我國(guó)現(xiàn)代煤礦充填技術(shù)發(fā)展及其分類

李 楊，楊寶貴

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083）

我國(guó)現(xiàn)代煤礦充填技術(shù)發(fā)展及其分類

李 楊，楊寶貴

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué) （北京）資源與安全工程學(xué)院，北京 100083）

充填開采既是“三下”壓煤開采的常用技術(shù)途徑，又是煤礦綠色開采技術(shù)體系的重要組成部分。在簡(jiǎn)述我國(guó)充填開采技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)現(xiàn)代煤礦充填技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了新的分類，對(duì)泵送高濃度膠結(jié)材料充填、巷道迎頭拋?lái)窓C(jī)膠帶充填、采空區(qū)架后刮板輸送機(jī)漏矸充填、混凝土膏體材料充填4種充填技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了介紹，并分析了現(xiàn)行煤礦充填技術(shù)的缺陷及發(fā)展方向。

充填開采;應(yīng)用分類;充填技術(shù)

隨著煤炭資源的大量開采，村莊下壓煤?jiǎn)栴}越來(lái)越突出，嚴(yán)重影響著許多煤礦企業(yè)的正常生產(chǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國(guó)僅統(tǒng)配煤礦的生產(chǎn)礦井“三下”（建筑物下、鐵路下、水體下）壓煤就達(dá)13.79Gt。幾乎每個(gè)礦井都有“三下”壓煤，一般都占礦井儲(chǔ)量的10%～40%，華東礦區(qū)有的礦井高達(dá)60%以上。因此，在保證地表建 （構(gòu)）筑物安全的前提下，基于提高“三下”壓煤的采出率和合理處理固體廢棄物的問題，開發(fā)充填采煤新技術(shù)，已成為國(guó)家及煤礦企業(yè)急需解決的重大技術(shù)難題［1－2］。

我國(guó)充填工藝與技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了廢石干式充填、分級(jí)尾砂和碎石水力充填、混凝土膠結(jié)充填、以分級(jí)尾砂和天然砂作為充填料的細(xì)砂膠結(jié)充填、廢石膠結(jié)充填、高濃度全尾砂膠結(jié)充填和膏體泵送膠結(jié)充填的發(fā)展過程［3］。充填開采是建筑物下壓煤開采的最理想技術(shù)途徑，其優(yōu)點(diǎn)是煤炭資源的采出率高，但由于受成本高、充填工藝復(fù)雜等因素的制約，沒有得到大范圍的使用。近幾年，隨著煤礦充填技術(shù)的不斷發(fā)展，充填技術(shù)在煤礦開采中的應(yīng)用也越來(lái)越廣泛。

1 我國(guó)現(xiàn)代煤礦充填技術(shù)應(yīng)用分類

對(duì)于現(xiàn)代煤礦充填技術(shù)的應(yīng)用分類可以分為減沉充填開采和其他充填技術(shù)應(yīng)用兩大類。減沉充填開采也就是通常所說(shuō)的充填采煤，一般應(yīng)用于解放“三下”壓煤，合理處理固體廢料，控制地表下沉等;其他充填技術(shù)指不涉及減沉開采部分，包括混凝土膏體材料充填沿空留巷，高水速凝材料充填密閉等技術(shù)。

1.1 減沉充填開采技術(shù)應(yīng)用分類

按照充填量和充填范圍占采出煤層的比例，對(duì)于現(xiàn)代減沉充填開采技術(shù)的應(yīng)用分類可以分為全采全部充填與全采部分充填。

1.1.1 全采全部充填開采

全采全部充填開采即在煤層采出后頂板未冒落前，對(duì)所有采空區(qū)域進(jìn)行充填，充填量和充填范圍與采出煤量大體一致，其完全靠采空區(qū)充填體支撐上覆巖層控制開采沉陷。

該種開采方法在金屬礦山得到了廣泛的應(yīng)用。由于采空區(qū)充填采礦法是一種采出率高、貧化率低的采礦方法，特別在地表不允許破壞和有自燃傾向的礦床開采中，具有無(wú)可替代的作用。

按照所采用充填材料和輸送方式的不同，將現(xiàn)代全采全部充填開采分為:用礦車、膠帶或其他機(jī)械輸送干式充填料 （井下固體廢物）充填采空區(qū)的干式充填采礦法［4］;用水泥及其代用品或其他膠凝材料與矸石等配制成具有膠結(jié)性質(zhì)的充填材料充填采空區(qū)的膠結(jié)充填采礦法。

