煤矸石充填置換技術(shù)存在的問題及分析

李潔瑩

(中國(guó)礦業(yè)大學(xué)安全工程學(xué)院，江蘇 徐州 221008)

煤矸石充填采空區(qū)的采煤方法是實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開采的關(guān)鍵技術(shù)之一［1］。該技術(shù)解決了煤矸石固體廢棄物露天堆積和因采煤造成的地表塌陷等問題，減少了礦區(qū)環(huán)境污染和采區(qū)地表沉降。同時(shí)用矸石置換預(yù)留煤柱，提高了煤炭資源回收率。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)“三下”壓煤達(dá)137億t，如果采用國(guó)內(nèi)應(yīng)用較為普遍的條帶開采方法回收“三下”壓煤，那么采出率也只有30%。此外作為固體廢棄物的矸石因其排放量比較大并且要提升至地面，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且占用土地，污染環(huán)境。而采用矸石填充置換技術(shù)就可以就地處理煤矸石，在井下實(shí)現(xiàn)煤與矸石分離，然后將矸石充填到采空區(qū)或者置換“三下”壓煤，這樣就可以提高煤炭資源回收率，實(shí)現(xiàn)廢棄資源的再利用，優(yōu)化礦區(qū)環(huán)境。當(dāng)前矸石充填置換技術(shù)已經(jīng)在全國(guó)多數(shù)礦區(qū)普及，相關(guān)技術(shù)已趨成熟。該技術(shù)在新汶礦業(yè)集團(tuán)已得到成功應(yīng)用并且取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。新汶礦業(yè)集團(tuán)下屬翟鎮(zhèn)煤礦與北京煤科院共同設(shè)計(jì)開發(fā)了ZZ2600/13/20．5BXI型充填支架和專用充矸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了前方采煤后方填充的連續(xù)機(jī)械化作業(yè)要求，達(dá)到矸不升井的目標(biāo)［2］。此外在大興煤礦2212炮采工作面傾斜煤層也成功利用了矸石充填技術(shù)。由于煤礦開采所依賴的地質(zhì)構(gòu)造、水文、瓦斯等條件較為復(fù)雜，相關(guān)技術(shù)的使用必須符合礦井的開采條件。煤矸石充填置換技術(shù)在高瓦斯礦井中使用會(huì)存在一定的問題和受一定條件限制。

1 充填置換技術(shù)存在的問題

高瓦斯礦井中煤層的瓦斯含量較普通礦井大，掘進(jìn)和回采過程中瓦斯涌出量大，并且存在采空區(qū)積聚瓦斯的問題。高瓦斯礦井中使用局部瓦斯治理措施實(shí)行煤層瓦斯抽采和采空區(qū)瓦斯抽放，在使用煤矸石充填采空區(qū)會(huì)對(duì)使本來已經(jīng)卸壓鄰近煤層造成一定影響。使用煤矸石置換煤柱，可以減少煤柱和浮煤釋放的殘余瓦斯，但在封堵不嚴(yán)存在漏風(fēng)的情況仍然會(huì)導(dǎo)致瓦斯積聚。煤矸石的產(chǎn)量占原煤的比例較低，不可能對(duì)所有采空區(qū)進(jìn)行充填，對(duì)所有煤柱進(jìn)行置換。也就是掘進(jìn)中產(chǎn)生的煤巖和回采中分離出來的煤矸石，在煤炭開采的后期是短缺的。況且對(duì)采空區(qū)進(jìn)行填充，即便是壓實(shí)了矸石，但是由于煤矸石的塊狀結(jié)構(gòu)必然對(duì)瓦斯和空氣有較高的滲透率，在封堵不嚴(yán)的情況下容易產(chǎn)生局部高溫點(diǎn)造成采空區(qū)自燃火災(zāi)。這些問題在矸石充填和置換技術(shù)在高瓦斯礦井中的使用要加以考慮。

2 存在的問題分析

2．1 充填對(duì)瓦斯抽采的影響

我國(guó)多數(shù)高瓦斯礦井的煤層透氣性低，瓦斯抽采和抽放困難。高瓦斯礦井進(jìn)行開采前要進(jìn)行瓦斯抽采或抽放，煤層的滲透率低，一般需要先進(jìn)行卸壓，然后進(jìn)行抽采。在上鄰近層的煤層回采完畢的情況下，下層煤卸壓區(qū)內(nèi)煤層膨脹變形，透氣性系數(shù)顯著增加，有利于瓦斯抽采。在高瓦斯礦井中使用充填置換技術(shù)把煤矸石運(yùn)送至采空區(qū)，勢(shì)必對(duì)下鄰近層重新加壓，不利于開采過程中瓦斯的抽采和抽放，容易導(dǎo)致回采過程中瓦斯涌出、煤與瓦斯突出等災(zāi)害事故發(fā)生。在高瓦斯礦井中，使用煤矸石充填技術(shù)時(shí)，要考慮充填后對(duì)開采煤層的影響，可以采用先開采下層煤，后采上層煤;或者是在充填過程中就對(duì)下鄰近煤層進(jìn)行瓦斯抽采或抽放;也可以考慮采用間隔充填法，隔一段距離進(jìn)行充填，這樣可以減小對(duì)下鄰近層的壓力，在下層煤回采完畢后，用注漿充填空隙，防止瓦斯積聚。

