充填開采技術(shù)在榆陽煤礦的應(yīng)用實(shí)踐

1、充填開采技術(shù)在榆陽煤礦的應(yīng)用實(shí)踐作者：呂文宏來源：科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)2013年第33期呂文宏（陜西中能煤田有限公司陜西榆林719000）摘要為了解放“三下”壓煤，改善地企關(guān)系，維護(hù)礦區(qū)和諧穩(wěn)定的秩序，在充分調(diào)研論 證的基礎(chǔ)上，榆陽煤礦引進(jìn)了符合實(shí)際的充填方式。在實(shí)施充填開采的過程中，創(chuàng)造性地改進(jìn) 了充填材料和工藝，突出了規(guī)模化、本土化、機(jī)械化、自動(dòng)化的特點(diǎn)。項(xiàng)目實(shí)踐表明經(jīng)濟(jì)效益 可觀，工藝特點(diǎn)突出，生態(tài)環(huán)境效益良好，區(qū)域示范和帶動(dòng)作用巨大，有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。關(guān)鍵詞充填開采；風(fēng)積沙；似膏；料漿；密封中圖分類號(hào)：TD823.7文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2013）11（c）-000

2、0-00煤礦傳統(tǒng)的垮落法開采易造成大面積的采空塌陷，影響生態(tài)環(huán)境平衡，損壞地面建筑物， 嚴(yán)重制約礦區(qū)后續(xù)發(fā)展，而減少地表沉降的條帶開采方法將造成極大的煤炭資源浪費(fèi)且不能保 證地表長期穩(wěn)定，因此，實(shí)施充填開采十分必要。1榆陽煤礦實(shí)施充填開采的背景陜西中能煤田有限公司主要從事煤炭開采、煤炭深加工、銷售等生產(chǎn)經(jīng)營活動(dòng)，公司下屬 生產(chǎn)礦井一一榆陽煤礦處在陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫礦區(qū)（北區(qū)）東北部的紅石峽井田，紅石峽井 田以小紀(jì)汗井田南界為界，西南與袁大灘井田及十六臺(tái)井田相鄰，東以榆溪河為界。榆陽煤礦 行政隸屬于榆林市榆陽區(qū)小紀(jì)汗鄉(xiāng)境內(nèi)，距榆林市約12km，井田內(nèi)地物眾多，壓覆煤炭資源占 到總儲(chǔ)量的40%50

3、%，井田內(nèi)可布置長壁工作面的區(qū)域有限，資源損失極大，若采用短壁式回 采，資源回收率只有20%左右，還存在塌陷、礦震等新的地質(zhì)災(zāi)害。加之，近年來榆林地區(qū)經(jīng) 濟(jì)高速增長，榆林城市規(guī)劃范圍迅速擴(kuò)大，城市規(guī)劃對(duì)榆陽煤礦采礦塌陷提出了更高的要求。 因此，榆陽煤礦采用充填開采減小對(duì)地面的影響和損害，已經(jīng)成為關(guān)系當(dāng)?shù)厝罕娚a(chǎn)生活和城 市長遠(yuǎn)發(fā)展的大事，也是建設(shè)生態(tài)文明、推動(dòng)科學(xué)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。2充填技術(shù)方案選擇2.1基本情況榆陽煤礦所處的紅石峽井田總體構(gòu)造形態(tài)呈向北西或北西西微傾的單斜構(gòu)造，局部地段有 寬緩的波狀起伏，地層傾向305左右，傾角小于1。主采3號(hào)煤層埋深141.01201.19m， 煤層厚度穩(wěn)定

4、在2.903.99m之間，平均厚3.6m。煤層頂板巖性以中粒砂巖、細(xì)粒砂巖為主； 底板巖性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主。具備適合充填開采的優(yōu)越地質(zhì)條件。充填開采是近年研究較多的有效控制地表沉陷的一種綠色開采技術(shù)，它是指隨著采煤工作 面的推進(jìn)，向采空區(qū)送入矸石、沙石、工業(yè)固體廢料等其它材料作為充填體，利用充填體減緩 頂板沉降的采空區(qū)管控技術(shù)。從充填材料來看，目前應(yīng)用的主要是矸石、粉煤灰等，按照充填 材料形態(tài)來分，主要為固體直接充填、（似）膏體充填和（超）高水充填三大類。2.2充填方式的選擇榆陽煤礦充填開采項(xiàng)目由陜西中能煤田有限公司組織中國煤炭科工集團(tuán)天地科技股份有限 公司、西安科技大學(xué)、青島理工大學(xué)等

