［摘要］随着国家对环保问题零容忍态度的不断深入，煤炭绿色开采成为一种必然。根据《苇子沟煤矿一期工程环境影响报告书》中提出的要求，全部洗选矸石用于井下回填。在矿井二期工程建设中，通过和设计院的不断沟通，召开设计优化专题会，主要从系统简单灵活、运行稳定、投资低、政策要求等方面考虑，最后确定保持在原巷道充填方案的基础上优化充填区域和矸石运输方案，优选出最合理的矸石井下充填系统方案。
［关键词］矸石充填系统；设计优化；巷道充填方式
1矿井概况
苇子沟煤矿位于新疆呼图壁县，井田面积为22.23km2，6、7、8号煤层为全区可采煤层，煤层平均厚度分别为3.13、7.93、5.20m，可采储量2.85亿t，矿井规划生产规模为300万t/a，核准生产能力为240万t/a（一期），服务年限83.2a。井田含煤地层为东西走向，向北倾斜的单斜构造，倾角在12°~28°，首采区平均倾角18.6°。井田共划分为3个生产水平，其中第一水平（+1010m）以回风井为界划分为一、二采区，位于浅部的是一采区，首采区为二采区，首采工作面为2601工作面。矿井初期采用斜井开拓方式，矿井按煤与瓦斯突出矿井设计，为易自燃类煤层，水文地质条件为复杂类型。
2矸石充填系统原设计方案
2.1矸石充填系统概述。如何在煤炭资源高强度开发的同时，保护好矿区的生态环境，成为转变煤炭发展方式的重要现实问题。根据《煤矸石综合利用管理办法》要求：“新建（改扩建）煤矿及选煤厂应节约土地、防止环境污染，禁止建设永久性煤矸石堆放场（库），鼓励煤矸石井下充填”。因此，对苇子沟煤矿矸石进行井下充填是必要的。根据已取得批复的《苇子沟煤矿一期工程环境影响报告书》中提出的要求，矿井年产矸石量约18万t/a（地面洗选矸石15万t/a，掘进矸石3万t/a），全部洗选矸石用于井下回填，不能及时利用的进入矸石周转场临时堆放［1］。通过对目前国内各种充填技术的研究，设计提出巷道充填方案、井下制膏埋管充填方案和工作面充填方案3种处理矸石的方案。通过对比分析，主要从系统简单灵活、运行稳定、投资低、政策要求等方面考虑，初步设计井下充填方案采用巷道充填方式。按照苇子沟年产矸石量，巷道断面15m2，巷道充填率按0.85考虑，每年需要掘进巷道为7843m，平均进尺为654m/月，按照煤巷掘进工作面进尺350m/月计算，需要配备2个掘进工作面。
2.2充填工作面布置。充填巷道布置于一水平集中回风巷西侧，井田边界煤柱与大巷保护煤柱中间的区域。充填巷道采用南北向、沿着煤层倾角方向布置，采用分段充填形式，充填巷道长度为600m。
2.3矸石运输方式。总体设计思路是利用矿井已基本建设完成的地面生产系统对矸石进行分选，经过破碎后通过汽车运至投料井到达井下储料仓，再经过带式输送机运至巷道充填工作面抛矸机进行矸石充填。该系统主要由地面矸石运输及破碎系统、井下矸石投料及储装运系统和工作面充填系统组成。矸石井下巷道充填系统总投资10337万元，其中地面破碎站（含矸石缓冲仓）934万，井巷工程6528万元，设备及安装工程2875万元。
3矸石充填系统设计方案优化
3.1设计优化原则。苇子沟煤矿因建设周期的延长造成原有的设计概算已无法满足需要。本着“效益最大化、系统最优化”的建设原则，从设计源头来确保矿井建设符合要求，同时还要优化设计，节约投资。通过和设计院的不断沟通，召开设计优化专题会，最后确定保持在原巷道充填方案的基础上优化充填区域和矸石运输方案，从而选出最合理的矸石井下充填系统方案［2］。
