我國(guó)煤礦充填開采技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展

1、我國(guó)煤礦充填開采技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展 發(fā)布日期:2010-12-07 在我國(guó)，建筑物下、水體下、鐵路下(簡(jiǎn)稱“三下”)積壓了大量的煤炭資源。例如：遼寧撫順市區(qū)壓煤兩億多噸；京山線橫貫開平煤田壓煤近七億噸，僅唐山礦井田范圍內(nèi)壓煤就達(dá)一億五千萬噸；山東和江蘇交界處的微山湖壓煤也在七億噸左右；平煤股份十二礦剩余可采儲(chǔ)量?jī)H2894萬t，而工業(yè)廣場(chǎng)、風(fēng)井和村莊壓煤就有1200萬t?！叭隆眽好褐苯佑绊懙V井接替，縮短礦井服務(wù)年限。隨著煤炭開采技術(shù)水平的提高，為了解放“三下”壓煤，煤礦“三下”開采技術(shù)得到了極大發(fā)展。我國(guó)煤礦“三下”傳統(tǒng)開采技術(shù)有離層注漿、條帶式開采，其中離層注漿不能有效控制地表下沉，成本高，效率

2、低；條帶式開采，資源回收率低，一般不超過50%，資源浪費(fèi)嚴(yán)重。充填開采不僅能有效控制地表下沉，而且資源回收率可達(dá)90%以上。充填開采目前有超高水材料充填、膏體充填、固體物充填三種技術(shù)。1 煤礦充填開采技術(shù)現(xiàn)狀1.1 超高水材料充填技術(shù) 充填材料由中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研制的ZKD型高水速凝充填材料是理想的充填材料。該材料由A、B料和A-A、B-B添加劑構(gòu)成。該材料摻水量較高，可達(dá)95%以上，大大減少了固體粉料用量。該技術(shù)充填系統(tǒng)簡(jiǎn)單、占地少，充填泵送系統(tǒng)可建于井下。 充填工藝充填工藝采用水力泵送、掛包充填。包括充填泵站與充填點(diǎn)兩部分，其基本工藝流程如圖1所示。該充填工藝系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單，初期與總體投入均較低

3、。由于充填材料具有流動(dòng)性，對(duì)于仰斜開采，只需要管路、攪拌與泵送等設(shè)備就可以形成完整的充填系統(tǒng)；而對(duì)于水平開采和俯斜開采，還需用充填袋，效率相對(duì)較低，月產(chǎn)一般在500010000t，目前在綜采機(jī)械化充填方面還沒有取得突破。圖1 高水材料充填工藝流程 應(yīng)用實(shí)例冀中能源集團(tuán)邯鄲礦業(yè)陶一礦12701上5工作面地表有村民房屋建筑、沖溝、梯田，地面標(biāo)高171.2179.1 m。工作面標(biāo)高145.6207.0m，工作面埋深316.8386.1m。工作面巷道沿煤層頂板掘進(jìn)，按傾斜長(zhǎng)壁開采法布置，其走向長(zhǎng)度為50.0m，傾斜長(zhǎng)度為292.0m。因工作面下部塊段的煤層受火成巖侵蝕情況較為嚴(yán)重，因此采用炮采。該礦運(yùn)

4、用高水材料充填技術(shù)進(jìn)行采空區(qū)充填，已成功采出壓煤20余萬t。1.2 膏體充填采煤技術(shù)固體廢物膏體充填是煤礦綠色開采技術(shù)的重要組成部分，它是一種將煤矸石、粉煤灰、劣質(zhì)土等固體廢物制作成無臨界流速、不需脫水的膏狀漿體，通過泵壓或重力作用，經(jīng)過管道輸送到回采工作面，適時(shí)充填采空區(qū)的綠色開采技術(shù)。膏體充填分膠結(jié)膏體充填、非膠結(jié)膏體充填。該充填技術(shù)具有高采出率、環(huán)保、高安全性等優(yōu)點(diǎn)，管道運(yùn)輸，材料選擇廣泛，目前已在多個(gè)礦井應(yīng)用，在炮采工作面應(yīng)用較多，綜采膏體充填技術(shù)正在研究。 充填材料充填材料是由煤矸石、水泥、粉煤灰、減水劑組成。形成的膠結(jié)充填體濃度高，流動(dòng)性能好，呈膏體狀態(tài)。 充填工藝充填骨料為破碎后

