煤礦膠結(jié)充填開采新工藝探討

劉惠平

(山西焦煤集團(tuán)公司安監(jiān)局，山西 太原 030024)

近年來，我國(guó)煤炭產(chǎn)量一直呈增長(zhǎng)態(tài)勢(shì)，導(dǎo)致煤矸石等井下固體廢棄物在地面的大量堆積、煤矸石風(fēng)化、煤炭顆粒揚(yáng)塵等諸多問題。特別是隨著我國(guó)部分大中城市出現(xiàn)霧霾等極端天氣后，環(huán)境保護(hù)越來越受到關(guān)注，煤炭企業(yè)在關(guān)注生產(chǎn)的同時(shí)，也要考慮環(huán)境因素，盡量減小煤炭開采對(duì)環(huán)境造成的破壞。但實(shí)際上，由于中小型礦井產(chǎn)量有限，開采裝備落后，安全形勢(shì)嚴(yán)峻。因此，我國(guó)的煤炭企業(yè)應(yīng)逐漸重組做大。隨著單個(gè)礦井產(chǎn)量的增加，在以垮落法這種傳統(tǒng)工藝為主，處理采空區(qū)頂板時(shí)，必然造成地表下沉情況更加嚴(yán)重。同時(shí)，長(zhǎng)期堆積的煤矸石、電廠粉煤灰等廢物無法得到及時(shí)有效的解決，也制約了綠色礦井、和諧礦山的建設(shè)。

充填開采是解決地表下沉問題的重要手段之一，特別是采用全采全充，能夠很好地保護(hù)地面建筑物，實(shí)現(xiàn)降低環(huán)境損害開采［1－2］。而且，充填開采可以采用以煤矸石、粉煤灰等為主要原材料的膠結(jié)充填技術(shù)，減少地表固體廢棄物的數(shù)量。但現(xiàn)有的充填技術(shù)存在諸多弊端，本文結(jié)合充填開采技術(shù)，對(duì)煤礦膠結(jié)充填開采新工藝進(jìn)行了探討。

1 煤礦膠結(jié)充填開采的現(xiàn)狀

1.1 煤礦膠結(jié)充填開采

一般認(rèn)為，膠結(jié)充填采礦法是指使用河砂、碎石、石塊或尾礦等固體塊狀物為骨料，經(jīng)加工到一定粒徑后與膠結(jié)材料(一般可使用水泥或石灰類等具有膠結(jié)性質(zhì)的材料)混合制漿，制備好的漿體通過鉆孔或管道進(jìn)入到充填區(qū)域，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的充填［3］。在具體運(yùn)輸上，一般都是由地面制備好漿體，利用由上向下的通道以管道泵輸送或重力自流的方式將料漿送到充填區(qū)。因此，當(dāng)漿體的濃度適宜時(shí)，能夠很快到達(dá)充填區(qū)。總的說來，膠結(jié)充填采礦法充填速度快、充填量大、工藝簡(jiǎn)單，料漿所形成的充填體強(qiáng)度大，能夠有效地控制地表塌陷，保護(hù)地表建筑物。在我國(guó)最初應(yīng)用在金屬礦山的膠結(jié)充填技術(shù)，近年來，在煤礦也得到了應(yīng)用，取得了良好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1.2 現(xiàn)有煤礦膠結(jié)充填存在的問題

煤礦充填效率低下是影響煤礦充填開采技術(shù)發(fā)展的重要原因。因?yàn)槌涮铋_采增加了企業(yè)的運(yùn)營(yíng)成本，雖然采出了部分地下呆滯煤炭，但如果不能通過產(chǎn)量實(shí)現(xiàn)有效盈利，煤企對(duì)于應(yīng)用充填開采技術(shù)還是保持觀望態(tài)度。分析我國(guó)當(dāng)前充填開采的具體情況，制約煤礦充填開采能力的原因主要在于［4］:

1)充填系統(tǒng)能力有限。

目前，國(guó)內(nèi)能夠在生產(chǎn)實(shí)踐中可靠運(yùn)行的充填系統(tǒng)能力可以達(dá)到150 m3/h，國(guó)外則能夠達(dá)到250 m3/h。因此，研究開發(fā)適合煤礦充填開采需要，充填能力大的充填系統(tǒng)勢(shì)在必行。

2)充填料漿凝固較耗時(shí)。

煤礦膠結(jié)充填料漿凝固時(shí)間一般控制在4 h，凝固時(shí)間太長(zhǎng)會(huì)影響工作面的生產(chǎn);時(shí)間太短，則一旦發(fā)生故障，維修時(shí)間不足，并且充填材料的成本過高。如果按“四六”制安排生產(chǎn)作業(yè)，即1天的作業(yè)循環(huán)為:采煤—充填與凝固—采煤—充填與凝固，1天的純充填時(shí)間最多為4 h，充填能力按150 m3/h，煤的容重按1.4 t/m3計(jì)算，則工作面日產(chǎn)最高為560 t，年產(chǎn)最高為18.13萬t。如果按“三八”制安排生產(chǎn)作業(yè)，即1天的作業(yè)循環(huán)為:采煤—充填—凝固，1天的純充填時(shí)間可以達(dá)到8 h。但由于只有1個(gè)采煤班，受到控頂距的限制，工作面進(jìn)尺按2.4 m，工作面長(zhǎng)度按100 m計(jì)算，假設(shè)煤層厚度為3 m，煤的容重按1.4 t/m3計(jì)算，則工作面日產(chǎn)為1080 t，充填時(shí)間為7.2 h，工作面年產(chǎn)量可達(dá) 33.26 萬 t。

3)采煤與充填無法平行作業(yè)。

目前，實(shí)施充填開采的礦山都沒有實(shí)現(xiàn)采煤與充填凝固的平行作業(yè)，大多數(shù)采用的工藝流程為“采煤—充填與凝固—采煤—充填與凝固”。無論工作制度是“四六”制還是“三八”制，采煤達(dá)到1個(gè)充填步距后，接著進(jìn)行充填，然后等待充填料漿的凝固，充填和凝固占據(jù)了較長(zhǎng)的工作時(shí)間，純生產(chǎn)時(shí)間較短，導(dǎo)致工作面生產(chǎn)能力偏低。

2 煤礦充填開采新工藝的提出

從以上分析可以看出，提高現(xiàn)有充填開采的能力，必須從提高充填系統(tǒng)能力、改善充填工藝角度出發(fā)。但充填系統(tǒng)的能力需要大量設(shè)備的投入，單純依靠機(jī)械數(shù)量的增加，并不能從根本上解決充填效率低下的問題。而且即使設(shè)備增加了，充填與煤炭開采還是不能實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)。因此，可以通過實(shí)施工作面采煤與充填凝固的平行作業(yè)來實(shí)現(xiàn)。思路是設(shè)法將充填材料的充填與凝固時(shí)間與工作面采煤時(shí)間重合，從而大大縮短現(xiàn)有工藝中充填與凝固所占用的時(shí)間，大幅度增加采煤時(shí)間，以達(dá)到提高工作面生產(chǎn)能力的目的，該思路可以通過新的充填工藝來實(shí)現(xiàn)。

新的充填工藝可以通過在煤層的老頂中掘進(jìn)專門的充填巷道，并利用充填巷道底板的鉆孔從采空區(qū)的上方進(jìn)行充填。即在工作面的上方老頂中掘進(jìn)一條走向巖巷，井下的充填設(shè)備安裝在老頂巖巷中，通過底板向下方的采空區(qū)打鉆孔，利用鉆孔向采空區(qū)注漿充填，實(shí)現(xiàn)采空區(qū)的充填和工作面的回采互不影響［5］。