3.2巷道充填方案中充填区域方案对比。（1）方案1（原方案）。主要优点是可以充分利用大巷与井田边界之间的煤柱，提高资源回收效率；沿煤层倾向进行抛矸充填，矸石可利用大倾角自溜充填，提高充填效率。主要缺点是沿煤层倾角掘进难度较大，掘进效率较低，初期巷道工程量较大。（2）方案2。充填巷道布置于一水平集中回风巷西侧，井田边界煤柱与大巷保护煤柱中间的区域。充填巷道采用东西向、沿着煤层走向方向布置，采用分段充填形式，充填巷道长度185m。主要优点是可以充分利用大巷与井田边界之间的煤柱，提高资源回收效率，初期巷道工程量小。主要缺点是巷道充填工作面较短，搬家倒面次数较多，沿煤层走向进行抛矸充填，充填效率较低。（3）方案3。充填巷道布置于一水平集中回风巷东侧，DF16断层煤柱与大巷保护煤柱中间的区域。充填巷道采用南北向、沿着煤层倾角方向布置，采用分段充填形式，充填巷道长度325m。主要优点是充分利用了大巷与断层之间的区域；初期巷道工程量介于方案1和方案2之间；充填工作面长度介于方案1和方案2。主要缺点是影响断层西侧区域回采工作面布置，对后续工作面布置造成影响；该区域可布置充填工作面范围较小，矸石充填服务年限较短。巷道充填方案中充填区域3种方案布置如图1所示。
3.3巷道充填方案中矸石运输方案对比。（1）方案1（原方案）。主要优点是与矿井煤炭运输系统及辅助运输系统相互独立，不会影响矿井生产；地面矸石运输比较灵活，便于生产管理。主要缺点是系统环节较多，需建立地面破碎站和投料井等，井巷工程量较大；投料井场地需征地。（2）方案2。副斜井绞车+矸石辅运巷绞车运输矸石充填系统。总体思路为煤炭经地面选煤厂洗选后，矸石经副斜井绞车运输至井底车场，再通过充填系统辅运巷中的绞车提升至充填工作面进行充填。主要优点是矸石从副斜井下放至井底车场后，通过矸石辅运巷绞车直接提升至充填工作面上部，矸石辅运巷提升绞车同时满足了充填工作面掘进期间的物料运输；综掘工作面可布置在充填区域下部，由采区下部往上掘进，有利于掘进施工作业；该系统较为简单，井巷工程量最小。主要缺点是需要新建绞车房；由于井底车场不设矸石仓，矸石运输缺少缓冲环节，在矿车矸石倒转带式输送机运输时，需设置水平矸石仓进行转载。（3）方案3。副斜井绞车+一水平集中辅运巷绞车运输矸石充填系统。总体思路为煤炭经地面选煤厂洗选后，矸石经副斜井绞车运输至井底车场，再通过一水平集中辅运巷的绞车提升，经区段石门运至充填工作面进行充填。主要优点是矸石从副斜井下放至井底车场后，通过一水平集中辅运巷绞车直接提升至中部车场，利用原设计的辅助运输系统改造工程量小；综掘工作面可利用采区顺槽的生产系统，有利于掘进施工作业。主要缺点是需要对原设计辅运提升系统进行设备升级；一水平集中辅运巷还需要兼顾矿井材料和设备运输需求，系统负荷较大。
4最终设计方案的确定
4.1方案经济性对比。3种方案经济性对比如表1所示。由表1分析可知，方案1系统较为复杂，整体工程量大，设备及安装费用高，总体投资10337万元；方案2需要增加矸石辅运系统，工程量和设备投资均比方案3高；方案3系统较为简单，比方案1可节约投资7946万元，比方案2可节约投资3686万元，投资最省，可以满足矿井矸石充填需求。因此，从系统简单、初期工程量小、投资低、能使矿井尽快投产的角度来看，推荐使用方案3，即副斜井绞车+一水平集中辅运巷绞车运输矸石充填系统方案。
4.2设计方案的进一步优化。为克服方案3充填工作面范围较小的缺点，通过进一步论证，可灵活采用“留巷充填+区段煤巷充填”的方式增加矸石处理能力，合理利用矿井初步设计的40m宽区段煤柱布置走向充填工作面，利用构造块段、残留块段，灵活布置充填巷道［3］。
5结语
通过对苇子沟煤矿井下矸石充填系统设计方案的优化，大幅降低了矿井的建设投资，为矿井的提前投产创造了有利条件，实现了“效益最大化、系统最优化”的建设要求。
［参考文献］
［1］中煤天津设计工程有限责任公司.新疆昌吉白杨河矿区苇子沟煤矿一期工程初步设计［R］.天津：中煤天津设计工程有限责任公司，2019.
［2］朱磊，古文哲.小回沟煤矿矸石零排放技术研究与应用［J］.煤炭工程，2020（9）：28-32.
［3］杨明军.充填采矿法的优势及应用［J］.科学技术创新，2018（22）：36-37.
作者:徐晨 单位:新疆鸿新煤业公司苇子沟煤矿
