CN101424195B - 煤矿半煤岩巷道掘进矸石巷旁充填的方法 - Google Patents
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Abstract
煤矿半煤岩巷道矸石在井下处理的方法，在煤矿半煤岩巷道掘进矸石巷旁充填，在井下掘出的矸石经矸石输送机、振动筛筛上物质传送至矸石充填机；将矸石分段分层充填于宽面掘进的空间；振动筛下物小于100±20mm粒度的矸石，进入破碎机，将入粒破碎，用作注浆材料的骨料，骨料经输送机送至注浆制备装置，经注浆机按要求固结巷旁矸石带，形成巷道支护体。充填工艺是：以矸石充填机进行充填：小于30mm大于100mm块度的矸石直接充填于宽面掘进空间；再利用砼注浆系统，以带状充填方式将制备好的砼喷射或充填于矸石带。
Description
一、技术领域
本发明涉及煤矿掘进过程中矸石处理的方法及专用设备。
现有煤矿掘进采煤过程中必然伴产大量矸石，目前矸石一直采用提升出矿井再进行处理，其处理的方法有多种，常用的仍是将矸石提升出地面堆存于矸石山，或煤矸混运提升至地面后，矸石仍弃置于矸石山，矸石山占用土地，污染环境；比较好的方法是综合处理，主要是用于建材产业，走循环经济之路；但多数煤矿、尤其是矸石不能资源化的煤矿，仍用排矸场堆存处理。
中国专利CN1082140隧涵坑道洞室开挖快速出碴法，采用场地整理、导轨铺设、面板设以中空台架支承面板，或者用平车机件和面板组成平车，面板与洞室侧壁之间充填塞块，使面板密实而不漏碴；弃碴清理时，采用分块撤离面板，料斗接碴和斗车出碴，或者采用面板载碴和平车出碴。
目前，已经发明一种机械装置开采厚煤层的煤矿时矸石不出井，就是在村庄下压煤块段相间掘进巷道，在巷道中充填矸石，解决村庄压煤开采，矸石又不出井，在技术上有重大突破。但在我国有大量煤矿的开采厚度小于2m的煤层，每年生产的矸石量极大，但尚无解决良方。
本发明的目的是：提出一种煤矿半煤岩巷道矸石在井下处理的方法及设备，尤其是煤矿半煤岩巷道的宽面掘进矸石巷旁充填的方法及专用设备，即矸石充填机，解决煤矿半煤岩巷道掘进矸石不出井，并用于置换煤炭，提高煤炭资源的回收率。
本发明技术解决方案是：煤矿半煤岩巷道矸石在井下处理的方法，煤矿半煤岩巷道掘进矸石巷旁充填，在井下掘出的矸石经矸石输送机、振动筛筛上物质传送至矸石充填机；将矸石分段分层(垂直)充填于宽面掘进的空间；振动筛下物小于100mm大于30mm粒度的矸石，进入破碎机，将入粒破碎，用作注浆材料的骨料，骨料经输送机送至注浆制备装置，经注浆机按要求固结巷旁矸石带，形成巷道支护体。
煤层厚1-2m时，煤层巷道掘进矸石不出井的断面尺寸是：以巷道高2.4±0.3m，宽2.8±0.5m，煤层宽面掘进宽度取5.5±0.5m。厚煤层时需宽面掘进宽度4m，填充矸石分布于巷道一邦或二邦。充填方法工艺：以矸石充填机进行充填：小于30mm大于100mm块度的矸石直接充填于宽面掘进空间；再利用砼注浆系统，以带状充填方式将制备好的砼喷射或充填于矸石带。
煤矿半煤岩巷道矸石在井下处理的设备：由矸石处理系统包括刮板输送机101、偏心轮振动筛102、溜槽103、过渡回转溜槽104、矸石充填系统100、双螺旋破碎机106、注浆站107构成；煤矿半煤岩巷道掘进矸石巷旁充填设备，所述矸石充填系统包括刮板输送机201、转轴202、耳座203、平台、推矸板205，液压千斤顶204、206、液压千斤顶208、衍架207、连杆209构成；矸石充填系统的刮板输送机201是可回转、调高输送机，刮板输送机201的进料端连接在平台上部，平台上设有转轴202、平台连接一耳座203，衍架207在刮板输送机下方支撑输送机，推矸板205设在衍架207的前端，由一对水平液压千斤顶204连接推矸板205，并设有垂直或倾斜的一对液压千斤顶208连接推矸板205，水平液压千斤顶204通过一连杆推209连接推矸板205；所述推矸板205是下端是向前下方倾斜或有倾斜弧度的板。