假設(shè)近水平工作面的長(zhǎng)度為100 m，工作面的周期來壓步距為25 m，設(shè)計(jì)充填步距為15 m，工作面采用高濃度的膠結(jié)充填。在工作面的上方傾向中央掘一條走向方向的巷道，巷道位于煤層的老頂中，在巷道底板走向方向布置3個(gè)鉆孔，每個(gè)鉆孔的方向不同，使每個(gè)鉆孔的方向在工作面傾向方向上平均分布，在地面建立充填站，把砂子、粉煤灰、膠結(jié)料和水配制成膏體充填料漿，采用充填泵把膏體充填料漿通過充填管路由地面輸送到井下工作面上方老頂巷道中，在直接頂尚未垮落前，通過鉆孔及時(shí)充填滿采空區(qū)，實(shí)現(xiàn)有效控制地表沉陷，使充填的效果最佳。其工作巷道及鉆孔的布置示意圖見圖1。

3 煤礦充填開采新工藝的可行性及優(yōu)缺點(diǎn)

3.1 新工藝的可行性

該工藝是針對(duì)現(xiàn)有充填開采生產(chǎn)能力較低提出的，但從理論上分析具有較大可行性。

由假設(shè)可知，工作面的周期來壓步距為25 m，采空區(qū)的充填步距取15 m，充填步距為周期來壓步距的60%，這樣就可以實(shí)現(xiàn)在老頂及直接頂沒有垮落之前就完成采空區(qū)的充填，充填體對(duì)頂板起到了支護(hù)的作用，控制了巖層的移動(dòng)及向地表的延伸，同時(shí)也保證了充填巷道的完整性。在實(shí)際應(yīng)用中，工作面的充填步距隨著工作面周期來壓步距的變化而改變，基本保持充填步距為周期來壓步距的60%左右，理論上能達(dá)到良好的充填效果。

由圖1可知，充填漿料在鉆孔中的輸送為重力自流輸送，相比砂泵加壓輸送，豎直鉆孔中流體的阻力變小，且由于重力的作用，鉆孔中的充填料更容易流動(dòng)。充填料的出料口在采空區(qū)的上方，若要完全充滿采空區(qū)，必須保證前后兩次的充填范圍有交叉，即要求從每個(gè)鉆孔流出的充填料的流動(dòng)范圍約為15 m。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)及圖1中鉆孔的布置情況可知，新的充填系統(tǒng)可以充滿采空區(qū)。

圖1為近水平煤層鉆孔布置方式，實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)煤層的傾角及工作面的長(zhǎng)度等情況，適當(dāng)?shù)恼{(diào)整鉆孔的數(shù)量和鉆孔的方向，使新的充填工藝適用于不同的開采條件。

3.2 新工藝的優(yōu)點(diǎn)

采用頂板巷道加鉆孔的充填工藝，其最大的優(yōu)點(diǎn)是充填不影響工作面的回采，達(dá)到了采煤和充填的完全平行作業(yè)。無論工作面采用“四六”制作業(yè)還是“三八”制作業(yè)，與已有的充填方式(采煤—充填—采煤)相比，充填時(shí)間不占用采煤時(shí)間，充填時(shí)間與采煤時(shí)間完全重合，生產(chǎn)時(shí)間的增加，使得工作面生產(chǎn)能力可以得到顯著提高。

新工藝可大幅度提高充填時(shí)間，在現(xiàn)有系統(tǒng)的充填能力條件下，有利于提高充填開采工作面產(chǎn)能。由于新工藝可實(shí)現(xiàn)平行作業(yè)，增加了工作時(shí)間中凈充填的時(shí)間，盡管目前國(guó)內(nèi)能夠在生產(chǎn)實(shí)踐中可靠運(yùn)行的充填系統(tǒng)最大能力僅150 m3/h，在現(xiàn)行的工藝中能力偏低，由于新工藝充填時(shí)間的增加，彌補(bǔ)了充填系統(tǒng)能力的不足，有利于提高工作面產(chǎn)能。

