矸石充填
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三、矸石井下充填开采
㈠ 工程条件
1．构造及可采煤层
本区总体构造形态为走向北东，倾向北西，倾角6～12°的单斜构造，在此基础上仅在北部发育了次一级的褶曲构造，在井田东部边界断层发。区内未见岩浆岩活动。井田构造简单。
本区可采煤层为山西组的3、6号煤层和太原组的8、9和15号煤层，除15号煤层全区稳定可采外，3、6、8和9号煤层均为局部可采的不稳定煤层。各煤层特征见表4.1-4。
表4.1-4 各煤层特征一览表
煤层号 煤层厚度(m) 夹矸
层数 煤层间距(m) 顶板岩性
底板岩性 视密度(t/m2) 稳定性
可采性 最小—最大
平 均 最小—最大
平 均
3 0-1.05
0.55 0-1 10.6-35.6
20.6 砂质泥岩、泥岩、细粒砂岩
砂质泥岩、泥岩 1.47 不稳定
局部可采
6 0 -1.27
0.62 0-1 砂质泥岩、泥岩
泥岩砂质泥岩 1.44 不稳定
局部可采 15.9-26.6
20.4 8 0-3.31
1.22 0-2 泥岩、砂质泥岩、粉砂岩
泥岩、砂质泥岩、粉砂岩 1.49 不稳定
局部可采 6.5-19.1
12.0 9 0-2.10
0.76 0-2 砂质泥岩、泥岩
泥岩、砂质泥岩、粉砂岩 1.47 不稳定
局部可采 59.5-74.4
67.3 15 3.53-9.90
5.38 0-3 砂质泥岩、泥岩
砂质泥岩 1.46 稳定
全区可采
2．水文地质条件
本井田构造简单，在井田东边界的中北部发育一组断裂，井田内陷落柱稀少，根据煤矿床的直接充水含水层的富水性及补给条件等水文地质特征，本井田的煤矿床水文地质勘探类型为二类一型和三类二型，即水文地质条件简单的裂隙充水矿床和水文地质条件中等的岩溶充水矿床。山西组煤矿床主要属二类一型，太原组煤矿床主要属三类二型（太原组富水性弱，但有奥灰突水性）。 本矿井设计生产能力为5.00Mt/a，根据地质报告对矿井涌水量预测，参照阳泉矿区现有生产矿井统计资料，正常涌水量按235m3/h，最大涌水量293m3/h选择排水设备(已考虑到井下消防洒水、井筒淋水和黄泥灌浆析水量)。
3．其它开采技术条件
⑴ 岩石工程地质特性
3号煤层顶板砂质泥岩的抗压强度22.4-24.8 MPa，平均23.9 MPa，属中硬岩石；底板泥岩的抗压强度14.8-16.8MPa，平均15.9MPa，属软弱岩石。
6号煤层顶板泥岩的抗压强度13.5-23.7 MPa，平均16.4MPa，属软弱～中硬岩石；底板细粒砂岩抗压强度1.2-17.0MPa，平均9.1MPa，属岩石、粉砂岩的抗压强度30.4-33.2 MPa，平均31.8MPa ，属软弱～中硬岩石。
8号煤层顶板泥岩的抗压强度2.9-15.0 MPa，平均5.2MPa；砂质泥岩的抗压强度为18.0-20.8MPa，平均19.1MPa，属软弱～中硬岩石；8号煤层底板泥岩抗压强度4.3-9.5 MPa，平均6.9MPa；粉砂岩的抗压强度为13.2-30.8MPa，平均25.3MPa，属软弱～中硬岩石。
9号煤层顶板砂质泥岩的抗压强度4.2-38.1MPa，平均15.1MPa；泥岩的抗压强度8.8-18.3MPa，平均12.9MPa，属软弱～中硬岩石。9号煤层底板砂质泥岩抗压强度11.5-21.2MPa，平均17.1MPa；泥岩的抗压强度为7.2-8.2MPa，平均7.7MPa，为软弱～中硬岩石。
