煤礦綠色充填開采技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及展望

俞再波

充填開采是我國建筑物下采煤的主要技術(shù)之一,它將矸石、河砂、粉煤灰等材料充填于采空區(qū),從而達(dá)到控制地面沉降、減少地表變形的目的。該方法具有資源回收率高、對環(huán)境破壞小、減小工作面壓力等優(yōu)點,同時還可以將地面廢料進(jìn)行井下處理,減少了環(huán)境污染,因此又稱之為“綠色充填開采技術(shù)”。

1 我國目前煤礦充填開采的應(yīng)用實例

1.1 巷柱式開采充填方法

河北金牛能源股份有限公司邢東礦主要含煤地層為石炭系上統(tǒng)太原組和二疊系下統(tǒng)山西組,次為石炭系中統(tǒng)本溪組。第四系沖積層厚210 m～320 m,基巖厚度為440 m～930 m,地層賦存具有第四系沖積層厚、埋藏深的特點。該井田含煤15層,煤層平均總厚度20.44 m,其中,可采煤層平均總厚度 15.98 m。2號主采煤層埋深一般 800 m～900 m。在井田范圍內(nèi)有大小村莊11個,村莊及工業(yè)廣場煤柱壓煤量占全礦井地質(zhì)儲量82.8%。礦井初期開采2號主采煤層,該煤層可采儲量4.86 Mt。除去保護(hù)煤柱、安全防水煤柱以及構(gòu)造損失等,全井田只有約2.8 M t工業(yè)儲量不受地面建筑影響。

巷柱式充填開采方法試驗區(qū)依次掘進(jìn)南北軸向的巷道,規(guī)格為4.5 m×3.5 m,平均每條巷道長約400 m,兩巷之間留設(shè)一定寬度的隔離煤柱,并且在掘進(jìn)過程中采用錨網(wǎng)支護(hù),掘進(jìn)完一條巷道后,即開始充填,同時留設(shè)一定寬度隔離煤柱掘進(jìn)下一條巷道,依次掘進(jìn)巷道的同時充填前一條巷道,充填完畢幾條巷道后,在其隔離煤柱中掘巷并充填,最終形成5.0 m寬充填巷道和5.0 m寬隔離煤柱,如圖1所示。

采用拋矸膠帶輸送機完成矸石充填后,再對巷道充填矸石上部的空隙采用注漿法加以密實,使巷道的充填率提高。

該礦2003年～2006年實施巷柱式矸石充填開采煤柱以來,共掘出巷道11條,進(jìn)尺4 742 m,采煤121 kt,充填巷道10條,利用矸石17 750 m3,充滿率約80%。經(jīng)地面監(jiān)測,沒有明顯沉陷,地表設(shè)施穩(wěn)定,地面建筑完好無損。

1.2 長壁式膏體、矸石聯(lián)合充填

示例1:新汶礦業(yè)集團(tuán)孫村礦采用2套充填系統(tǒng)聯(lián)合運用:1)主要應(yīng)用膏體充填;2)輔以矸石充填,達(dá)到矸石不上井。充填系統(tǒng)如圖2所示。

示例2:新汶礦業(yè)集團(tuán)泉溝煤礦矸石充填工作面為炮采工藝,走向 300 m～ 400 m,埋深250 m,傾角12°,采高1.7 m,傾斜長40 m,60 m,120 m。工作面充填與開采同步進(jìn)行,每推3刀充填1次,切頂排擋上竹笆。見“7充 4”,即工作面推采7排就充 4排。充填工藝:由下巷向上巷方向后退式逐步拋充填,并同步進(jìn)行回柱與掐刮板。

2 存在的問題及新進(jìn)展

盡管采用充填開采技術(shù)的礦井?dāng)?shù)量在增加,但存在一些原因阻礙著它的大范圍推廣應(yīng)用:1)材料:材料的相對短缺使得正規(guī)長壁工作面大規(guī)模充填難以實現(xiàn),甚至充填材料供應(yīng)的量和速度決定了采煤進(jìn)度。2)成本:成本增加主要集中在材料,運輸,設(shè)備,人員等;20元/t～50元/t不等,對于一些礦井仍然難以接受。3)工藝:工序相對復(fù)雜,產(chǎn)量低,難以形成開采的主戰(zhàn)場。

隨著科研人員和現(xiàn)場工程技術(shù)人員的努力,這些問題正在逐步得到解決,取得了新進(jìn)展:1)充填材料更加豐富:原來是單純的矸石、粉煤灰、河砂,現(xiàn)在材料范圍更廣泛,如銅川和霍州地區(qū)研究黃土充填等;2)充填工藝更加簡單、效率更高:從原來采充互相干擾,到現(xiàn)在液壓支架后矸石、膏體充填,實現(xiàn)了綜采面隨采隨充;3)充填成本逐漸降低:采用了低價充填材料,優(yōu)化了開采工藝,降低了充填成本;4)充填開采技術(shù)工藝操作規(guī)范逐步形成。

3 充填開采技術(shù)的發(fā)展方向

1)研發(fā)充填材料,盡可能利用礦井固體廢料,減少固體污染。2)深化充填理論研究。量化充填介質(zhì)特性、充填參數(shù)對于地表沉降的關(guān)系;進(jìn)行部分充填與可控性下沉的理論研究,在減少充填材料消耗的同時,盡可能降低充填工藝對回采的影響,并使地表下沉在合理的范圍內(nèi),為充填設(shè)計提供理論指 導(dǎo)。3)進(jìn)行充填裝備,包括輸送機、充填支架的研發(fā)技術(shù)攻關(guān)。4)長壁連續(xù)充填將是充填的發(fā)展趨勢,在小塊段煤柱,小型煤礦可使用巷柱式充填。

4 結(jié)語

1)充填開采是我國建筑物下采煤的主要技術(shù)之一,具有資源回收率高、對環(huán)境破壞小、減小工作面壓力等優(yōu)點,同時還可以將地面廢料進(jìn)行井下處理,減少了環(huán)境污染,稱之為“綠色充填開采技術(shù)”。2)進(jìn)入21世紀(jì)以來,隨著煤炭價格的回升,全社會環(huán)境保護(hù)意識的增強,充填開采在“三下”采煤領(lǐng)域應(yīng)用范圍逐漸擴大。目前,河北、山東等省10余礦應(yīng)用了不同形式的充填開采。從目前充填實踐來看,可分為兩種類型:a.巷柱式充填方法;b.長壁式充填方法。3)盡管采用充填開采技術(shù)的礦井?dāng)?shù)量在增加,但存在一些材料、成本和工藝等方面的原因阻礙著它的大范圍推廣應(yīng)用。隨著科研人員和現(xiàn)場工程技術(shù)人員的努力,這些問題正在逐步得到解決,取得了新進(jìn)展。4)指出了充填開采技術(shù)應(yīng)在充填理論、充填材料、充填裝備等方面進(jìn)一步攻關(guān)研究。