清洁生产、减少环境破坏的目的。7.1 井下矸石来源与分类

高庄矿井下在生产过程中排放的矸石，主要来源于井下岩石巷道的掘进、煤仓和溜煤眼的掘进以及工作面在推进过程中的矸石(主要包括：掺入煤炭中的顶、底板岩石、煤层夹矸以及过断层岩石)。

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，将其按照以下两类进行处理。

（1）岩石巷道、煤仓以及溜煤眼等掘进过程中所产生的矸石，通过皮带或者矿车将其运至井下矸石处理场进行破碎，破碎后的矸石一部分用于井下废弃巷道等充填，一部分作为无煤柱开采预置充填带的骨料。

（2）工作面推进过程中的产生的矸石，通过运输巷中的皮带随煤炭一起进入井下矸石分选系统分选后，运送至无煤柱开采充填带充填系统处，与其他充填材料混合充填到无煤柱开采充填带处。7.2 矿井井下矸石分选系统 7.2.1 井下矸石分选系统建立必要性

高庄矿2002年以前采用全水力化采煤，2002年改扩建后，形成水旱并举、东水西旱的生产格局，即邵集断层以西的西五采区为旱采生产，以东的西

一、西三采区为水采生产。2004年产量突破300万t，其中旱采出煤208.28万t，水采出煤92万t。2005年5月随着水采生产结束，整个矿井生产由原来的水、旱两套生产系统变为一套生产系统，加之邵集断层以东的西七采区开拓尚未完成，整个矿井只能靠一套旱采系统单翼生产，即矿井产量全部由矿井西五采区承担。在生产过程中，综放工作面架后放煤和工作面遇到地质构造均有大量大块矸石进入煤流运输系统，造成卡仓、砸坏提升箕斗等事故，为解决提升运输系统中的卡仓问题，在原煤提升系统中建立一套矸石手选系统，选出煤流中的大块矸石，杜绝了矸石卡仓现象，降低机械事故率，提高原煤提升效率，保证了矿井正常生产是十分必要的。7.2.2 矸石分选系统方案设计

（1）方案选择

根据现有原煤提升系统及装卸载方式，对矸石分选系统建立的位置提出如下三个设计方案：

方案一：系统建在西五采区煤仓处。巷道总掘进工程量约为400 m，矸石仓深度25 m，直径6 m。以上工程量以二个掘进头每月70 m进尺计，共需要3个月完成。

方案二：系统建在西十一采区煤仓处。巷道总掘进工程量约为500 m，溜煤眼深度20 m，直径2 m，矸石仓深度25 m，直径6 m。以上工程量以二个掘进头每月70 m进尺计，共需要4个月完成。

方案三：系统建在主井煤仓处。巷道总掘进工程量为656 m，扩刷工程量为105 m，矸石仓1深度30 m，直径6 m，矸石仓2深度40 m，直径6 m。以上工程量以二个掘进头每月70 m进尺计，共需要6.5个月完成。

（2）各方案比较 1）方案一

优点：系统简单可靠，工程量最少，能较快达到矿领导早日进行矸石筛分的要求。

缺点：矸石运输量大，对矿井整个运输系统有一定影响。2）方案二

优点：胶带手选断面处断面小，系统简单。

缺点：① 较方案二工程量大，施工工期长；② 施工溜煤眼时，有可能影响矿井生产；③ 矸石运输量大，对矿井整个运输系统影响较大。

3）方案三

优点：① 系统可靠，能够实现矸石胶带快速运输；②能够实现矸石不上井对西三采区的充填，对矿井整个运输系统没有任何影响；③ 该系统从长远角度看，对矿井发展最为有利。

缺点：工程量大，施工工期长，施工难度大。由以上方案比较可以看出，方案一更加经济可靠，生产系统简单易于快速形成，因此本设计选择方案一为矸石分选系统的方案，方案一矸石分选系统路线如图7-2所示。

选矸系统绕道车场西五强力胶带机巷分矸系统分选皮带巷行人通道3‰ 溜煤道 3‰分矸系统辅助上山上车场分矸系统回煤皮带巷信号硐室3分选皮带联络车场西五采区胶带机头硐室7-2 井下矸石分选系统图