其中，干式充填采礦法的充填料主要采用井下掘進(jìn)頭產(chǎn)出的矸石或地面的矸石山，實(shí)現(xiàn)矸石不升井和減少地表污染的真正綠色開采。目前我國(guó)煤礦常見的干式充填采礦方式主要有采空區(qū)架后刮板輸送機(jī)漏矸充填、巷道迎頭拋?lái)窓C(jī)膠帶充填［5］;目前我國(guó)煤礦常見的膠結(jié)充填采礦方式主要有泵送膏體充填、泵送高濃度膠結(jié)材料充填、煤矸石似膏體自流充填。

1.1.2 全采部分充填開采

全采部分充填開采，是相對(duì)全部充填而言的，其充填量和充填范圍僅是采出煤量的一部分，僅對(duì)采空區(qū)的局部或離層區(qū)與冒落區(qū)進(jìn)行充填，靠覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)、充填體及部分煤柱共同支撐覆巖控制開采沉陷［6］。

全采全部充填的位置主要是采空區(qū)，而部分充填的位置可以是采空區(qū)、離層區(qū)或冒落區(qū)。部分充填開采技術(shù)關(guān)鍵在于結(jié)合采動(dòng)巖層移動(dòng)規(guī)律，靠覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)、充填體及部分煤柱共同支撐覆巖控制開采沉陷。目前我國(guó)煤礦常見的部分充填開采方式主要有冒落矸石空隙注漿膠結(jié)充填減沉法、覆巖離層注漿充填法［6］。其中冒落區(qū)充填可以分為長(zhǎng)壁開采冒落區(qū)注漿充填、房柱式冒落區(qū)注漿充填和條帶開采冒落區(qū)注漿充填。

1.2 現(xiàn)代煤礦充填技術(shù)應(yīng)用分類

我國(guó)現(xiàn)代煤礦充填技術(shù)應(yīng)用分類總結(jié)見圖1。

2 現(xiàn)代煤礦常用充填技術(shù)及系統(tǒng)概述

近年來(lái)，許多學(xué)者開始加大對(duì)充填開采的方法、礦壓及巖層控制理論、充填系統(tǒng)設(shè)備等問題的研究，提出了許多充填開采及沉陷控制技術(shù)的新思路。如郭廣禮將充填與條帶開采相結(jié)合提出了三步法開采沉陷控制模式;許家林結(jié)合關(guān)鍵層理論提出了部分充填和短壁充填的思路;淄博、邢臺(tái)等礦區(qū)有多座煤礦進(jìn)行了條帶矸石充填試驗(yàn);淄博岱莊煤礦實(shí)施了條帶矸石充填的工業(yè)性試驗(yàn);山東的新汶、淄博礦區(qū)、河北的邢臺(tái)礦區(qū)和山西的霍州礦區(qū)先后進(jìn)行了長(zhǎng)壁工作面矸石充填、膠結(jié)充填和巷采矸石充填的試驗(yàn)研究，并開發(fā)出了一些專利設(shè)備;張華興等提出對(duì)冒落區(qū)注漿加固;楊寶貴利用膠結(jié)性固體廢物充填材料充填采空區(qū)，并分析了膠結(jié)性固體廢物充填材料的特殊性，目前正在有關(guān)煤礦開展工業(yè)性試驗(yàn)。

根據(jù)近幾年我國(guó)煤礦充填技術(shù)的應(yīng)用情況，介紹泵送高濃度膠結(jié)材料充填、巷道迎頭拋?lái)窓C(jī)膠帶充填、采空區(qū)架后刮板輸送機(jī)漏矸充填、混凝土膏體材料充填沿空留巷，4種充填技術(shù)的應(yīng)用。

圖1 我國(guó)現(xiàn)代煤礦充填技術(shù)應(yīng)用分類

2.1 泵送高濃度膠結(jié)材料充填系統(tǒng)

泵送高濃度膠結(jié)充填所采用的充填材料是煤矸石、粉煤灰、膠結(jié)材料和水，其中煤矸石采用成品煤矸石，膠結(jié)材料為32.5號(hào)普通硅酸鹽水泥。充填的過程是先將煤矸石破碎加工，然后把煤矸石、粉煤灰、水泥和水按一定比例混合、攪勻，用充填泵輸送到井下充填采空區(qū)的過程，整個(gè)充填工藝的流程可以劃分為矸石破碎子系統(tǒng)、配比攪拌子系統(tǒng)、管道泵送子系統(tǒng)、井下工作面充填子系統(tǒng)。充填系統(tǒng)工藝流程見圖2。在使用成品矸石期間，不需要矸石破碎子系統(tǒng)，但將來(lái)不可避免地用到原料矸石，所以在工藝流程設(shè)計(jì)時(shí)考慮了原料矸石的破碎，因而設(shè)計(jì)了矸石破碎子系統(tǒng)。