5、單位按產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合的方式聯(lián)合研究開發(fā)。在項(xiàng)目可 行性研究階段，先后三次組織專家對(duì)山東省和河北省的4個(gè)不同類型充填方式的礦井進(jìn)行了考 察調(diào)研，咨詢了相關(guān)大專院校、科研單位充填開采方面的專家教授。根據(jù)目前充填開采技術(shù)發(fā) 展趨勢(shì)及榆林當(dāng)?shù)乜晒┻x用材料特點(diǎn)，選擇風(fēng)積沙為主要充填材料；結(jié)合榆陽煤礦地質(zhì)采礦條 件，對(duì)風(fēng)積砂直接充填、以風(fēng)積砂為骨料的似膏體充填、風(fēng)積砂高水膨脹材料充填及超高水材 料充填等四種充填方式進(jìn)行了綜合分析比較，風(fēng)積砂似膏體充填具有工藝簡單、膨脹適當(dāng)、流 動(dòng)可控、封堵簡捷、就地取材、成本低廉等優(yōu)良特性，最終選擇風(fēng)積砂似膏體材料重力自流充 填技術(shù)為主的充填方式。3充填開采工藝設(shè)計(jì)3.1

6、設(shè)計(jì)的基本原則（1）充填材料有所創(chuàng)新，基本實(shí)現(xiàn)就地取材；（2）充填開采系統(tǒng)達(dá)到機(jī)械化、自動(dòng)化水平；（3）充填開采生產(chǎn)能力達(dá)到一定規(guī)模，名列國內(nèi)前茅；（4）經(jīng)濟(jì)、環(huán)境、生態(tài)效益兼顧，具備示范推廣價(jià)值。3.2充填工藝系統(tǒng)榆陽煤礦充填開采設(shè)計(jì)分為連采窄條帶和綜采長壁兩種回采充填工藝方式，每種工藝都包 括開采和充填兩大系統(tǒng)。其中連采窄條帶和綜采長壁兩種采煤工藝為常規(guī)工藝，充填系統(tǒng)包括 制漿系統(tǒng)、漿料輸送系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)控制系統(tǒng)、采空區(qū)漿料封堵設(shè)施等。充填工藝系統(tǒng)見圖1。ei_ KAk # f *二井做小土 m榆陽煤礦風(fēng)積砂似膏體充填工藝由風(fēng)積砂高水膨脹材料充填工藝演變而來。充填制漿工藝 引山東省淄博市臨淄區(qū)

7、王莊煤礦專利技術(shù)，采用風(fēng)積砂、粉煤灰、水泥、專用輔料和水作為主 要充填材料。經(jīng)過特殊的工藝配制成充填料漿，配比中水占45%以上的料漿稱為風(fēng)積砂高水膨 脹材料，配比中水占35%以下的料漿稱為風(fēng)積砂似膏體充填材料。兩種料漿都具備自流充填到 采空區(qū)內(nèi)的特征。榆陽煤礦充填系統(tǒng)由兩套能力相同的系統(tǒng)組成，每套系統(tǒng)可單獨(dú)運(yùn)行或同時(shí)運(yùn)行，設(shè)計(jì)能 力為2乂180田3/4每套系統(tǒng)都由制漿系統(tǒng)和管道輸送系統(tǒng)兩大部分組成。制漿系統(tǒng)由粉煤灰、 風(fēng)積砂、輔料等儲(chǔ)存設(shè)施、材料定量配制、初漿制備、成漿制備和自動(dòng)控制裝置組成。充填管 道輸送系統(tǒng)由輸料豎直鉆孔管道、井下巷道水平管道、泄?jié){閥、流量計(jì)、壓力傳感器、三通閥 等組成。在

