莒山矿综采泵送膏体充填技术效益分析

侯 江

（山西兰花集团莒山煤矿有限公司， 山西 晋城 048002）

0 引言

莒山矿目前开采3 号煤，建设下组煤。3 号煤和下组煤各有独立的生产系统，3 号煤和下组煤均采用斜井开拓，设有主斜井、副斜井和回风立井。3 号煤层主要采区为一采区和二采区，剩余设计可采储量为581.1 万t。目前，3 号煤层年生产能力仅为50 万t，无法满足矿井生产能力要求。矿井下组煤（9 号煤层）一期、二期工程已完工，三期工程准备开工建设，设计主要采区有901 采区、902 采区和903 采区，9 号煤层相对较薄，煤质较差，仅生产9 号煤层也无法满足生产要求。

为实现矿井高效可持续发展，根据山西省能源局《关于在全省煤炭行业推行绿色开采试点工作有关事项的通知》（晋能源煤技发〔2019〕535 号）文件精神，为最大限度地回收优质煤炭资源、消化矸石、减少地表下沉，矿井在9 号煤层采用综采充填绿色开采技术。矿井可以在保留3 号煤层工作面的基础上，在9号煤层中重新开始设计一个充填开采工作面，采用充填技术，对9 号煤层综采工作面进行充填开采，将3号、9 号煤层生产过程中产生的矸石处理后，充填至9号煤采空区。

1 充填开采的必要性与可行性

1.1 充填开采的必要性

9 号煤层充填试验选定为9201 工作面进行充填开采试验，工作面设计长度为200m，推进长度为660m，开采高度为1.5 m。煤层倾角为6°～8°，采用综采工艺充填采空区管理顶板。

对9 号煤层实施综采充填开采，既符合国家和地方绿色开采政策的要求，也可以满足矿井可持续发展的需求，不但可以实现生态高效的充填开采、缓解矿井的辅助提升，解决地面沉降赔付问题[1-3]，而且可以消化掉3 号煤层和9 号煤层生产过程中产生的矸石，消除地面堆积矸石占用土地和对生活环境带来的危害。综合考虑充填工艺、系统和装备的基础上，对综采充填支架进行设计，既要满足有关综采自动化开采的要求，又要符合充填支架的性能要求，满足综采面“采煤—充填（检修）”多功能需求，做到回收资源和保护顶板两不误。

为了合理开采矿井9 煤层的煤炭资源，提高煤炭资源回收率，实现安全高效生产，消化矸石，建设绿色矿山，实行矸石充填开采是十分必要的。实施综采充填开采项目，可以真正实现以矸换煤、消化矸石、提高煤质、生态环保和绿色开采，将对今后类似条件下矿井开采提供可靠的借鉴经验，具有较好的示范和推广价值。

1.2 充填开采的技术可行性

充填开采是一个应用前景广阔、适应现代采矿技术下顶板管理的好方法，充填采空区可以消耗大量的煤矸石、粉煤灰、矿渣、劣质土壤、河沙和城市固体废物等，从而减少上覆地层沉降。在过去的十余年中，为改善资源开发条件和矿区生态环境，各种充填采矿技术在中国的中东部煤矿试验并推广，形成了较为成熟的充填开采技术[4-6]，如表1 所示。

表1 部分充填矿区调研

表2 充填费用计算表

莒山煤矿9 号煤层顶板较好，采高较小，倾角为6°～8°，从目前的技术水平来看，进行9 号煤层充填，技术上是可行的。

2 9 号煤层充填开采技术

2.1 充填开采技术方案

目前，综采工作面充填开采技术主要有长壁综采架后密实固体矸石充填和综采泵送膏体充填开采技术。综采固体矸石充填系统工艺简单，设备投入较少，充填速度慢，井下设备布置复杂，运行费用较小。泵送膏体矸石充填系统工艺较复杂，初期投资较大，运行费用较高。但井下只需布设充填管道，管道占用空间少，充填速度快，充填体混合较好，密实度较高，凝固后具有较高的强度，重复采动较小，能够产生较好的社会效益、环保效益和经济效益。通过综合分析，确定采用综采泵送膏体充填系统。

2.2 充填开采系统

充填开采系统分为采煤系统和膏体充填系统。

1）采煤系统。莒山矿首采面9201 面采用综采自动化采煤工艺，走向长壁工作面布置，一面两巷，分别为运输顺槽和回风顺槽。运输顺槽、回风顺槽沿煤层底板布置，采用矩形断面，锚网索梁支护，运输顺槽铺设可伸缩带式输送机。回风顺槽内铺设单轨，轨型为30 kg/m 钢轨，轨距为600 mm。切眼采用矩形断面，连锁棚支护。工作面装备MG330/730-WD 型采煤机，功率为730 kW，采用无链电牵引技术，输送机采用SGZ-764/400 型刮板输送机，输送能力为800 t/h。

