矿山充填开采技术分析

矿山充填开采技术分析

徐志刚

中国平煤神马集团十一矿 河南 平顶山 467000

摘要：矿山充填开采技术通常是"三下"压煤开采的技术方法,而且也有利于发展煤矿相关绿色开采技术。为积极响应煤矿产业可持续发展与环境保护的号召，本文意在浅析煤矿充填开采技术的必要性。本文对我国目前三种充填开采技术（固体充填、煤矿膏体充填和高水充填）的技术特点及这三种充填技术具体应用原理进行了简要介绍,并简单分析了现行煤矿充填技术的发展。

关键词：充填技术；固体充填；作用分析

一、充填开采技术研发背景

我国"三下"(包括村庄下、道路下、水体下)压煤能力已高达143亿吨,占全国可采用煤炭资源总储量7.2%。全国累计统配"三下"压煤产量高达137.9亿吨。东部地区由于人口密集,"三下"压煤严重,大部分矿井"三下"压煤产量仅仅占到了实际可采储量的40%,部分矿井的实际可采储量均被称为"三下"压煤。

据资料统计，全国煤矿有待开发和开发中的矸石山1600余座，约存在55亿吨矸石堆积量，综合占地面积约22.5万亩。对空气、地下水、土地造成一定程度上的污染，且易自然、爆炸，严重影响了矿区周边居民的生活与安全问题。煤矿区电厂有大量粉煤灰排放，近来排放累计达5亿吨以上，目前每年新增约5千万到7千万吨。

煤炭传统开采方法为垮落法，垮落法会引起土地塌陷，每年造成的塌陷面积约60万亩，受影响土地面积可达到900万亩。每年因开采煤炭排放矿井水超80亿立方米，新增破坏耕地约115万亩。

基于以上问题专家提出充填开采技术思路，利用矿区固体废弃物填入采空区置换“三下”压煤，从而实现矿区资源开采与环境协调发展。

二、充填开采技术发展分类

在19世纪60年代之前，我国煤矿充填一直采用干式充填法开采，直到1960年以后，尾矿充填和膏体充填技术才逐渐取代干式充填方法。他们由德国的膏状灌装技术衍变而来，德国的告状罐装技术是一种绿色采矿技术，优点是安全性高，回收率高和环保，它已在包括中国在内的全球多数国家使用。基本技术方法是将固体废物（粉煤灰、煤矸石，劣质土壤等）制成浆状浆料膏体，使用压力泵或结构方法把膏体从管道送往采空区，充填膏体充填材料的强度直接影响膏体充填的效果，充填膏体后，地面沉降将大大减少。这项新技术既有利于减少煤矿生产过程中的污染问题，也比较适合解决乡村等特殊地区建筑物下的规模化煤矿开采问题。

目前，就充填材料和充填体的状态而言，我国用煤矿充填主要分为三类：煤石的固体压实充填，灌浆膏体充填和高水质充填。

煤石的固体压实本质上是干式充填方法，通常情况下用的材料主要有：矸矿石、粉煤灰、黄土、风积沙、建筑垃圾、露天矿排土等。隧道和煤矿开采中产生的废弃煤石被直接压碎运送至采空区，另将通过机器将准备好的固体材料直接充入采空区，不需要添加任何胶结辅料，然后通过机械，进行物理压实，并利用充分压实的固体材料作为支撑，以达到控制沉降的目的，充填体前期强度高，受开采影响岩层移动发生概率较小。

煤矿的膏体充填是将非固体材料（煤矸石，粉煤灰，水泥和其他添加剂）充分混合制成膏体，利用泵站通过管道泵，然后运至采空区，膏状充填材料相对而言，对于糊状充填材料而言，浆液浓度较低且含水量较高，并且可以通过重力将其输送至井下。

高水充填主要是将特制的高水材料（A料B料）与水混合，利用泵站，然后将其注入采空区，浆料可以在一定时间内凝结以实现采空区充填，超高水材料的水含量可以达达到97％以上，高水填充开采技术使用的固体物料量可以根据实际情况减少，解决了煤矿井下固体物料不足的问题。

三、固体充填采煤一体化技术的机械原理

综合机械化固体充填采煤一体化技术，技术原理是使用各种固体垃圾和废弃物如建筑垃圾等为充填材料，通过建设配套的充填输送系统或投放系统进行工作，将材料运送至充填采煤工作空间，在采空区压实充填过程中，刮板充填输送机和综采液压支架起着很大的作用。在技术应用过程中，也解决了输送通道、充填密集、充填空间等问题。采煤工作面的布置与传统方式相同。整合技术促进了采煤和充填作业在工作面布置上的并行作业，提高了作业效率。

在同一液压支架下，综合机械化固体充填采矿可实现两种作业任务。为了保证回填体的效率和连续性，需要在地表建立固体回填体运输系统，将固体回填体运输到所需位置。在输送系统中，应设置一个进料井和多个输送系统，并在井下设置输送通道，以确保最终固体充填物料进入灌装机。这种技术在井下结构布置上与传统开采技术基本一致。最大的区别是它有一套独有的装置布置在采空区内，综采充填是在液压支架的后方增加了1部高度可以调节的充填材料刮板输送机，进风侧配有输送带输送固体物料。这种安排可以有效地在一整个工作系统中把开采和充填工作结合在一起。在刮板底部设有卸料孔，通过液压千斤顶控制开合，以实现矸石的漏放。地面或井下矸石利用皮带输送至支架后方的刮板输送机上，通过刮板输送机上的漏口使矸石依次连续漏放至采空区，从而达到充填的目的。一般为了提高充填效果，在液压支架后方有推压密实机构，使矸石尽量接顶，提高充填效果。

结语：

总体而言，近年来我国煤矿充填开采的理论和技术均有较大突破，综合技术在全球层面上属于第一梯队。综合机械化固体充填开采技术是我国煤矿生产技术发展多年以来取得的重要创新成果，具有一定的商业化潜力且可以根据各地条件进行大力推广应用。

固体充填材料垂直运输系统是近年来随着综合机械化固体充填采煤技术的发展而发展起来的一种固体充填材料从地面向井下运输的方式。该系统已在我国大部分矿区成功应用，但给矿过程造成的噪声污染有待进一步解决。随着国内外开采深度的逐渐增加，与更深的垂直进给系统相关的问题仍有待探索和解决。

参考文献：

[1] 胡炳南. 我国煤矿充填开采技术及其发展趋势[J]. 煤炭科学技术, 2012, 40(11): 1-5.

[2] 缪协兴, 巨峰, 黄艳利, 等. 充填采煤理论与技术的新进展及展望[J]. 中国矿业大学学报, 2015, 44(3): 391-399.

[3] 缪协兴. 综合机械化固体充填采煤技术研究进展[J]. 煤炭学报, 2012, 37(8): 1247-1255.