5、的煤矸石，膠凝材料為普通硅酸鹽水泥，管道輸送性能改良劑為粉煤灰和減水劑。各料在攪拌桶中加水進(jìn)行高速攪拌，形成高濃度的漿體沿充填鉆孔和管道自流輸送至待充填采空區(qū)進(jìn)行充填。典型充填工藝流程如圖2所示。圖2 煤礦膏體充填工藝流程 應(yīng)用實(shí)例2007年底新汶礦業(yè)集團(tuán)孫村煤礦21101工作面采用了仰斜膏體充填開采技術(shù)。該工作面埋深410580m，平均傾角16.5，面長(zhǎng)1OOm，煤層采高2.02.2m，單體液壓支柱配金屬鉸接頂梁支護(hù)頂板，柱排距為700mm800mm，采用“兩采一充、見五回一”開采方式，充填步距1.62.4m。通過實(shí)踐檢驗(yàn)，21101工作面充填開采效果顯著，工作面月產(chǎn)原煤達(dá)到1.2萬t以上，

6、月消耗煤矸石1萬t以上，實(shí)現(xiàn)了膏體充填開采的新突破。1.3 固體物充填技術(shù) 充填材料充填材料為破碎后的煤矸石或固體廢料，或加煤灰、黃土等材料，利用井下掘進(jìn)矸石進(jìn)行充填的置換開采技術(shù)可實(shí)現(xiàn)礦井矸石的井下處理，做到矸石不上井。 長(zhǎng)壁普采(或炮采)固體物充填技術(shù)將巖巷和半煤巖巷(煤矸分裝)掘進(jìn)矸石或地面矸石山矸石用礦車運(yùn)至井下矸石車場(chǎng)，經(jīng)過裝載破碎機(jī)破碎后，進(jìn)入矸石倉。通過矸石倉下口，經(jīng)過膠帶輸送機(jī)將破碎后的矸石運(yùn)入上下山，而后載入采煤工作面的回風(fēng)平巷，再由工作面采空區(qū)刮板輸送機(jī)運(yùn)至工作面采空區(qū)拋矸膠帶輸送機(jī)尾部，由拋矸膠帶輸送機(jī)向采空區(qū)拋矸充填。新汶泉溝煤礦于2006年開始試驗(yàn)和使用長(zhǎng)壁普采(或炮

7、采)充填采煤技術(shù)，該技術(shù)利用井下矸石充填于采空區(qū)，充填系統(tǒng)簡(jiǎn)單，機(jī)械化程度較高，裝備投資少，充填效果好，保護(hù)地面建筑物效果非常好。 長(zhǎng)壁綜采固體物充填技術(shù)將地面矸石、粉煤灰、黃土等單一固體廢棄物或者幾種充填物以合適的比例混合后，通過大垂深投料系統(tǒng)(包括防沖擊力的緩沖系統(tǒng)、防止堵倉設(shè)備、井上下調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng))、井下運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)至工作面，再通過掛在充填支架尾梁上的充填開采輸送機(jī)充填到長(zhǎng)壁工作面充填區(qū)內(nèi)，由夯實(shí)機(jī)進(jìn)行夯實(shí)，置換出煤炭資源，從而達(dá)到解放“三下”壓煤并控制覆巖運(yùn)動(dòng)及地表沉陷的目的。長(zhǎng)壁綜采充填采煤技術(shù)系統(tǒng)布置如圖3所示。圖3 長(zhǎng)壁綜采充填采煤技術(shù)系統(tǒng)布置與充填綜采相配套的設(shè)備主要包括自夯式充

