我国煤矿充填开采技术现状与发展

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我国煤矿充填开采技术现状与发展

发布日期: 2010-12-07

在我国，建筑物下、水体下、铁路下(简称“三下”)积压了大量的煤炭资源。例如：辽宁抚顺市区压煤两亿多吨；京山线横贯开平煤田压煤近七亿吨，仅唐山矿井田范

围内压煤就达一亿五千万吨；山东和江苏交界处的微山湖压煤也在七亿吨左右；平煤股份十二矿剩余可采储量仅2894万t，而工业广场、风井和村庄压煤就有1200万t。“三下”压煤直接影响矿井接替，缩短矿井服务年限。

随着煤炭开采技术水平的提高，为了解放“三下”压煤，煤矿“三下”开采技术得到了极大发展。我国煤矿“三下”传统开采技术有离层注浆、条带式开采，其中离层注浆不能有效控制地表下沉，成本高，效率低；条带式开采，资源回收率低，一般不超过50%，资源浪费严重。充填开采不仅能有效控制地表下沉，而且资源回收率可达90%以上。充填开采目前有超高水材料充填、膏体充填、固体物充填三种技术。

1 煤矿充填开采技术现状 1.1 超高水材料充填技术 1.1.1 充填材料

由中国矿业大学研制的ZKD型高水速凝充填材料是理想的充填材料。该材料由A、B料和A-A、B-B添加剂构成。该材料掺水量较高，可达95%以上，大大减少了固体粉料用量。该技术充填系统简单、占地少，充填泵送系统可建于井下。

1.1.2 充填工艺

充填工艺采用水力泵送、挂包充填。包括充填泵站与充填点两部分，其基本工艺流程如图1所示。

该充填工艺系统相对简单，初期与总体投入均较低。由于充填材料具有流动性，对于仰斜开采，只需要管路、搅拌与泵送等设备就可以形成完整的充填系统；而对于水平开采和俯斜开采，还需用充填袋，效率相对较低，月产一般在5000～10000t，目前在综采机械化充填方面还没有取得突破。

图1 高水材料充填工艺流程

1.1.3 应用实例

冀中能源集团邯郸矿业陶一矿12701上5工作面地表有村民房屋建筑、冲沟、梯田，地面标高171.2～179.1 m。工作面标高－145.6～－207.0m，工作面埋深316.8～386.1m。

工作面巷道沿煤层顶板掘进，按倾斜长壁开采法布置，其走向长度为50.0m，倾斜长度为292.0m。因工作面下部块段的煤层受火成岩侵蚀情况较为严重，因此采用炮采。

该矿运用高水材料充填技术进行采空区充填，已成功采出压煤20余万t。 1.2 膏体充填采煤技术

固体废物膏体充填是煤矿绿色开采技术的重要组成部分，它是一种将煤矸石、粉煤灰、劣质土等固体废物制作成无临界流速、不需脱水的膏状浆体，通过泵压或重力作用，经过管道输送到回采工作面，适时充填采空区的绿色开采技术。膏体充填分胶结膏体充填、非胶结膏体充填。

该充填技术具有高采出率、环保、高安全性等优点，管道运输，材料选择广泛，目前已在多个矿井应用，在炮采工作面应用较多，综采膏体充填技术正在研究。

1.2.1 充填材料

充填材料是由煤矸石、水泥、粉煤灰、减水剂组成。形成的胶结充填体浓度高，流动性能好，呈膏体状态。

1.2.2 充填工艺

充填骨料为破碎后的煤矸石，胶凝材料为普通硅酸盐水泥，管道输送性能改良剂为粉煤灰和减水剂。各料在搅拌桶中加水进行高速搅拌，形成高浓度的浆体沿充填钻孔和管道自流输送至待充填采空区进行充填。典型充填工艺流程如图2所示。

图2 煤矿膏体充填工艺流程

1.2.3 应用实例

2007年底新汶矿业集团孙村煤矿21101工作面采用了仰斜膏体充填开采技术。该工作面埋深410～580m，平均倾角16.5°，面长1OOm，煤层采高2.0～2.2m，单体液压支柱配金属铰接顶梁支护顶板，柱排距为700mm×800mm，采用“两采一充、见五回一”开采方式，充填步距1.6～2.4m。

通过实践检验，21101工作面充填开采效果显著，工作面月产原煤达到1.2万t以上，月消耗煤矸石1万t以上，实现了膏体充填开采的新突破。

1.3 固体物充填技术 1.3.1 充填材料

充填材料为破碎后的煤矸石或固体废料，或加煤灰、黄土等材料，利用井下掘进矸石进行充填的置换开采技术可实现矿井矸石的井下处理，做到矸石不上井。

1.3.2 长壁普采(或炮采)固体物充填技术

将岩巷和半煤岩巷(煤矸分装)掘进矸石或地面矸石山矸石用矿车运至井下矸石车场，经过装载破碎机破碎后，进入矸石仓。通过矸石仓下口，经过胶带输送机将破碎后的矸石运入上下山，而后载入采煤工作面的回风平巷，再由工作面采空区刮板输送机运至工作面采空区抛矸胶带输送机尾部，由抛矸胶带输送机向采空区抛矸充填。