2．2 煤矸石充填置換對(duì)采空區(qū)漏風(fēng)影響

對(duì)開采過程中的預(yù)留煤柱用煤矸石進(jìn)行置換可以提高煤炭回收率，減少煤炭開采損失，有利于提高礦井開采年限。對(duì)于“三下”壓煤采用煤矸石充填置換技術(shù)可以減少地表塌陷，并且使用煤矸石置換煤柱可以減少煤柱和浮煤解析的殘余瓦斯，減少采空區(qū)的瓦斯來源。通過充填矸石達(dá)到使矸石支撐頂板，減少巷道變形量，保證巷道的完整性，替代以單體支架、木垛支護(hù)為主的傳統(tǒng)支護(hù)方式，節(jié)約大量的留巷支護(hù)材料和支護(hù)費(fèi)用［3］。但由于煤矸石堆積的密度和強(qiáng)度較小，使其在地應(yīng)力作用下造成頂板下沉量加大，而煤體支撐屬于剛性支撐，頂板下沉量較?。?］，并且煤矸石置換煤柱以后還要采用二次支護(hù)來加強(qiáng)頂板控制，維護(hù)工作量較大。對(duì)采空區(qū)密封之后，由于煤矸石本身的塊狀結(jié)構(gòu)和頂板下沉容易造成采空區(qū)內(nèi)漏風(fēng)加大，鄰近層的瓦斯進(jìn)入采空區(qū)，造成采空區(qū)瓦斯涌出。此外如果煤層易自燃，在存在漏風(fēng)的情況下容易導(dǎo)致浮煤的自燃。所以，針對(duì)上述問題要加強(qiáng)采空區(qū)的密閉防止漏風(fēng)，也可以從地面注漿，將采空區(qū)充填解決漏風(fēng)問題。

2．3 煤矸石短缺問題

全部充填技術(shù)可以減少礦井沖擊地壓對(duì)巷道的影響，在充填及時(shí)、足量的情況下可以做到不形成垮落帶，導(dǎo)水裂隙帶的高度也大大減少，減少因采動(dòng)引起的煤層上覆巖層破壞造成的裂隙導(dǎo)水。同時(shí)完全充填采空區(qū)可以減少瓦斯積聚，減少全部垮落法采煤造成的采空區(qū)漏風(fēng)對(duì)預(yù)防煤自燃發(fā)火效果明顯［4］。但煤矸石在原煤中占很少的比例，尤其是含矸量少的礦井，在充填的前期矸石主要來源于掘進(jìn)工作面、洗煤廠和地面矸石山回填，隨著采空區(qū)面積的加大完全充填所需的矸石量是不夠的，不足以完全充填采空區(qū)。同樣置換預(yù)留煤柱，矸石量也不能滿足需求。全部充填工藝在應(yīng)用中噸煤會(huì)增加近百元的直接成本，如果矸石短缺從地面運(yùn)送充填材料(粉煤灰、沙土、建筑垃圾等)，將增加噸煤成本。考慮到矸石短缺，對(duì)于高瓦斯礦井可以采取間隔充填，每隔一段距離充填一段，這樣既可以對(duì)下鄰近層卸壓，又可以防治沖擊地壓、地表塌陷。同時(shí)做好每段充填矸石的密封和頂板管理，防止裂隙出現(xiàn)導(dǎo)致漏風(fēng)。對(duì)于置換煤柱應(yīng)該保留一部分煤柱，即置換部分煤柱，這樣一方面可以提高回采率，另一方面可以減少頂板下沉和后期維護(hù)。此外要加強(qiáng)采空區(qū)瓦斯治理，對(duì)高瓦斯礦井要保留部分煤柱以預(yù)防采空區(qū)瓦斯積聚，加強(qiáng)回風(fēng)隅角的瓦斯抽放。

3 結(jié)論

本文討論了煤矸石充填技術(shù)在高瓦斯礦井中使用存在的問題。1)在高瓦斯礦井中使用充填技術(shù)要考慮對(duì)下鄰近煤層的影響，使用間隔充填，減少對(duì)下層煤層的壓力，有利于煤層的瓦斯抽采和抽放。2)在置換煤柱方面，要保留部分煤柱，置換一部分煤柱，這樣有利于頂板支護(hù)，減少頂板下沉。3)應(yīng)加強(qiáng)采空區(qū)的漏風(fēng)管理、頂板管理和通風(fēng)管理，防治瓦斯涌出。此外完全充填存在煤矸石的短缺問題，其它充填材料的回填以及后期管理維護(hù)問題增加了噸煤的成本，需要加以綜合考慮。

［1］ 劉元明，丁 瑞，田 偉，等．煤矸石井下充填置換技術(shù)的研究與應(yīng)用［J］．煤炭加工與綜合利用，2009(5)：50－52．

［2］ 李錢坤，張 忠，華興斌．綜采矸石充填技術(shù)在翟鎮(zhèn)煤礦的應(yīng)用［J］．山東煤炭科技，2008(6)：24－25．

［3］ 宋 博，蘇成林．淺析矸石充填技術(shù)在傾斜煤層的應(yīng)用［J］．山東煤炭科技，2009(3)：5－6．

［4］ 公茂泉．推廣矸石充填技術(shù) 實(shí)現(xiàn)煤礦綠色開采［J］．山東煤炭科技，2010(1)：2－4．