15号煤层直接顶板砂质泥岩的抗压强度11.9-36.8MPa，平均27.2 MPa；砂质泥岩的抗压强度20.0-30.4 MPa，平均24.1MPa，属软弱～中硬岩石。15号煤层底板砂质泥岩抗压强度16.8-29.6MPa，平均23.0MPa；粉砂岩的抗压强度为21.8-33.4MPa，平均28.3MPa，为软弱～中硬岩石。
⑵ 瓦斯
本井田北部毗邻的寺家庄井田经鉴定为煤与瓦斯突出矿井，根据《煤矿安全规程》第一百八十九条规定，相邻矿井开采的同一煤层发生突出事故或被鉴定、认定为突出煤层的，应当立即进行煤层突出危险性鉴定；鉴定未完成前，应当按照突出煤层管理。按煤与瓦斯突出矿井设计。 ㈡ 充填条件
1．采煤方法
矿井移交时开采15号煤层。15号煤层厚3.53～9.90m，平均5.38m，仅6号钻孔厚度9.90m，其它孔厚大部5.0m左右。
矿井采用走向长壁采煤方法，一次采全高采煤工艺。
2．首采面位置
矿井移交时，在一、二采区靠近副井井底车场附近的15号煤层中分别布置一个综采工作面。一采区煤层可采厚度3.85～6.21m；二采区煤层可采厚度3.55～7.3m。工作面特征见表4.1-5。
表4.1-5 采区工作面特征表
采区名称 采煤工作面
个数 装 备 平均采高(m) 长度(m) 年推进度(m) 年生产能力(Mt)
一采区 1 综采 5.25 220 1504.8 2.36
二采区 1 综采 5.25 220 1504.8 2.36
4 掘进 0.31
合计 5.03
㈢ 充填技术
按矸石充填的位置不同分工作面充填和巷道充填。工作面充填系统复杂，除煤炭生产运输系统外，还要有矸石充填系统，但优点是处理矸石量大，对整个井下生产系统影响小；巷道充填系统简单，占用设备少，但缺点是矸石充填量少，不能从根本上解决矸石污染问题。本矿井井下掘进矸石及洗选矸石量达到1.49Mt/a，采用巷道充填年充矸量最多仅0.30Mt/a左右，难以满足要求，因此本报告推荐矸石采用工作面充填技术。矿井单工作面生产能力2.50Mt/a，根据计算，单工作面可处理完掘进及洗选矸石。
目前国内井下矸石充填主要目的为解放“三下”呆滞资源，通常采用膏体充填、块石砂浆胶结充填和全尾矿胶结充填等新技术。本矿井工业场地及村庄等留设了保护煤柱，井下矸石充填仅为处理矸石，避免对环境污染，因此对充填密实度没要求，本报告推荐矸石破碎后，直接回填采空区。
当采空区倾角较大时，可采用自溜来完成充填；当采空区倾角较小进行矸石充填时，要用一些设备进行处理，如矸石充填泵、扒装机、胶带输送机、刮板输送机等。本井田煤层倾角6～12°，自溜充填量难以满足要求，需采用机械充填。本矿井按煤与瓦斯突出矿井设计，井下同时布置两个综采工作面以满足矿井设计生产能力，根据工作面生产能力及采空区范围，报告推荐其中一个综采工作面支护设备选用充填液压支架，支架后部挂底卸式刮板输送机进行矸石充填。
㈣ 充填工作原理
综采工作面矸石充填开采工艺包括工作面综采和采空区矸石充填两部分。其关键设备是矸石充填液压支架和矸石充填机。矸石充填刮板输送机吊挂在充填液压支架后部水平后顶梁下，其槽板上开若干可控制的落矸孔，矸石充填刮板运输机和顺槽的运矸可伸缩带式输送机相连接，将矸石运进采空区并从落矸孔中落下，以实现充填。全部充填工作在液压支架水平后顶梁的掩护下完成。充填液压支架示意图见图4.1-5。
图4.1-5 综采工作面矸石充填工作示意图
㈤ 设备选型配套
1．液压支架
根据15号煤层首采区顶底板岩性及采高对支架进行计算。
⑴ 支架支护强度P
P≥(6~8)×m×γ×9.8×10-3=(6~8)×5.25×2.6×9.8×10-3=0.80~1.07MPa
式中：
P－支架支护强度，MPa；
m－采高，根据地质报告15号煤层底板等高线及资源储量估算图中的钻孔和柱状资料，15煤层按5.25m计；