8、引進(jìn)專利技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)了風(fēng)積砂添加系統(tǒng)、粉煤灰儲(chǔ)存輸送系統(tǒng)和自動(dòng) 化控制監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)控制屏幕見界面圖3-2。圖切充填業(yè)挖.系統(tǒng)屏.幡藕圖3.3連采面充填開采連采窄條帶充填開采工作面設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力為40萬t/a，其采煤方法與常規(guī)的連采條帶工作 面布置相同，分兩個(gè)階段進(jìn)行回采和充填，第一階段回采和充填間隔25條支巷，待第一階段 充填體強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后進(jìn)行第二階段的回采和充填。根據(jù)連采機(jī)性能及頂板性質(zhì)，并兼顧 開采效率，選擇留設(shè)合理的支巷開采寬度和煤柱尺寸，回采和充填順序見圖3。*洌司典崖D-303.4綜采充填開采綜采充填工作面設(shè)計(jì)能力100萬t/a,工作面布置方式與普通長壁綜采工作面布置

9、形式相 同，充填工藝為推進(jìn)48刀煤后集中充填一次。綜采充填工作面料漿封堵技術(shù)方面，引進(jìn)了柔 模封堵的技術(shù)，利用柔模密封充填料漿，液壓支架后擋墻支撐限位柔膜，實(shí)現(xiàn)充填料漿初凝前 的封堵。在割煤移架過程中，存放在支架內(nèi)的柔模人工連續(xù)續(xù)膜，割煤達(dá)到一個(gè)充填步距，整 理柔膜、連接充填管道充填。綜采充填開采工作面封堵方法見圖4。4充填開采實(shí)踐4.1項(xiàng)目進(jìn)展（1）榆陽煤礦地面充填制漿站建成投入運(yùn)營以后，增加了粉煤灰儲(chǔ)存和輸送系統(tǒng)；增加了 除塵設(shè)備，完善了除塵系統(tǒng)，改善了除塵效果；優(yōu)化了風(fēng)積砂篩選系統(tǒng)，提高了風(fēng)積砂的稱篩 選能力。系統(tǒng)穩(wěn)定性、操控性、抗風(fēng)險(xiǎn)能力達(dá)到了較高水平，單套制漿及管道輸送系統(tǒng)實(shí)際能 力

10、可以達(dá)到200 m3/h以上，為充填開采實(shí)現(xiàn)年產(chǎn)百萬噸以上規(guī)?；a(chǎn)提供了充填保障。（2）連采充填面目前共充填50條支巷，充填料漿約52000 m3，充填體強(qiáng)度及穩(wěn)定性等各 項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計(jì)要求；綜采充填面截止目前，累計(jì)推進(jìn)200多m，出煤約13萬t，充填料漿 約10萬m3。充填體實(shí)際強(qiáng)度的檢測(cè)曲線見圖5。（3）建立了地表移動(dòng)觀測(cè)站及井下礦壓監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)實(shí)施充填開采的巖層移動(dòng)控制效果和 地面保護(hù)效果形成了較完善的反饋體系。為充填開采研究成果的總結(jié)及推廣應(yīng)用收集數(shù)據(jù)和積 累技術(shù)資料。4.2階段性成果（1）基本掌握了充填材料管路輸送規(guī)律，掌握了充填材料的各項(xiàng)指標(biāo)及性能，大幅度提高 了風(fēng)積砂在充填材

11、料中的比重，對(duì)充填材料的配比進(jìn)行了優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了就地取材，大量使用風(fēng) 積砂作為充填材料的骨料，大幅降低了充填材料成本。（2）研發(fā)了連采充填面充填高效支架擋墻，制定了提高充填接頂率的技術(shù)措施，形成了榆 陽煤礦特色的綜采架后充填密閉技術(shù)，綜采充填的充填體接頂率滿足工藝及頂板控制的要求。 連采、綜采充填開采工藝已逐步成熟，制定了連采、綜采充填質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)及考核評(píng)分辦法。（3）掌握了井下充填體的溫度變化規(guī)律及其對(duì)煤層的影響，對(duì)充填體發(fā)熱和釋放氣體成分 進(jìn)行了監(jiān)控，掌握充填體對(duì)井下環(huán)境的影響，各項(xiàng)指標(biāo)均在相關(guān)規(guī)程安全許可范圍之內(nèi)。（4）在綜采充填工作面應(yīng)用了沿空留巷技術(shù)，在充填的同時(shí)預(yù)留了下一個(gè)工作面的