另还附设喷雾装置；矸石充填系统将矸石分段分层(垂直)充填于宽面掘进的空间；粒度合适的矸石入粒破碎至20-30mm粒度；充填系统的液压千斤顶204推动推矸板205，推矸板205与刮板输送机201有闭锁关系，当刮板输送机201输送矸石量达到设定数量时，刮板输送机201停止运行，推矸板205启动工作，推移矸石，达到堆积高度及密度，回复至图示位置，停止工作，刮板输送机201再启动，如此循环运行。推矸板205能够通过调整千斤顶204的伸缩长度，使推矸板水平转动，并可经液压千斤顶208工作调整205高度。衍架207使充填系统和刮板输送机201成为一整体。208：调整205高度的液压千斤顶。推矸板能够通过调整液压千斤顶的伸缩长度，使推矸板水平转动，并可经调整推矸板高度的液压千斤顶调整高度。
本发明特点是：将煤矿半煤岩开采过程中得到的矸石分段分层(垂直)充填于宽面掘进的空间(尤其是形成宽面掘进巷道的左右，骨料经输送机送至注浆制备装置，经注浆机按要求固结巷旁矸石带，形成巷道(巷道支护体)，尤其是本发明采用机械化的方法和装置填实本来的采掘空间，能节能、对矿区的环境影响小。本发明可以扩展使用，也用于煤矿开采中煤层厚度小于2米的煤层的长壁采煤工作面实现沿空留巷巷旁充填。
四、附图说明
图1是本发明矸石充填方法流程示意图
图2是本发明矸石充填方法流程中碎石注砼浆流程示意图
图3是本发明矸石充填方法流程中矸石转载设备结构示意图
图4是本发明矸石充填方法实施例1的示意图
图5是本发明矸石充填方法流程中碎石注砼浆带示意图
图6是本发明矸石充填方法两端煤壁(煤柱)的地压作用示意图
图7是本发明矸石充填方法厚煤层结构示意图
图8是喷射砼土带结构示意图
图9是本发明矸石送料充填流程设备示意图
图10是本发明矸石充填带示意图
图11是本发明充填机结构示意图
图12是图11矸石充填机横断面结构示意图
图13是本发明矸石充填机部件推矸板放大图
图14是本发明矸石充填机部件推矸板另一视角放大图
图15是本发明矸石充填机部件推矸板另一视角放大图
图中矸石充填系统100、刮板输送机101、偏心轮振动筛102、溜槽103、过渡回转溜槽104、流向矸石充填机105、双螺旋破碎机106、注浆站107、刮板输送机201、转轴202、耳座203、液压千斤顶204、206、208、推矸板205、衍架207、连杆209
五、具体实施方式
图3中11是卸载头部、12是锥形矸筒、13是二节溜矸筒之间链环连接、14是抛矸机输送机尾溜矸筒与输送机架的连接。
本发明的煤矿半煤岩巷道矸石装置的实施例：图1、2、9所示：矸石输送设备：包括矸石输送机、偏心轮振动筛，回转过渡溜槽，进入矸石充填机；矸石充填系统100：设有可回转、调高输送机，推矸板，可附设喷雾装置；注浆系统：偏心轮振动筛，双辊螺旋破碎机，注浆制备装置，注浆机；动力及控制系统，矸石输送机调高，充填机回转、调高，推矸板工作调高其动力均来自液压站，用液压控制站调控；输送机、充填机用低速液压马达驱动。各系统运行启动、联动、停机采用PLC控制按煤矿井下安全要求设计制造。图9中刮板输送机101：400mm宽的刮板输送机，倾角16度；偏心轮振动筛102：偏心轮振动筛，长2m、宽0.4m、高0.2m，接受102筛下的产品，燕送到106(双辊螺旋破碎机)；溜槽103：溜槽长2.0m、宽0.45m、高0.2m，接受偏心轮振动筛102筛下的物料，并送至106双辊螺旋破碎机；过渡回转溜槽104：过渡回转溜槽长1.0m，宽0.4m，用液压机构控制其与矸石充填机105同步旋转；双螺旋破碎机106：双螺旋破碎机，适用于煤矿井下要求，其规格是进料直径100mm，出料直径20-30mm；注浆站107：输送破碎机输出物至注浆站。