新汶泉沟煤矿于2006年开始试验和使用长壁普采(或炮采)充填采煤技术，该技术利用井下矸石充填于采空区，充填系统简单，机械化程度较高，装备投资少，充填效果好，保护地面建筑物效果非常好。

1.3.3 长壁综采固体物充填技术

将地面矸石、粉煤灰、黄土等单一固体废弃物或者几种充填物以合适的比例混合后，通过大垂深投料系统(包括防冲击力的缓冲系统、防止堵仓设备、井上下调度监控系统)、井下运输系统运至工作面，再通过挂在充填支架尾梁上的充填开采输送机充填到长壁工作面充填区内，由夯实机进行夯实，置换出煤炭资源，从而达到解放“三下”压煤并控制覆岩运动及地表沉陷的目的。长壁综采充填采煤技术系统布置如图3所示。

图3 长壁综采充填采煤技术系统布置

与充填综采相配套的设备主要包括自夯式充填开采液压支架、充填开采输送机等。自夯式充填开采液压支架维护了足够的工作空间，为工作面充填综采提供基本条件，同时为充填料提供足够的夯实力，使充填料充分接顶且具有一定的强度；充填开采输送机实现充填料安全高效地充填入采空区。

充填工作在完成一刀采煤工作后进行，停止所有采煤工序，将支架移到同一条线上，调整好充填支架后部充填开采输送机，依次开动工作面充填开采输送机、自移式充填料转载机、运矸胶带输送机等设备，进行采空区充填。

1.3.4 应用实例

邢台矿7606充填工作面处于工业广场煤柱内，走向长度460m，倾斜长度50m，可采储量11.7万t。7606工作面从2008年12月17日正式试采，到2009年5月24日结束，累计采出原煤11.54万t，充填矸石粉煤灰地面固体废弃物12.6万t，实际充填率达到98%以上，生产效率每工达到22t，矸石充填开采成本较低，每吨增加成本在50至55元左右，创直接经济效益4400万元。

2 煤矿充填开采技术发展趋势 2.1 发展动力

我国部分衰老矿井，一方面随着开采深度下延，灾害严重，煤炭开采成本加大，越来越不适合开采；另一方面“三下”压着大量适合开采的优质煤炭资源，需要安全高效地回采出来；出于环保的需要，大量矸石和城市垃圾需要处理；在安全方面，传统开采带来的采空区自然发火、出水、上隅角瓦斯超限，以及采空区大面积垮落带来的瓦斯大量涌出等突出问题急需解决。

以上所有问题，通过采用合理的充填开采技术，都可以得到很好的解决。充填开采消除了传统的采空区，既可以安全地开采“三下”煤炭资源，又解决了采空区瓦斯超限的安全问题，同时能处理大量的矸石和城市垃圾，而且传统采空区带来的应力集中问题得到大大缓解，对于防突和防冲击地压将有更大的意义。因此，充填开采技术必将成为煤炭企业新的经济增长点，是我国煤矿开采技术的一次革命。为此，以超高水材料充填、膏体充填、固体物充填为代表的充填技术在我国正在大面积推广，技术逐步成熟。

2.2 发展目标

充填技术的发展方向以低成本、高效率、设备标准化为目标。低成本的技术思路体现在充填材料提倡变废为宝，降低充填成本。未来充填材料将以煤矸石、粉煤灰、山沙、河沙、海沙、戈壁沙、碎石、块石、废石、劣质土、城市固体垃圾、矿山分级尾沙或全尾沙等多种材料为主。

超高水材料充填技术、膏体充填技术具有设备简单等特点，因其充填体具有流动性，管道运输，充填效率相对较低，但对仰斜开采具有一定的适应性，目前正在进行与综合机械化开采配套的技术研究，其效率必将进一步提高。

中国矿业大学固体物充填开采技术研究课题组发明了长壁矸石充填综采技术，可以将地面矸石山矸石或洗选矸石、井下所有掘进或分选矸石用于采空区充填，技术成本相对较低，实现架前采煤架后充填，采充一体化，效率高，月产可达5万t以上，实现了高效机械化连续充填开采，具有广泛的应用前景，代表了充填开采的方向。

3 结语

煤矿充填开采技术是开采“三下”压煤的根本途径，是提高煤矿开采安全可靠性的一项革命性举措，是具有我国自主知识产权的一项新技术，必将带来我国采矿技术的一次革命，同时为矿山采出矸石、解决矸石山污染及安全、处理城市固体垃圾提供了一个新途径。

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