2.2 巷道迎頭拋?lái)窓C(jī)膠帶充填系統(tǒng)

巷道迎頭拋?lái)窓C(jī)膠帶充填也稱為充填巷采。該充填技術(shù)是一項(xiàng)旨在減少礦井環(huán)境污染、節(jié)能減排、實(shí)現(xiàn)煤礦“三下”采煤的最新技術(shù)研究［7］，其工藝流程根據(jù)礦井的條件而設(shè)計(jì)。一般情況下，其工藝流程如圖3所示。

充填巷采系統(tǒng)工藝流程:巖巷掘進(jìn)的矸石裝車后經(jīng)軌道大巷、運(yùn)料車場(chǎng)進(jìn)入充填工程上部車場(chǎng)運(yùn)至矸石倉(cāng)上口，由推車機(jī)、翻車機(jī)將矸石翻入矸石倉(cāng)，經(jīng)破碎機(jī)把矸石破碎到≤150mm粒徑，再由給料機(jī)、膠帶運(yùn)到充填巷，經(jīng)輸送機(jī)拋射充填，矸石在較干燥的情況下邊充填、邊灑水，以利于矸石堆集。

矸石充填經(jīng)拋?lái)纺z帶充填完成后，對(duì)巷道回填矸石上部的空隙采用注漿法加以充填密實(shí)。管道輸送充填注漿系統(tǒng)位于輸送機(jī)后面，矸石通過膠帶到達(dá)篩分設(shè)備后篩分出粒徑小于5mm的粉末，然后加注水泥、粘結(jié)劑等制成漿體物料，由注漿系統(tǒng)注入充填矸石上部空隙，通過回填矸石的縫隙將漿液流入回填矸石中起到凝結(jié)作用，同時(shí)將頂部空隙充滿，使巷道的充填率達(dá)到最好。

圖2 泵送高濃度膠結(jié)材料充填系統(tǒng)工藝流程

圖3 巷道矸石充填系統(tǒng)工藝流程

2.3 采空區(qū)架后刮板輸送機(jī)漏矸充填系統(tǒng)

采空區(qū)架后刮板輸送機(jī)漏矸充填工作面采用走向長(zhǎng)壁后退式采煤法，生產(chǎn)工藝采用綜采工藝［8－9］。采用雙滾筒采煤機(jī)割煤、裝煤。工作面矸石充填采用專用充填液壓支架后懸150刮板輸送機(jī)運(yùn)矸，充填液壓支架如圖4，矸石通過溜槽卸載孔，自下而上進(jìn)行采空區(qū)充填，充填過程中可采用卸矸溜槽之間增加普通溜槽的方式，調(diào)整卸矸溜槽孔距以保證充填效果。

圖4 采空區(qū)架后刮板輸送機(jī)漏矸充填液壓支架

采空區(qū)架后刮板輸送機(jī)漏矸充填系統(tǒng)工藝流程有2種:

（1）先采后充:煤機(jī)割煤至溜頭或溜尾→移溜、拉架→順直工作面充填溜子→開動(dòng)充填溜子→開動(dòng)工作面軌道巷運(yùn)矸膠帶運(yùn)矸→工作面充填→（充填完畢后按相反操作）停止運(yùn)矸膠帶→停止充填溜子→衛(wèi)生清理。

（2）邊采邊充:煤機(jī)割煤→移溜、拉架→開動(dòng)充填溜子→開動(dòng)工作面軌道巷運(yùn)矸膠帶運(yùn)矸→工作面前方采煤后方充填→ （充填完畢后按相反操作）停止運(yùn)矸膠帶→停止充填溜子→衛(wèi)生清理。

2.4 混凝土膏體材料充填沿空留巷系統(tǒng)

到目前為止，我國(guó)對(duì)薄及中厚煤層采煤工作面的沿空留巷技術(shù)已日趨完善，巷旁支護(hù)、巷內(nèi)支護(hù)、加強(qiáng)支護(hù)及煤幫加固技術(shù)已經(jīng)成熟。

新巷旁支護(hù)應(yīng)用混凝土膏體速凝材料進(jìn)行整體澆注充填，克服了以往巷旁支護(hù) （如矸石帶、混凝土砌塊等）增阻速度慢、初撐力低等缺點(diǎn)，混凝土膏體速凝材料的早強(qiáng)和速凝特性，使得充填體在工作面后方10m以內(nèi)就可以達(dá)到其支護(hù)阻力的60%以上［10－12］。

