矸石充填与垮落混合开采优化及设备选型配套

赵国柱

（山西省阳泉荫营煤业有限责任公司，山西 阳泉 045011）

引言

高瓦斯低透气性煤层在实际开采中具有一定的危险性，归其原因为该煤层不具备常规煤层保护层的开采条件。因此，针对高瓦斯地透气性煤层需采区合理、高效、安全的开采方式进行开采。为此，提出矸石充填与垮落相混合的综采方式，该综采方式与传统开采方式相比在装备、工艺等方面存在较大的差异[1]。因此，矸石充填与垮落混合开采的实际应用需对其开采工艺进行优化并为其配套合理的装备解决瓦斯防止和采场矿压的问题，从而保证高瓦斯低透气煤层的安全、高效开采。

1 14 号煤层开采概况

综采工作面随着开采的不断深入所面临的煤层冲击和瓦斯突出的危险性逐渐增大，大部分矿井主要表现为瓦斯含量增加、瓦斯渗透率低以及抽放率低等问题。采用传统的卸压开采方式的主要局限性在于缺乏合适的煤层作为保护层进行开采。某矿14号煤层属于上述特点的高瓦斯、低透气性煤层。14号煤层位于15 号煤层上方，该煤层厚度为0.5 m，赋存条件不稳定，在采用传统卸压开采时期对应的保护层为14 号煤层上方的厚岩层，在实际开采中存在如下问题：

1）该煤层工作面的总矸石量约810 万m3，如果将低下的所有矸石量全部排放至地面需要在地面增加将近13.5 个矸石山，矸石在地面的堆积若处理不当极易造成污染，而且地面也缺乏矸石堆放的空间。

2）同时，就当前工作面所配置的运输设备对应的运输能力并不能够满足矸石的正常运输任务，还需增加运输设备，从而增加运输成本。

3）14 号煤层目前所配置的主运输系统为单一运输方式，在运输过程中同时运输矸石和煤炭会造成煤炭质量降低，从而造成煤炭产能的下降。

4）尽管14 号煤层的平均煤层厚度仅为0.5 m，但是其煤质属于优质主焦煤，由于矸石导致煤质下降极易造成煤炭资源浪费[2]。

综上所述，采用传统的卸压开采方式主要矛盾在于无法对工作面瓦斯进行合理、有效处理，同时还存在降低煤炭质量的隐患。为此，本文提出在14 号煤层工作面应用矸石充填和垮落混合的开采方式。

2 矸石充填与垮落混合开采工艺概述

所谓矸石充填与垮落混合开采工艺指的是矸石充填综采和传统垮落综采有机结合后的开采方式。矸石充填与垮落混合开采工艺工作面所配置的系统包括有充填矸石破碎输送系统、矸石不升井系统以及混合综采面开采作业系统；该开采工艺与传统单一的综采方式相比具有单产单效高、实现工作面高效采煤与充填矸石并举以及煤炭资源回收率高等优势。

实现矸石充填与垮落混合开采方式的高效、安全生产的基础需保证混合综采工作面设备的最优选型配套（采煤液压支架与传统综采液压支架的相互配套、液压支架推移步距的配套等）、矸石充填段各关键设备的相互配套（充填采煤机液压支架、多孔底卸式输送机、矸石装载机、夯实机构等）[3]。

3 矸石充填与垮落混合综采工艺优化

与传统综采工艺不同，矸石充填与垮落混合综采工艺包括有井下煤流矸石分选工艺、混合综采面充填段矸石破碎运输工艺、混合综采面开采工艺。各个开采工艺对应的综采工艺流程如下页图1 所示。

图1 矸石充填与垮落混合开采工艺流程

为保证混合综采工艺在工作面的应用效果，在传统开采工艺的基础上需对具体的开采工艺进行改进，以确保其适用于高瓦斯低透气率的煤层。

3.1 井下煤流矸石分选系统工艺

可应用于井下煤矸石分选的方法包括有选择性破碎法、重介质选煤法、动筛跳汰机选煤法等。综合上述分选方法在实际应用的评价，重介质选煤法、动筛跳汰机选煤法比选择性破碎法的分选效率高、安全性高以及应用范围更广。同时，考虑到重介质分选系统可在井下拆解且便于运输。本工程以传统重介质选煤法为基础进行优化改进，得出适用于混合综采工艺的分选流程，如图2 所示。

图2 混合综采重介质分选工艺流程

3.2 充填段矸石破碎运输工艺

混合综采工艺中的矸石充填主要是为了减小运输至地面的矸石量，在井下对矸石进行消耗。因此，混合综采对应的矸石破碎运输工艺分为两个阶段：矸石从生产面运输至矸石仓、将矸石从矸石仓运输至混合综采面的充填段。两个阶段对应的矸石破碎运输工艺流程如下：

第一阶段：生产面矸石—保护层工作面下进风巷—西翼运矸联巷—第二回填联巷—西翼运矸联巷—洗选硐室。

第二阶段：矸石仓—西翼运矸巷—混合综采工作面运矸巷—充填段后方采空区。

3.3 混合综采工艺

混合综采工艺开采方案分为两种，包括有充填段密实充填和充填段自然卸料充填。鉴于本工程采用混合综采工艺中的充填目的是为消耗工作面的矸石，故采用自热卸料的充填方案为核心开展混合综采。

采煤工艺：本工程采用双滚筒采煤机，其中前滚筒主要任务是截割顶煤，后滚筒主要任务是截割底煤，采用先推移液压支架后推移刮板输送机。混合综采工艺中的充填作业和采煤作业为平行工序，具体为：当采煤机截割完成并前行20 m 左右时，充填液压支架推移直后开始矸石充填段的充填工序[4]。

4 矸石充填与垮落混合开采工艺设备配套及工程应用

4.1 矸石充填与垮落混合开采工艺的设备配套

混合综采工艺涉及到的设备除了采用传统的设备类型外，还需为其配置专业的充填采煤液压支架。该液压支架是在普通液压支架的基础上将其原夯实机构改造为挡矸板，具体改造如图3 所示。

图3 充填采煤液压之际改造前后对比

同时，结合本工程的实际生产需求和地质、煤层等条件相关关键设备的配套选型结果如表1 所示。

表1 混合综采设备配套选型结果

4.2 工程应用效果

采用混合综采工艺需配置专门的设备并对工作面进行建设，结合工程实际情况开采前设备及建设总共需投入成本1.1 亿元；采用混合综采工艺解决了高瓦斯低透气率煤层的开采，预计可开采煤炭的直接经济效益为20.3 亿元，总利润约为19.2 亿元。