图11所示：矸石充填系统刮板输送机201是可回转、调高是输送机，另还附设喷雾装置；矸石充填系统将矸石分段分层(垂直)充填于宽面掘进的空间；粒度合适的矸石入粒破碎至20-30mm粒度；充填系统的液压千斤顶204推动推矸板205，推矸板205与刮板输送机201有闭锁关系，当刮板输送机201输送矸石量达到设定数量时，刮板输送机201停止运行，推矸板205启动工作，推移矸石，达到堆积高度及密度，回复至图示位置，停止工作，刮板输送机201启动，如此循环运行。推矸板205能够通过调整千斤顶204的伸缩长度，使推矸板水平转动，并可经液压千斤顶208工作调整205高度。衍架207使充填系统和刮板输送机201成为一整体。208：调整205高度的液压千斤顶。推矸板能够通过调整液压千斤顶的伸缩长度，使推矸板水平转动，并可经调整推矸板高度的液压千斤顶调整高度。
201：刮板输送机，接受104送来的掘进矸石，并送到充填空间，典型的规格是宽0.4m的刮板输送机，用液压低转速马达驱动。202：转轴，直径0.38m，高0.2m，嵌入208固定平台的轴套内。用液压机构控制其转动，旋转90度，与104同步旋转。203：耳座，固定于208平台，与固定于201上的耳环连接，能上下移动，通过206调整201高度以适应煤层厚度的变化。204：推动205的液压千斤顶，行程1.5m(充填步距)，
205：推矸板，由204推动，它与201有闭锁关系，当201输送矸石量达到设定数量时，201停止运行，205启动工作，推移矸石，达到堆积高度及密度，回复至图示位置，停止工作，201启动，如此循环运行。205能够通过调整204的伸缩长度，使推矸板水平转动，并可经208工作调整205高度。206：液压千斤顶，当煤层厚度变化时，经203铰接点，调整201卸载滚筒的高度；207：衍架，使201成为一整体。208：调整205高度的液压千斤顶。209：连杆，调整205水平转动。
煤矸石充填顺序：图16中ab为图2中的201，为充填工作的初始位置，充填时以转轴a为圆心，由b至c，bcb’c’为充填带完成一个循环作业；充填机移动一个步进，由a移至a，此时充填机位置为a’b1，充填工作开始，以a’转轴为圆心，由ab旋转至ac，形成bb’cc’充填带。
参数：上料系统：上料刮板输送机B400；L6000液压驱动可移动调高；偏心振动筛B500；L3200，用弹簧减振；过渡溜槽，B500；可旋转；溜槽，B500；L3200；矸石充填系统：固定平台，2200×1000×10固定刮板输送机203和耳座201。
旋转平台固定旋转轴(旋转90°)、直径400mm和刮板输送机(B400；L6000)，输送矸石充填；推移推矸板的千斤顶：4-4t、调高千斤顶：2-2t、推矸板：800×600×30、混凝土制备输送系统：包括破碎机、双辊螺旋式(100mm破至20mm)；胶带输送机：B400，L9000；输送泵：或用砼喷射机，强制搅拌机：液压站P＝15MPa用于机构驱动，上述参数B表示宽，L表示长度。
矸石存储仓刮板输送机卸载头部与矸石充填机尾部搭接转载结构(图3所示)：