7.2.3 施工组织

（1）施工准备 ① 在工程施工前，首先由施工单位对西五采区候车室及大巷电缆进行保护，确保放炮安全。

② 工程施工前，由机电单位对西翼一部皮带机机尾硐室进行保护，确保不影响正常的矿井生产。

（2）施工顺序

为确保该工程能够顺利进行，对该工程进行如下施工安排： ① 巷道工程

手选胶带机联络巷、手选胶带机巷、回煤胶带机辅助上山、回煤胶带机巷由开拓工区进行施工。矸石运输环形车场由普掘工区进行施工。

② 矸石仓工程

该工程由三处施工队进行施工。③ 安装工程

N西五采区胶带机巷 由矿安装部门对手选胶带机、回煤胶带机和西五采区煤仓上口筛子进行安装。

7.2.4 施工中采取的措施

（1）为了确保分选系统按期安全投入使用，实行安全目标管理。（2）施工单位在施工前要制定安全可靠的施工方法及组织措施，在确保安全的前提下，达到安排进度要求。

（3）管理负责单位要加强现场管理，要明确任务、责任到人，按施工工期要求进行超前组织安排。对需要协调的工作要及时联系，确保施工正常进行。

（4）矸石仓施工时成立工作组，现场跟班负责管理。

（5）责任单位严格按施工组织安排组织施工并组织日调度，对完不成当天任务的进行分析原因并制定出整改措施。7.2.5 矸石分选系统效果分析

（1）矸石分选系统工艺流程

高庄矿井下矸石分选系统其工艺流程主要包括：筛选、分选、回煤三道工序流程。

① 筛分

含有矸石的煤流，进入强力皮带机头分级筛进行筛分，150mm以下的煤、矸进入西五采区煤仓；150mm以上的块煤、矸石进入下一流程，筛分工艺如图7-3所示。

(a)小块矸石通过筛子

(b)大块矸石通过筛子

(a)左侧工人处理大块矸石

(b)右侧工人处理大块矸石

图7-3 筛分工艺流程

② 分选

由筛分工艺筛分出来的大块的煤与矸石进入分选工艺，分选工人将分选皮带上的大块矸石分选出来放进身旁的装矸铁漏斗中溜入矸石仓，由矿车运至井下矸石破碎场，进行井下破碎用于井下充填需要矸石的场所，分选皮带上的块煤经分选皮带尾部的倾斜漏斗漏入回煤皮带，分选工艺如图7-4所示。

图7-4 分选工艺流程

③ 回煤

块煤经回煤皮带进入西五采区煤仓。

(a)分选皮带将煤溜入回煤皮带

(b)煤炭通过回煤皮带运走

图7-5 回煤工艺流程

（2）使用效果

①增加了综采放顶煤回收率。井下选矸系统的使用，使综放工作面由原来的“架后见矸关门改为全部见矸关门”，提高了综采放顶煤的资源回收率。

②解决了提升运输系统的卡仓问题。综放工作面架后放煤和工作面遇到地质构造均有大量大块矸石进入煤流运输系统，在原煤提升系统中建立一套矸石手选系统，选出煤流中的大块矸石，杜绝了矸石卡仓现象，降低了机械事故率，提高了原煤提升效率。从2007年该系统运行以来，从未出现大块矸石卡堵煤仓和洗煤厂原煤系统事故，大大延长了主井箕斗、井下装载定量仓的使用寿命。

③增加了主井有效提升量。手选矸石系统每年可选出矸石8万吨以上，相当于主井净增加提升能力8万吨，如每吨原煤按500元销价计算，可增加产值8×500元/吨=0.4亿元人民币，其效益是相当可观的。④解决了充填材料问题。井下选出的矸石，经矿车直接运抵充填系统进行充填，解决了充填料来源问题，实现了手选、充填、置换的闭合循环。

