莒山礦綜采泵送膏體充填技術效益分析

侯 江

（山西蘭花集團莒山煤礦有限公司， 山西 晉城 048002）

0 引言

莒山礦目前開采3 號煤，建設下組煤。3 號煤和下組煤各有獨立的生產系統，3 號煤和下組煤均采用斜井開拓，設有主斜井、副斜井和回風立井。3 號煤層主要采區為一采區和二采區，剩余設計可采儲量為581.1 萬t。目前，3 號煤層年生產能力僅為50 萬t，無法滿足礦井生產能力要求。礦井下組煤（9 號煤層）一期、二期工程已完工，三期工程準備開工建設，設計主要采區有901 采區、902 采區和903 采區，9 號煤層相對較薄，煤質較差，僅生產9 號煤層也無法滿足生產要求。

為實現礦井高效可持續發展，根據山西省能源局《關于在全省煤炭行業推行綠色開采試點工作有關事項的通知》（晉能源煤技發〔2019〕535 號）文件精神，為最大限度地回收優質煤炭資源、消化矸石、減少地表下沉，礦井在9 號煤層采用綜采充填綠色開采技術。礦井可以在保留3 號煤層工作面的基礎上，在9號煤層中重新開始設計一個充填開采工作面，采用充填技術，對9 號煤層綜采工作面進行充填開采，將3號、9 號煤層生產過程中產生的矸石處理后，充填至9號煤采空區。

1 充填開采的必要性與可行性

1.1 充填開采的必要性

9 號煤層充填試驗選定為9201 工作面進行充填開采試驗，工作面設計長度為200m，推進長度為660m，開采高度為1.5 m。煤層傾角為6°～8°，采用綜采工藝充填采空區管理頂板。

對9 號煤層實施綜采充填開采，既符合國家和地方綠色開采政策的要求，也可以滿足礦井可持續發展的需求，不但可以實現生態高效的充填開采、緩解礦井的輔助提升，解決地面沉降賠付問題[1-3]，而且可以消化掉3 號煤層和9 號煤層生產過程中產生的矸石，消除地面堆積矸石占用土地和對生活環境帶來的危害。綜合考慮充填工藝、系統和裝備的基礎上，對綜采充填支架進行設計，既要滿足有關綜采自動化開采的要求，又要符合充填支架的性能要求，滿足綜采面“采煤—充填（檢修）”多功能需求，做到回收資源和保護頂板兩不誤。

為了合理開采礦井9 煤層的煤炭資源，提高煤炭資源回收率，實現安全高效生產，消化矸石，建設綠色礦山，實行矸石充填開采是十分必要的。實施綜采充填開采項目，可以真正實現以矸換煤、消化矸石、提高煤質、生態環保和綠色開采，將對今后類似條件下礦井開采提供可靠的借鑒經驗，具有較好的示范和推廣價值。

1.2 充填開采的技術可行性

充填開采是一個應用前景廣闊、適應現代采礦技術下頂板管理的好方法，充填采空區可以消耗大量的煤矸石、粉煤灰、礦渣、劣質土壤、河沙和城市固體廢物等，從而減少上覆地層沉降。在過去的十余年中，為改善資源開發條件和礦區生態環境，各種充填采礦技術在中國的中東部煤礦試驗并推廣，形成了較為成熟的充填開采技術[4-6]，如表1 所示。

表1 部分充填礦區調研

表2 充填費用計算表

莒山煤礦9 號煤層頂板較好，采高較小，傾角為6°～8°，從目前的技術水平來看，進行9 號煤層充填，技術上是可行的。

2 9 號煤層充填開采技術

2.1 充填開采技術方案

目前，綜采工作面充填開采技術主要有長壁綜采架后密實固體矸石充填和綜采泵送膏體充填開采技術。綜采固體矸石充填系統工藝簡單，設備投入較少，充填速度慢，井下設備布置復雜，運行費用較小。泵送膏體矸石充填系統工藝較復雜，初期投資較大，運行費用較高。但井下只需布設充填管道，管道占用空間少，充填速度快，充填體混合較好，密實度較高，凝固后具有較高的強度，重復采動較小，能夠產生較好的社會效益、環保效益和經濟效益。通過綜合分析，確定采用綜采泵送膏體充填系統。

2.2 充填開采系統

充填開采系統分為采煤系統和膏體充填系統。

1）采煤系統。莒山礦首采面9201 面采用綜采自動化采煤工藝，走向長壁工作面布置，一面兩巷，分別為運輸順槽和回風順槽。運輸順槽、回風順槽沿煤層底板布置，采用矩形斷面，錨網索梁支護，運輸順槽鋪設可伸縮帶式輸送機?；仫L順槽內鋪設單軌，軌型為30 kg/m 鋼軌，軌距為600 mm。切眼采用矩形斷面，連鎖棚支護。工作面裝備MG330/730-WD 型采煤機，功率為730 kW，采用無鏈電牽引技術，輸送機采用SGZ-764/400 型刮板輸送機，輸送能力為800 t/h。