矸石充填机的输送机当充填机上下移动时输送机尾部保持固定高度；当矸石充填机水平转动时，输送机尾部相应左右移动；矸石存储仓输送机卸载头部保持同一状态与矸石充填机工作状态无关；矸石转载设备中：11卸载头部、12锥形矸筒、13二节溜矸筒之间链环连接、14抛矸机输送机尾溜矸筒与输送机架的连接；以上转载设备可满足矸石充填机输送机尾水平移动要求。
本发明的煤矿半煤岩巷道矸石在井下处理的方法：主要将采掘中的矸石进行井内处理，尤其是充填于宽面掘进的空间，在巷道的左右侧或一侧形成充填空间，很小的矸石和大的矸石(可扩大到直径100±20mm范围以上的矸石)直接充填，小一些的(直径30-100mm的矸石)经破碎后使用。
1、矸石输送：掘进的矸石经矸石输送机、偏心轮振动筛，回转过渡溜槽，进入矸石充填机；
2、矸石充填系统设有可回转、调高输送机，推矸板，喷雾装置，将矸石分段分层(垂直)充填于宽面掘进的空间；
3、注浆系统，偏心轮振动筛下小于100mm粒度的矸石，进入双辊螺旋破碎机(符合井下要求)，将入粒破碎至20-30mm粒度，用作注浆材料的骨料，骨料经输送机送至注浆制备装置，经注浆机按要求固结巷旁矸石带，形成巷道支护体；
4、动力及控制系统，矸石输送机调高，充填机回转、调高，推矸板工作调高 其动力均来自液压站，用液压控制站调控；
5、输送机、充填机用低速液压马达驱动。各系统运行启动、联动、停机采用PLC控制按煤矿井下安全要求设计制造；
方法实施例一，某煤矿M煤层(煤层平均厚1.2m)的实施例：
1、M煤层平均厚1.2m，每米巷道产生的矸石量(松散系数为1.6时的松散体积)：
(1)当巷道掘进宽2.4m高2.4m时；产出的矸石为4.6m3。(2.4-1.2)m×2.4m×1.0m×1.6＝4.608m3
(2)当巷道掘进宽3.0m高2.6m时；产出的矸石为6.72m3。(2.6-1.2)m×3.0m×1.0m×1.6＝6.72m3；从有利于减少矸石量，增加掘进产量，设计巷道时应减小高度。
2、按国家环保政策规定，每产出一吨矸石提升至地面需交纳生态补偿费8元，吨矸石从掘进头运至地面排矸场，据统计约需10～20元。鉴于上述因素，掘进12下煤层巷道产生的矸石就地处理置换成煤炭，M煤层巷道掘进矸石不出井的断面设计：以巷道高2.4m宽2.8m为例(煤层厚1.2m)：
1)掘进1m巷道产生的矸石量：5.376m3(松散)
(2.4-1.2)m×2.8m×1.0m×1.6＝5.376m3
2)堆存5.376m3矸石需要的空间，按填满系数0.9计算为6.0m3。
5.376m3÷0.9＝5.973m3≈6.0m3
3)为处理5.376m3矸石，12下煤层宽面掘进宽度取5.5m。
4)掘进1m巷道5.376m3矸石量能置换煤量为8.1t。6.0m3×1.35t/m3≈8.1t
一、充填工艺：利用两大系统进行充填
1、以矸石充填系统进行充填：小于30mm大于100mm块度的矸石直接充填于宽面掘进空间。
2、砼注浆系统，以带状充填方式将制备好的砼充填于矸石带。
二、矸石充填系统：见图1。
1、系统组成及流程，系统组成：上料系统、矸石充填系统。
2、上料系统：宽400mm可移动、可调高的刮板输送机、偏心轮振动筛、可调回转溜槽、矸石充填系统受矸点。
(1)上矸刮板输送机，宽400mm，倾角小于18°(图1)。
(2)偏心轮振动筛(图2中202)。筛宽500mm长3200mm，筛子用4组拉伸弹簧固定于平台上。筛子倾角3°～4°大于10mm块度的矸石进入矸石充填系统。
(3)可调回转溜槽：见图2中302，用液压千斤顶控制旋转，旋转溜槽与充填系统输送机同步旋转。
3、矸石充填系统：(图9)。由平台(固定、旋转平台)、旋转轴、刮板输送机、桁架207、推矸板205组成。偏心轮振动筛102，筛下＜100mm块度矸石；溜槽103；双辊螺旋破碎机(入料块度100mm出料粒度20mm)106；胶带输送机201；混凝土注浆可选择：强制式搅拌机、注浆泵、混凝土喷射机任一种。