8、填開采液壓支架、充填開采輸送機(jī)等。自夯式充填開采液壓支架維護(hù)了足夠的工作空間，為工作面充填綜采提供基本條件，同時(shí)為充填料提供足夠的夯實(shí)力，使充填料充分接頂且具有一定的強(qiáng)度；充填開采輸送機(jī)實(shí)現(xiàn)充填料安全高效地充填入采空區(qū)。充填工作在完成一刀采煤工作后進(jìn)行，停止所有采煤工序，將支架移到同一條線上，調(diào)整好充填支架后部充填開采輸送機(jī)，依次開動(dòng)工作面充填開采輸送機(jī)、自移式充填料轉(zhuǎn)載機(jī)、運(yùn)矸膠帶輸送機(jī)等設(shè)備，進(jìn)行采空區(qū)充填。 應(yīng)用實(shí)例邢臺(tái)礦7606充填工作面處于工業(yè)廣場(chǎng)煤柱內(nèi)，走向長(zhǎng)度460m，傾斜長(zhǎng)度50m，可采儲(chǔ)量11.7萬t。7606工作面從2008年12月17日正式試采，到2009年5月24日結(jié)束

9、，累計(jì)采出原煤11.54萬t，充填矸石粉煤灰地面固體廢棄物12.6萬t，實(shí)際充填率達(dá)到98%以上，生產(chǎn)效率每工達(dá)到22t，矸石充填開采成本較低，每噸增加成本在50至55元左右，創(chuàng)直接經(jīng)濟(jì)效益4400萬元。2 煤礦充填開采技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)2.1 發(fā)展動(dòng)力我國(guó)部分衰老礦井，一方面隨著開采深度下延，災(zāi)害嚴(yán)重，煤炭開采成本加大，越來越不適合開采；另一方面“三下”壓著大量適合開采的優(yōu)質(zhì)煤炭資源，需要安全高效地回采出來；出于環(huán)保的需要，大量矸石和城市垃圾需要處理；在安全方面，傳統(tǒng)開采帶來的采空區(qū)自然發(fā)火、出水、上隅角瓦斯超限，以及采空區(qū)大面積垮落帶來的瓦斯大量涌出等突出問題急需解決。以上所有問題，通過采用合理

10、的充填開采技術(shù)，都可以得到很好的解決。充填開采消除了傳統(tǒng)的采空區(qū)，既可以安全地開采“三下”煤炭資源，又解決了采空區(qū)瓦斯超限的安全問題，同時(shí)能處理大量的矸石和城市垃圾，而且傳統(tǒng)采空區(qū)帶來的應(yīng)力集中問題得到大大緩解，對(duì)于防突和防沖擊地壓將有更大的意義。因此，充填開采技術(shù)必將成為煤炭企業(yè)新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)，是我國(guó)煤礦開采技術(shù)的一次革命。為此，以超高水材料充填、膏體充填、固體物充填為代表的充填技術(shù)在我國(guó)正在大面積推廣，技術(shù)逐步成熟。2.2 發(fā)展目標(biāo)充填技術(shù)的發(fā)展方向以低成本、高效率、設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化為目標(biāo)。低成本的技術(shù)思路體現(xiàn)在充填材料提倡變廢為寶，降低充填成本。未來充填材料將以煤矸石、粉煤灰、山沙、河沙、海沙、戈壁沙、碎石、塊石、廢石、劣質(zhì)土、城市固體垃圾、礦山分級(jí)尾沙或全尾沙等多種材料為主。超高水材料充填技術(shù)、膏體充填技術(shù)具有設(shè)備簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，因其充填體具有流動(dòng)性，管道運(yùn)輸，充填效率相對(duì)較低，但對(duì)仰斜開采具有一定的適應(yīng)性，目前正在進(jìn)行與綜合機(jī)械化開采配套的技術(shù)研究，其效率必將進(jìn)一步提高。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)固體物充填開采技術(shù)研究課題組發(fā)明了長(zhǎng)壁矸石充填綜采技術(shù)，可以將地面矸石山矸石或洗選矸石、井下所有掘進(jìn)或分選矸石用于采空區(qū)充填，技術(shù)成本相對(duì)較低，實(shí)現(xiàn)架前采煤架后充填，采充一體化，