12、順槽巷 道，增加了對(duì)充填體、礦壓觀測(cè)的空間和深度，加快了試驗(yàn)的各項(xiàng)進(jìn)程；實(shí)現(xiàn)無煤柱開采，減 少了巷道掘進(jìn)量，提高煤炭回收率。（5）對(duì)榆陽煤礦充填所用風(fēng)積砂、粉煤灰、石膏、生石灰、添加劑以及充填膠凝體泌出的 水分進(jìn)行了全面的檢測(cè)，均不含污染水質(zhì)和土壤的成分，對(duì)地下水和土壤無污染。4.3核心技術(shù)經(jīng)過聯(lián)合攻關(guān)和實(shí)踐驗(yàn)證，已經(jīng)取得擁有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的材料配方及相關(guān)工藝技術(shù)，具備 充填技術(shù)示范和對(duì)外輸出的條件。（1）經(jīng)過一系列的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)和工業(yè)試驗(yàn)，利用榆林當(dāng)?shù)氐脑牧献灾餮邪l(fā)了充填輔料和 外加劑，具備了充填輔料及外加劑本地化生產(chǎn)的條件，目前正在申請(qǐng)相關(guān)專利。（2）研發(fā)了具有榆陽煤礦特色連采充填面充填高效

13、支架擋墻及綜采架后充填密閉技術(shù)，解 決了料漿流動(dòng)性強(qiáng)，不易封閉的難題，已申請(qǐng)充填材料密閉及工藝的相關(guān)專利。（3）經(jīng)過深入的研究和大量實(shí)驗(yàn)，摸索出了大量利用當(dāng)?shù)亓畠r(jià)風(fēng)積砂的材料配合比，體現(xiàn) 了因地制宜利用廣泛存在的風(fēng)積沙作為充填材料的區(qū)域特點(diǎn)，從成本控制方面提升了充填開采 的經(jīng)濟(jì)效益。5充填技術(shù)特點(diǎn)經(jīng)過連采和綜采的充填試驗(yàn)，榆陽煤礦的充填開采項(xiàng)目的主要特點(diǎn)有：（1）充填材料本土化；（2）充填制漿工藝連續(xù)，在線自動(dòng)控制；（3）充填漿液流動(dòng)性、穩(wěn)定性適合長距離管道輸送，管道輸送系統(tǒng)在線自動(dòng)監(jiān)控，輸送能 力大，經(jīng)濟(jì)可靠；（4）充填開采機(jī)械化、自動(dòng)化程度高；（5）充填開采生產(chǎn)能力大，規(guī)模效益顯著。6充填效果分析榆陽煤礦通過實(shí)施充填開采，榆陽煤礦可多解放呆滯煤炭資源（“三下”壓煤）1793.5萬 t，可回收資源1280萬t，以280元/t計(jì)算，增加產(chǎn)值358400萬元。充填開采可以減少或防止 覆巖破壞及地表沉陷，能夠大幅度的減少對(duì)生態(tài)環(huán)境的影響，有效維持當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的持續(xù)好 轉(zhuǎn)。充填開采不僅利于中能公司與地方經(jīng)濟(jì)的和諧發(fā)展，而且還是解決煤礦采空區(qū)治理、煤礦 防治水、防滅火和其它災(zāi)害的一個(gè)重要技術(shù)途徑，具有重要的推廣示范意義。參考文獻(xiàn)陳佩佩.榆林地區(qū)煤礦開采環(huán)境影響分析J.煤礦開采，2008, 13（3）： 3941.崔鋒，張華興，劉鵬亮，等.沙漠邊緣