偏心轮振动筛102，筛下＜100mm块度矸石；溜槽103；双辊螺旋破碎机(入料块度100mm出料粒度20mm)106；胶带输送机201；混凝土注浆可选择：强制式搅拌机、注浆泵、混凝土喷射机任一种。
刮板输送机宽400mm长度根据宽面推进宽度而定，输送机由两根液压千斤顶支撑，并可调高。推矸板行程1.5m，推力4t；推矸板可调高。工作时推板反复推动使矸石填满率达90％。
三、矸石充填系统流程及控制
1、流程如图1-2：控制：液压控制实现程序控制。
(1)逆向启动：充填刮板输送机→偏心振动筛→上矸输送机。
(2)充填矸石输送机04与推矸板07的工作为时间控制，当04输送矸石到一定体积后顺向停机与(1)程序向反。04停止运行，07反复推矸石以提高矸石填满度，07恢复原始位置，重复(1)的流程。
矸石充填机移动一次可充填的矸石量：以推矸板有效行程1.5m矸石充填机长度为5m计算：5.75m(半径)×2×3.1416÷4≈9m、9m×1.5m×1.2m×0.9＝14.58m3即充填系统移动一个步距可处理掘进3m巷道的矸石量。
四、混凝土注浆系统
1、系统流程，如图2所示；偏心轮振动筛102，筛下＜100mm块度矸石；溜槽103；双辊螺旋破碎机(入料块度100mm出料粒度20mm)106；胶带输送机201；混凝土注浆可选择：强制式搅拌机、注浆泵、混凝土喷射机任一种。
2、充填工艺，如图5所示；
方案1：条带注浆充填：每距3m充填宽2m其效果相当于房柱式开采，既省费用，又能保证巷道的稳定性及易于推广。
方案2：巷道宽面掘进邦的矸石充填带外表面喷300mm厚砼(如图8所示)。巷邦矸石充填带宽1m再喷200～300mm砼巷道稳定性分析。
3、作用于两端煤壁(煤柱)的地压(如图6所示)
M煤层距地表垂深：H＝36m+120m＝156m，作用于M煤层的原始地压P＝H.r。
r-M煤层上地层密度2.5t/m3，P＝156m×2.5t/m3＝340t，A、B两瑞所受到的应力为A、B间未支撑空间宽度上地层的重量P1通过压力拱(或组合岩粱)传递给A、B两端煤层，其应力随距煤壁自由面的距离增大而递减直至减为原始应力P。
当煤层抗压强度小于P1时，煤壁被压裂形成松塌区、塑性变形区、弹性变形区。
而对于M煤层，由于埋藏浅，煤层的搞压强度大于P1，煤壁不会压裂，能保持巷道的稳定。如对矸石充填区域采取前述的注浆固化方案将形成混凝土支承带，则更能增加巷道的稳定。在矸石充填范围由于失去岩层支撑，顶板可能离层逐层冒落。它与未支撑空空跨距、顶板岩性、分层厚度、层理间粘连物有关，这将根据M煤层顶板条件确定。
五、经济效果分析：以巷道掘进高2.4m宽2.8m，煤厚1.2m计算，掘进巷道的经 济分析：环境补偿的无支出，净效益达到1700元。
六、巷道充填矸石充满率、密实度与地表下沉的关系
1、巷道充填矸石充满率η1
η1＝矸石在巷道中充填高度/巷道宽度
菜园煤矿充填巷道掘进断面(宽×高)4m×4m。按照矸石充填机设计方案，充填高度可达3.6m η1＝3.6/4.0＝0.9
2、充填体密实度η2
按矸石松散容重1.6t/m3计算，矸石充填体的孔隙率为36％；如巷道上覆地层地压作用于充填体，其压缩量为充填松散体积的60％；则充填体受压时时实体高度为H1，
H1＝3.6×[1-(36％×0.8)]＝2.56m η2＝2.56/3.6＝71.1％
3、地面下沉量H2： H2＝(0.4+3.6-2.56)×0.7＝1.0m
4、地表下沉可能情况的分析
充填巷道设计：巷道断面(宽×高)4m×4m。充填巷道另设煤柱宽度4.0m。