⑤从源头上提高了煤质。井下手选矸石系统从源头控制矸石上井量，将大块矸石提前拣出，完善了井下煤质控制流程。7.3 预置充填带无煤柱开采技术

目前，滕南、兖州乃至全国大部分矿区采区工作面之间都留设了3～6 m的煤柱，目的是为了防止生产（或准备）工作面与相邻采空区通透漏风而引起自然发火，同时也兼顾了工作面矿山压力的影响。工作面区段之间留设煤柱虽然短期内对防治窜风、自然发火起到一定作用，但却造成了煤炭资源的浪费（大约损失2%～3%），而且煤柱在采空区被压酥，甚至压碎，极易造成采空区煤柱自燃发火，对安全生产构成威胁。因此，实现工作面无煤柱开采，无论是对安全生产，还是对增加经济效益和社会效益，都具有十分重要的意义。针对高庄矿工作面区段间煤柱如何采出进行了研究，提出了工作面区段间预置充填带无煤柱开采技术，成功实现了工作面的无煤柱开采。

预置充填带无煤柱开采，就是在上一区段运输巷靠近下一区段轨道巷的巷帮沿运输巷预置一条充填带，下区段轨道巷掘进时，沿预置的充填带进行掘进，不再留设煤柱，用充填带把上下两个区段间该留设的煤柱置换出来，实现工作面无煤柱开采。7.3.1 采区概况

高庄矿西五采区布置为下山双翼采区，采用走向长壁采煤法开采。采区设有三条下山（一条为回风下山、一条为轨道下山、一条为胶带机运输下山），服务于3上、3下两层煤。3上煤层平均厚5 m，采用综采防顶煤；3下煤层平均厚4 m，采用综采。煤层倾角15°～21°，平均17°，煤层容重1.35 t/m3。采区开采顺序从上向下进行，区段上巷为轨道巷，下巷为胶带机运输巷，区段间留设3 m煤柱，区段巷道支护均采用锚网梯索支护。

7.3.2 方案实施研究

根据工作面区段间预置充填带无煤柱开采方案，开展技术研究，制定了两个实施方案：一是砌墙充填带置换煤柱开采方案；二是矸石渣混凝土置换煤柱开采方案。通过方案比较，确定采用矸石渣混凝土置换煤柱开采方案。

1、实施地点和长度的确定

根据高庄煤矿目前的运输环节和采场状况，在3下504综采工作面实施无煤柱开采，该面位于西五采区内，从采动情况看，工作面运输巷受矿压影响不明显，巷道变形量小。工作面于2008年7月份进行回采，目前剩余走向长度800m，巷道高度3～4m，采用锚网梯支护，采用扩帮充填的方式施工。

2、无煤柱开采关键技术与设备（1）充填材料选择及强度的确定

无煤柱开采所用的充填材料有多种选择，我矿选用的是以矸石渣为主辅以少量水泥、河沙加水混合而成的胶结体，属于混凝土系列中的轻骨料品种。由于矸石混凝土充填时，搅拌料采用混凝土输送泵输送，要求其稳定性不变型、不分散；和易性要有一定的自然流平力；泵送性要不阻塞、不离析、粘塑性不损失、泌水率低。通过多次泵送实验，确定水泥、河沙、矸石渣按重量配比比例为1：1：4.7。

要求矸石混凝土墙28小时达到C18强度，能满足矿压显现规律和巷道变形特性要求，具有良好的承载特性和变形性能。

（2）防爆混凝土输送泵研究

防爆混凝土输送泵是实施该项技术的关键设备之一。根据我矿的要求，混凝土输送泵厂家对地面混凝土输送泵非防爆装置进行了改造。该泵是具有体积小、功率大、耐磨、输送距离长、防爆等特点。（3）充填带规格的确定

根据充填带凝固时间、工作面运输巷长度、断面尺寸和矿压对充填带的影响，要求充填带既有可靠的抗压性、稳定性、柔韧性外，还要确保区段间不窜风，确定充填带规格：高度3.6m（煤层的厚度），宽度1.6m。如图7-6所示。（4）充填带扩刷

充填带扩刷采用打眼爆破法施工。从3上507工作面停采线开始，沿运输巷由外向里逐段进行，其断面在运输巷已掘设计断面的基础上，按充填带规格向下帮扩刷。扩刷支护采用锚网梯索柱支护，巷道扩刷后，顶板打锚网梯索，扩刷帮采用竹锚杆，支护参数与运输巷一致，支柱设在充填带的外侧，间距1 m，随扩刷随打，充填带的扩刷断面参数示意如图7-7所示。