2）膏体充填系统。包括地面充填制备站和膏体输送系统。其中，地面充填制备站布置在工业场地内，位置为洗选厂东侧的场地。建立充填制备站，站内设置成品矸石仓、水泥储料仓、螺旋上料机、搅拌机、螺旋输送机、工业充填泵等装备和控制设施。破碎站设置在洗选厂附近，设上料机、破碎机主滚筒筛等，将破碎好的矸石，通过皮带输送至矸石仓，再输送至制备站加水泥、水搅拌成膏体。采用工业充填泵，利用管道通过主斜井下井输送到工作面采空区进行充填。莒山煤矿最大充填距离为4 km，故采用地面充填泵和井下充填泵接力充填的方式，地面与井下均为单泵布置，2 台充填泵均采用双电源、双电控系统控制，在距离地面充填泵2 000 m 左右的井下合适位置，设膏体螺旋输送机和接力充填泵。

3 充填工程投资估算及效益分析

3.1 投资估算

膏体充填系统投资约4 780 万元。其中，土建系统包括振动给料机基础、破碎机基础、筛分机基础、棚内皮带基础、皮带走廊、矸石仓、水泥仓基础、膏体矸石充填站和蓄水池等，投资200 万元。充填系统设备包括振动给料机、破碎机、皮带、筛分机、垂直式斗提机、称重式螺旋给料机、变频供水系统、布袋除尘系统、膏体螺旋输送机、混凝土泵、主充填管、高压管卡和集中控制系统等，投资1 880 万元。专用充填支架费用约2 900 万元。

3.2 储量及服务年限

根据采掘规划安排，莒山煤矿9 号煤层有22 个回采工作面，9 号煤层地质资源储量约1 216.2 万t，可采储量为997.9 万t，按年产40 万t、储量备用系数为1.5 计算，服务年限为16.6 a。

3.3 充填费用分析

1）直接人工费用。全区队有55 人，人均工资为0.5 万元/月，施工需199 个月，费用为5 472.5 万元。

2）电费。包括地面破碎、搅拌系统、矸石转运系统和充填泵装机等设备，总功率为1 131 kW。需用系数按照0.7 计算，电价按照0.6 元/（kW·h）计，电费为21.4 万元/月。

3）设备折旧费。充填设备及附属设备按照8.8 a折旧，共计3 582 万元。

4）维修费。设备维修费按3 万元/ 月计，共计597万元。

5）水泥成本。9 煤层开采面积约576 万m2，采高为1.5 m 计算，开采体积为864 万m3，充填体积为777.6 万m3，需10%的水泥用量，约77.76 万m3。水泥容重按1.5 t 计算，水泥用量为116.6 万t。按售价400元/t 计，水泥成本为46 560 万元。

3.4 充填效益分析

充填开采是国家大力倡导的矿山绿色环保开采的方式之一，所产生的环境效益、社会效益和经济效益受到政府的认可和鼓励，既能消化矸石促进环保，又能回收大量优质煤炭支援国家建设，综合效益良好。根据国家有关充填开采资源税减半的政策，垮落法开采要征收8%的资源税，采用矸石充填开采只需征收4%的资源税，可节省税费50%。加之，节省的矸石处理费、环保减免费等，经济效益显著。

莒山矿9 号煤层可采储量为997.9 万t，按平均售价为550 元/t 计，可实现产值548 845 万元。充填直接成本为604 70.1 万元，加上前期设备投入4 780元，总成本为65 250.1 万元。相比矿井垮落法开采成本为320 元/t，充填法综合成本约385 元/t，吨煤成本增加65 元。吨煤效益为165 元，可取得经济效益164 653.5 万元。

4 结语

本文对莒山矿9 号煤层充填开采技术必要性和可行性进行了分析，在确定采用综采泵送膏体充填系统的基础上，进行充填工程投资估算及技术经济效益分析。采用充填开采技术，可消化3 号煤层和9 号煤层服务年限内产生的全部矸石，不足部分由地面矸石山补充，能够达到节省矸石处理费用，保护环境，建设绿色矿山的目的。同时，能较好地控制顶板下沉，具有较好的安全性。后期，为充分保证采煤与充填工作顺利进行，要组建采充工作协调领导机构，强化采煤班组与充填班组的协同作业培训，提高采充作业人员素质，安全高效完成采煤与充填工作，形成以充填进度决定采煤进度的制度，确保采充协调。