采煤工作面采用單一走向長(zhǎng)壁、區(qū)內(nèi)后退式綜合機(jī)械化采煤法，一次采全高，軌道巷采用混凝土膏體材料充填沿空留巷，每次充填長(zhǎng)度2400mm，寬度 2500mm，充填體在軌道巷內(nèi)的寬度為900mm，在采空區(qū)的寬度為1600mm，其余采空區(qū)頂板為自然垮落法處理。沿空留巷充填材料選用膏體混凝土，其主要成份是:硅酸鹽水泥、碎石、砂子、粉煤灰、添加劑及水拌和的膏體混凝土。

采煤工藝流程為:割煤→推溜 （裝、運(yùn)煤）→移架→充填，每推進(jìn)3個(gè)步距，充填1次。本工作面計(jì)劃按照“兩采兩充”組織施工，每個(gè)采煤班生產(chǎn)3刀，每天生產(chǎn)6刀。

混凝土膏體材料充填沿空留巷充填系統(tǒng)工藝流程，如圖5所示。

圖5 沿空留巷工藝流程

3 結(jié)論

（1）為適應(yīng)村莊等建筑物不搬遷采煤的需要，逐漸發(fā)展了充填開采、部分開采、采空區(qū)冒矸空隙注漿充填、覆巖離層區(qū)注漿、完全開采、順序開采、協(xié)調(diào)開采、連續(xù)開采、對(duì)稱背向開采、同時(shí)開采等一系列建筑物下、鐵路下、水體下采煤方法。就控制地表沉陷效果來(lái)說(shuō)，充填開采無(wú)疑是最有效的方法。

（2）對(duì)于現(xiàn)代煤礦充填技術(shù)的應(yīng)用分類，是近幾年我國(guó)煤礦比較常用的充填采礦技術(shù)，有些充填技術(shù)沒有羅列，例如水砂充填、風(fēng)力充填等在現(xiàn)代煤礦中利用較少，也不是煤礦充填開采技術(shù)的發(fā)展方向。而對(duì)于未來(lái)充填技術(shù)的發(fā)展，必須滿足控制地表變形、處理礦井廢棄物、保障礦井產(chǎn)量、降低充填成本等條件，只有同時(shí)滿足這些條件的充填采礦方法才是真正意義的綠色開采。

（3）隨著綠色開采理論的提出，充填采礦技術(shù)擁有了更廣闊的發(fā)展空間，但發(fā)展的同時(shí)也存在許多問題需要完善，例如干式矸石充填其充填體的壓縮率較大，最終產(chǎn)生的地表變形較大，對(duì)地表沉陷控制要求較高的場(chǎng)合該方法不太適合;膏體充填與高濃度膠結(jié)材料充填其充填成本過高，存在充填工作面積水與淤泥過多等問題，而所有充填采礦的主要問題還是充填工作面產(chǎn)量過低。因此，對(duì)于以后充填開采技術(shù)的研究提出了更高的要求。

（4）煤礦充填開采技術(shù)的工藝與設(shè)備已趨于完善，但是對(duì)于充填開采技術(shù)的理論研究還很缺乏，在充填開采條件下頂板及上覆巖層的活動(dòng)與破壞規(guī)律、充填工作面礦山壓力顯現(xiàn)規(guī)律等問題還需做更深入的研究。

［1］錢鳴高，許家林，繆協(xié)興.煤礦綠色開采技術(shù)［J］.中國(guó)礦業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2003（04）:343－348.

［2］錢鳴高，許家林，繆協(xié)興.煤礦綠色開采技術(shù)的研究與實(shí)踐［J］.能源技術(shù)與管理，2004（04）:1－4.

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［4］孫文標(biāo)，郭軍杰，張建立，等.煤系固體廢棄物用作充填材料改善煤礦安全和環(huán)境狀況［J］.礦業(yè)安全與環(huán)保，2008 （01）:70－72.

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Stow ing Mining Technology Development and Classification of Chinese Modern Coal Mine

LIYang，YANG Bao-gui

（Resources＆Safety Engineering School，China University of Mining＆Technology（Beijing），Beijing 100083，China）

Stowingmining is common technology approach ofmining coalunder river，railway and building，and is also important component of greenmining technology system On the basis of introducing Chinese stowingmining technology，this paper re-classified modern stowing technologies 4 stowing technologies including stowing of cementitousmaterialwith high consistency by pump，refuse stowing by belt in roadway，stowing by scraper behind support，stowing with concrete pastematerialwere introduced The shortcomings of current stowing technologies and development tendency were analyzed as well

stowingmining;application classification;stowing technology

TD823.7

A

1006-6225（2011）05-0001-04

2011－08－11

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目 （51104162）;國(guó)家科技支撐計(jì)劃課題 （2009BAB48B02）

李 楊 （1982－），男，河北唐山人，在讀博士，主要研究方向煤礦綠色開采，充填開采。

［責(zé)任編輯:施紅霞］

巷道工程