γ－顶板岩石平均容重，取2.6 t/m3。 支架工作阻力的确定：
⑵ 额定工作阻力F
F＝P×Bc×L/η
式中
P—液压支架额定支护强度，1.07MPa。
L—支架中心距，1.75m；
Bc—控顶距，5.68m；
η—支撑效率，取η＝0.95；
计算得F＝1.07×106×5.68×1.75/0.95＝11200kN。
根据计算结果，报告推荐选用ZZC13000/28/60充填液压支架。
2．充填刮板输送机
本矿井掘进及洗选矸石为1.49Mt/a，按年工作330d，井下 “四六”工作制计算，每班充填矸石量约1500t。回采工作面每班割煤循环2次，为减少充填矸石对正常采煤影响，报告推荐充填刮板输送机运输能力为500t/h。
3．充填工作面主要设备
充填工作面设备与正常回采工作面设备存在一些差异，主要表现在液压支架由常规型改为充填型，增加了充填刮板输送机、充填可伸缩带式输送机等运输设备，主要增加、变化的设备见表4.1-6。
表4.1-6 充填工作面主要增加、变化设备
设备名称 设备型号 设备功率（kW） 设备数量
液压支架 ZZC13000/28/60 - 138
充填刮板输送机 SGBC764/250 250 1
架后上料输送机 带宽800 25 1
运矸带式输送机 SSJ800/2×75A 2×75 1
㈥ 矸石充填工艺
充填施工工艺过程：机组进刀割煤→移架→推溜→中间支架依次充填→机头2架、机尾2架充矸，一个循环完成。本矸石充填仅为处理地面矸石，不需将矸石捣实，仅在支架立柱后方设置隔离屏障，防治矸石串入煤流系统。后悬式矸石刮板输送机随移架前移，能实现可弯曲运输，移架不影响运输充填材料。由于该机是在充填液压支架后顶梁的掩护下进行的，可保证充填设备的安全，充填过程中无需人员进入充填区。井下矸石充填工艺流程见图4.1-6。
1-破碎后的矸石；2-推土机；3-投料井；4-井下储料仓；5-运矸联络巷；6-运矸巷；7-运矸皮带；8-自移式充填物料转载输送机；9-多孔底卸式输送机；10-充填采煤液压支架；11-运煤胶带巷
图4.1-6 矸石井下充填工艺流程图
㈦ 增加工程量
本矿井按煤与瓦斯突出矿井设计，矿井配风量较大，井下共布置5条巷道满足运输及通风需要，其中1条带式输送机巷，1条辅助运输巷，1条进风巷和2条回风巷。原设计在进风巷敷设一条带宽1m带式输送机，将普掘工作面矸石运送至主斜井井底矸石仓，由主斜井带式输送机分时运送至地面。
增加矸石井下充填系统后，工作面掘进矸石将直接在井下破碎后回填回采工作面，不再升井；选煤厂洗选矸石通过投料井投送至井下。相对于原井巷系统，矿井移交时在副井场地增加了1个直径500mm投料井，井下矸石仓位置由主斜井井底调整至投料井下部，其它同原设计。
1．大垂深小孔径矸石直投系统
投料井深620m，净直径φ500mm，全孔下入陶瓷衬壁铸铁耐磨套管，实现矸石的自重运输。地面矸石投放系统包括地面储矸场、矸石给料系统、矸石投料井。地面储矸场配备矸石处理破碎机、输矸皮带、铲车以及井上下通讯系统。将地面矸石进行简单的破碎处理后，输送到矸石投料井的进料口。
2．井下矸石储运系统
该系统包括缓冲硐室、矸石破碎系统、矸石仓、矸石运输皮带。地面处理系统处理后的矸石以及其他材料经过投料井，输送到井下储存运输系统，输料孔落下的矸石经缓冲硐室，储存在+矸石仓中，矸石仓仓径5.5m，垂高11m，有效容量208吨。后经过给煤机，给到采区输矸皮带上，输送至充填工作面后部充填运输机。
掘进工作面的原生矸石经矸石破碎机破碎后，进入水平矸石仓，然后一并经矸石运输皮带运送至综采充填工作面后部运输机进行工作面充填。