煤柱承受上覆地层压力：假设其上覆地层整体移动后被充填巷道两侧煤柱承受，其地压P，P＝B×1×(140+3)×2500/400×100＝85.5Kg/Cm2
如充填巷道两侧煤柱在巷道掘进时受振动影响不大，及没有地质构造破坏煤层的整体性，在巷道埋深171m的情况下不致造成地表下沉。
5、如工业场地的地表面村庄、建筑物、构控制在变形范围内，可采取以下措施：
巷道充填矸石顶面与巷道顶板间4.00mm间隙(空间)可用碎矸石作骨料拌低标号充填。矸石充填体间的孔隙可注浆降低孔隙率。以上两点措施是已取得成功的经验。
如果上述实施例的煤矿充填巷道埋深仅171m，按以上分析预计不采取任何措施，不致引起地层移动。
实施例二：半煤岩巷道宽面掘进卧底(顶)矸石就地充填
半煤岩巷道宽面掘进卧底(顶)矸石就地充填，实现掘进矸石不出井。这是解决矸石不出井的另一种方式，这种方式适用于厚煤层开采的条件。如图7所示断面：
掘1m长的巷道处理矸石可置换的煤炭C。
C＝1.2×2.6×1×1.4×1.1×1.35＝6.48t
处理1m巷道矸石需要的空间V，
V＝1.2×2.6×1×1.4×1.1＝4.8m3
需宽面掘进宽度B：B＝4.8÷1.2÷1＝4m(可分布于巷道一邦或二邦)
充填设备组成：刮板上矸机→双螺旋挤压破碎机→矸石仓→仓下给料机→充填矸石输送机。大块矸石→矸石升降台→推送矸石机
小块矸石→上矸输送机→双螺旋挤压破碎机→矸石储
Claims (6)
1.煤矿半煤岩巷道矸石在井下处理的方法，其特征是在煤矿半煤岩巷道掘进矸石巷旁充填，在井下掘出的矸石经矸石输送机、振动筛筛上物料传送至矸石充填机；将矸石分段分层充填于宽面掘进的空间；振动筛下物小于100mm且大于30mm粒度的矸石，进入破碎机，将入粒破碎，用作注浆材料的骨料，骨料经输送机送至注浆制备装置，经注浆机按要求固结巷旁矸石带，形成巷道支护体；充填工艺是：以矸石充填机进行充填：小于30mm和大于100mm块度的矸石直接充填于宽面掘进空间；再利用砼注浆系统，以带状充填方式将制备好的砼喷射或充填于矸石带。
2.根据权利要求1所述的煤矿半煤岩巷道矸石在井下处理的方法，其特征是矸石输送：掘进的矸石经矸石输送机、偏心轮振动筛，回转过渡溜槽，进入矸石充填机。
3.根据权利要求1所述的煤矿半煤岩巷道矸石在井下处理的方法，其特征是采用双辊螺旋破碎机进行破碎，将入粒破碎至20-30mm粒度，用作注浆材料的骨料，骨料经输送机送至注浆制备装置。
4.根据权利要求1所述的煤矿半煤岩巷道矸石在井下处理的方法，其特征是矸石充填机的推矸板(205)与矸石充填机的刮板输送机(201)有闭锁关系，当刮板输送机(201)输送矸石量达到设定数量时，刮板输送机(201)停止运行，推矸板(205)启动工作，推移矸石，达到堆积高度及密度，停止工作，刮板输送机(201)启动，如此循环运行。
5.根据权利要求1所述的煤矿半煤岩巷道矸石在井下处理的方法，其特征是推矸板(205)通过调整千斤顶(204)的伸缩长度，使推矸板水平转动，并可经液压千斤顶(208)调整推矸板(205)高度，充填时以转轴为圆心，进行圆弧状充填带充填；矸石充填机移动一个步进，充填下一个圆弧状充填带。
6.根据权利要求1所述的煤矿半煤岩巷道矸石在井下处理的方法，其特征是煤层厚1-2m时，煤层巷道掘进矸石不出井的断面尺寸是：以巷道高2.4±0.3m，宽2.8±0.5m，煤层宽面掘进宽度取5.5±0.5m；厚煤层时需宽面掘进宽度4m，填充矸石分布于巷道一邦或二邦。
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