(a)充填带断面

(b)已充填好的充填体

(b)固定充填体的模板 图7-6 充填带充填效果

******200900300充填部分煤层底板***03500

图7-7 充填带扩刷断面参数示意

（5）充填带充填施工

充填带扩刷后，充填带从下向上一段一段的施工。充填带施工时，首先充填3下504运输巷底板以下的卧底部分，再沿设计的充填带的外侧支设模板，充填底板以上的部分，充填带现场施工效果如图7-8所示。

(a)施工中的充填带端头

(b)施工中的充填带侧面

图7-8 充填带现场施工效果

（6）工艺流程

水泥、河沙、矸石渣充填料分别用矿车运至搅拌站，搅拌机搅拌后的混凝土浆液进入混凝土输送泵，通过管路注入待充填段。充填时沿充填带外侧支设模板，从后向前逐段施工，进行全断面充填，形成满足设计要求的混凝土墙。

工艺流程如图7-9所示。

(a)搅拌机上料斗上口

(b)搅拌机上料斗下口

(a)充填泵

(b)充填泵通过管路将混凝送往充填地点

图7-9 工艺流程

（7）施工设备

HBT-90型混凝土输送泵一台，90型搅拌机一台，注浆管路（直径159mm）长度1000m。

7.3.3 预置充填带无煤柱开采方案创新点、实施效果及经济社会效益分析

1、创新点

（1）将地面建筑混凝土输送泵改造为适应井下现场的矸石混凝土输送泵，实现了井下长距离充填材料的输送，极大的简化了无煤柱充填的施工环节，提高了工效，减轻了工人的劳动强度。

（2）充填材料的选择、配比完全满足了泵送的要求，充填形成的矸石混凝土墙完全达到了煤柱的支护效果，且矸石渣来源于洗选精煤产生的价格低廉的洗矸，解决了注浆充填矸石来源不足和掘进矸石需要多级破碎带来的成本增加、环境污染问题。

（3）巧妙设计注浆泵硐室的位置，充分利用原有巷道，增加了上口搅拌机硐室环形车场的存储能力，减少了充填材料的运输环节，从而保证了系统的连续充填。

2、实施效果

高庄煤矿预置充填带无煤柱开采实验段，于2006年11月24日在3目前该工作面已回采结上507面运输巷完成了矸石渣混凝土充填带施工，束。从工作面推到充填带观察情况看，充填带体除了在充填带上部向下约在13 m左右的地方从巷道顶板到底板出现一道微小的裂缝外，其余部分基本完好，完全满足工作面开采要求。

3、经济和社会效益分析

从2008年12月下旬在3下504工作面运输巷采用边扩刷边充填的方式进行，目前，已充填巷道230米。施工人员经历了对设备操作和材料配比的不熟练到完全熟练操作、配比的过程，充填工作正顺利有序的开展。3.1、经济效益分析

3下504工作面运输巷预置充填长度800m，充填带宽度1.7m，高度平均3.5m，充填材料水泥、河沙、矸石渣按重量配比为：1：1：4.7，取得的经济效益如下：

（1）投入费用共计：351.48万元 ①设备及安装费用36.08万元 ②扩刷及充填费用315.40万元（2）支护节省费用：

在下一相邻工作面材料巷沿充填侧掘进时节省支护费用19.92万元。

（3）置换煤量：

3下504工作面运输巷置换煤量3×3.5×800×1.35=11340吨（4）效益分析

按目前原煤销售价格600元/吨计算，800m充填带置换出的原煤销售收入为：11340×600=680.40万元

3下504工作面无煤柱开采盈利：680.40-351.48+19.92=348.84万元 我矿每年采煤需要消耗回采巷道3300m，若全部实现无煤柱开采，则每年减少煤柱损失量4.67万吨，实现销售收入2802万元。3.2、社会效益分析

（1）减少了煤炭资源损失。（2）延长了矿井服务年限。（3）大大减少了煤矿自然发火事故。

7.4 小结

（1）通过对高庄煤矿井下矸石来源进行分析，确定采取两种方式进行处理。结合矿井生产实际，降低矿井提矸率，建立矿井井下矸石分选系统，有效地解决了矿井提升的紧张局面。

（2）为了实现矿井的清洁开采，提高煤炭资源回收率，解决井下矸石处理难题，积极研究预置充填带无煤柱开采技术，成功实现矿井矸石不出井的井下清洁开采，取得了较好的经济与社会效益。