充填采空區(qū)采用高濃度充填料，充填料漿的脫水控制在3%以內(nèi)，減少了充填體沉縮、料漿離析和脫水，脫水量小，可以減少工作面的排水量，保證了工作面的生產(chǎn)環(huán)境。

實(shí)踐證明，厚煤層分層膠結(jié)充填開采在技術(shù)上是可行的，但是，目前還沒有應(yīng)用于放頂煤開采。新工藝的提出，為解決厚煤層充填開采提供了新的途徑［6］。

采用新工藝能夠提高現(xiàn)有充填系統(tǒng)的充填能力和煤炭采出率。因此，該工藝是值得研究的充填開采新方向。

3.3 新工藝的缺點(diǎn)

與原有的充填工藝相比，新的充填工藝中需要在煤層的老頂巖層中掘進(jìn)一條巖石巷道，增加了工作面準(zhǔn)備的工程量，且在巷道圍巖不穩(wěn)定時(shí)需要對(duì)巷道進(jìn)行支護(hù)，增加了巷道的維護(hù)費(fèi)用及鉆孔的費(fèi)用。對(duì)于軟弱易垮落頂板，該工藝在實(shí)際充填中還要解決鉆孔被堵死等問題。同時(shí)，采用新的充填工藝實(shí)現(xiàn)采煤與充填的平行作業(yè)，需要增加上部巷道工作人員和下部充填效果監(jiān)測(cè)人員間的相互配合及通信工作，施工現(xiàn)場(chǎng)的組織管理比較復(fù)雜、協(xié)調(diào)工作量加大。

4 結(jié)論

充填開采是利于環(huán)境保護(hù)的開采方式，具有廣闊的應(yīng)用前景。在生產(chǎn)實(shí)踐中以高濃度膠結(jié)充填技術(shù)為代表的膠結(jié)充填技術(shù)，能夠很好地實(shí)現(xiàn)料漿輸送、控制地表沉降，代表了膠結(jié)充填開采的發(fā)展方向。在加強(qiáng)充填工作面的頂板管理質(zhì)量，改善膠結(jié)充填料漿的性能等基礎(chǔ)上，通過在煤層的老頂中掘進(jìn)巷道，沿巷道的底板布置鉆孔，利用鉆孔從采空區(qū)的上方進(jìn)行充填的技術(shù)，能夠使工作面的回采與采空區(qū)的充填平行作業(yè)，提高工作面的生產(chǎn)效率。新的充填系統(tǒng)有很多優(yōu)點(diǎn)，在理論上是可行的，同時(shí)也存在一些不足。尋找克服缺點(diǎn)的方法，以促進(jìn)該新工藝盡早應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，推動(dòng)充填開采技術(shù)的發(fā)展，是我們今后工作的主要方向。

［1］楊寶貴，王俊濤，李永亮，等.煤礦井下高濃度膠結(jié)充填開采技術(shù)［J］.煤炭科學(xué)技術(shù)，2013，41(08):22－26.

［2］李 楊，楊寶貴.我國(guó)現(xiàn)代煤礦充填技術(shù)發(fā)展及其分類［J］.煤礦開采，2011，16(5):1－4.

［3］孫恒虎，黃玉誠(chéng)，楊寶貴.當(dāng)代膠結(jié)充填技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2002:65－67.

［4］武青林，楊寶貴，趙立華，等.提高充填開采的生產(chǎn)能力研究［J］.中國(guó)煤炭，2011(1):53－55.

［5］楊寶貴，孫恒虎，崔希民，等.采空區(qū)膠結(jié)充填與礦山可持續(xù)發(fā)展［G］.中國(guó)煤炭學(xué)會(huì)第六屆青年科技學(xué)術(shù)研討會(huì)論文集，2000:232－235.

［6］杜學(xué)領(lǐng)，楊寶貴.厚煤層高瓦斯礦井高效充填井下鉆孔布置［J］.煤礦開采，2013，18(6):74－77.