2）膏體充填系統。包括地面充填制備站和膏體輸送系統。其中，地面充填制備站布置在工業場地內，位置為洗選廠東側的場地。建立充填制備站，站內設置成品矸石倉、水泥儲料倉、螺旋上料機、攪拌機、螺旋輸送機、工業充填泵等裝備和控制設施。破碎站設置在洗選廠附近，設上料機、破碎機主滾筒篩等，將破碎好的矸石，通過皮帶輸送至矸石倉，再輸送至制備站加水泥、水攪拌成膏體。采用工業充填泵，利用管道通過主斜井下井輸送到工作面采空區進行充填。莒山煤礦最大充填距離為4 km，故采用地面充填泵和井下充填泵接力充填的方式，地面與井下均為單泵布置，2 臺充填泵均采用雙電源、雙電控系統控制，在距離地面充填泵2 000 m 左右的井下合適位置，設膏體螺旋輸送機和接力充填泵。

3 充填工程投資估算及效益分析

3.1 投資估算

膏體充填系統投資約4 780 萬元。其中，土建系統包括振動給料機基礎、破碎機基礎、篩分機基礎、棚內皮帶基礎、皮帶走廊、矸石倉、水泥倉基礎、膏體矸石充填站和蓄水池等，投資200 萬元。充填系統設備包括振動給料機、破碎機、皮帶、篩分機、垂直式斗提機、稱重式螺旋給料機、變頻供水系統、布袋除塵系統、膏體螺旋輸送機、混凝土泵、主充填管、高壓管卡和集中控制系統等，投資1 880 萬元。專用充填支架費用約2 900 萬元。

3.2 儲量及服務年限

根據采掘規劃安排，莒山煤礦9 號煤層有22 個回采工作面，9 號煤層地質資源儲量約1 216.2 萬t，可采儲量為997.9 萬t，按年產40 萬t、儲量備用系數為1.5 計算，服務年限為16.6 a。

3.3 充填費用分析

1）直接人工費用。全區隊有55 人，人均工資為0.5 萬元/月，施工需199 個月，費用為5 472.5 萬元。

2）電費。包括地面破碎、攪拌系統、矸石轉運系統和充填泵裝機等設備，總功率為1 131 kW。需用系數按照0.7 計算，電價按照0.6 元/（kW·h）計，電費為21.4 萬元/月。

3）設備折舊費。充填設備及附屬設備按照8.8 a折舊，共計3 582 萬元。

4）維修費。設備維修費按3 萬元/ 月計，共計597萬元。

5）水泥成本。9 煤層開采面積約576 萬m2，采高為1.5 m 計算，開采體積為864 萬m3，充填體積為777.6 萬m3，需10%的水泥用量，約77.76 萬m3。水泥容重按1.5 t 計算，水泥用量為116.6 萬t。按售價400元/t 計，水泥成本為46 560 萬元。

3.4 充填效益分析

充填開采是國家大力倡導的礦山綠色環保開采的方式之一，所產生的環境效益、社會效益和經濟效益受到政府的認可和鼓勵，既能消化矸石促進環保，又能回收大量優質煤炭支援國家建設，綜合效益良好。根據國家有關充填開采資源稅減半的政策，垮落法開采要征收8%的資源稅，采用矸石充填開采只需征收4%的資源稅，可節省稅費50%。加之，節省的矸石處理費、環保減免費等，經濟效益顯著。

莒山礦9 號煤層可采儲量為997.9 萬t，按平均售價為550 元/t 計，可實現產值548 845 萬元。充填直接成本為604 70.1 萬元，加上前期設備投入4 780元，總成本為65 250.1 萬元。相比礦井垮落法開采成本為320 元/t，充填法綜合成本約385 元/t，噸煤成本增加65 元。噸煤效益為165 元，可取得經濟效益164 653.5 萬元。

4 結語

本文對莒山礦9 號煤層充填開采技術必要性和可行性進行了分析，在確定采用綜采泵送膏體充填系統的基礎上，進行充填工程投資估算及技術經濟效益分析。采用充填開采技術，可消化3 號煤層和9 號煤層服務年限內產生的全部矸石，不足部分由地面矸石山補充，能夠達到節省矸石處理費用，保護環境，建設綠色礦山的目的。同時，能較好地控制頂板下沉，具有較好的安全性。后期，為充分保證采煤與充填工作順利進行，要組建采充工作協調領導機構，強化采煤班組與充填班組的協同作業培訓，提高采充作業人員素質，安全高效完成采煤與充填工作，形成以充填進度決定采煤進度的制度，確保采充協調。