充填采煤技術在煤層開采中的技術要點分析

楊海河

（河北省唐山市開平區開灤荊各莊礦業分公司，河北省唐山市 063000）

煤炭作為主要的能源支撐在我國國民經濟發展過程中扮演非常重要的角色，但是由于近幾年能源需求的不斷增大，我國煤炭產量也在急劇增大。為了提高自身在煤炭市場競爭環境中的地位，很多煤礦在沒有經過系統規劃后就直接投入大量采煤機械設備，進行無規劃煤炭資源大肆開采，加上我國煤炭資源總體分布不均勻、煤炭開采地質條件差、以及東西部能源分布與能源需求間的不搭配，造成東部大部分煤礦礦井煤炭資源幾乎接近枯竭，大多數已成為"三下"（建筑物下、鐵路下、水體下）的難開采壓煤。另外，我國在進行煤炭開采過程中，每年大致會向礦井周圍地面堆放大約4.5億噸的煤矸石等采煤固體留下的廢棄物。這些廢棄物的亂堆亂放不僅會占用大量有限耕地土地，同時還會隨固體廢棄物量的不斷增加，造成嚴重的固體廢物環境污染。因此，我國很多煤炭開采眼睛學者在總結我國煤炭開采現狀后，提出了發展綠色煤炭開采技術的科學合理、高效經濟的采礦理念,其中包括利用煤炭采礦區現存的固體廢棄物(如：煤矸石、粉煤灰、黃土、以及黃沙等)直接充填，并回收礦井中難開采的"三下"壓煤資源。煤矸石充填技是煤礦礦井中常采用的煤炭充填開采新技術，在工程實踐中取得非常大的應用效果。因此，對煤矸石充填采煤技術進行分析研究具有非常重要的工程實踐意義。

1 充填采煤技術研究現狀

充填開采技術從1915年在澳大利亞北萊爾礦應用廢棄礦石充填礦房以來，在近百年的發展過程中，充填開采技術在金屬礦山等采礦工程應用中獲得長足進步，并取得非常良好的應用效果。但在煤炭開采過程中還沒有得到廣泛退剛使用，這主要與煤炭開采的特殊環境條件等因素密不可分。因此，發展先進的煤礦充填采煤技術就成為煤炭開采研究人員研究的一個熱點和難點。就目前我國常采用的充填采煤技術來看，大致可以分為膏體充填采煤技術、矸石充填采煤技術、以及高水材料充填采煤技術等多種充填采煤技術。

1.1 膏體充填采煤技術

膏體充填采礦技術在充填采礦工程中發揮非常重要的作用，尤其是在金屬采礦工程中得到廣泛推廣使用。膏體充填采煤技術實際就是將煤礦礦井附近的煤矸石、粉煤灰、河砂、以及城市固體廢棄垃圾等在需要填充的地面，按照相關配比要求加工制作成不需要進行脫水處理的牙膏狀漿體，然后利用高壓充填泵或重力加壓進行加壓灌注，通過漿體輸送管道送入到需要充填的礦井下，根據工程實際地形適時充填已經采空的采煤區的充填采煤方法。由于膏體充填采煤技術所進行的充填與采煤工序均位于同一個工作面，同時充填體的構筑方法與金屬礦山充填有所不同，需要構筑專門的充填膏體充填隔離支架，同時在充填過程中煤礦對充填材料強度性能水平要求較高，需要充填體在充填后數小時就能承載整個采煤過程。煤礦膏體充填采煤技術所采用的充填原材料多為劣質低質固體廢棄物，其充填原材料品質間差距較大，質量波動非常大。

膏體充填采煤技術在采空區充填過程中具有料漿流動性好、充填密實度高、以及充填體強度較高等優勢，能夠對采礦區周圍的巖層移動與地表沉陷進行有效控制。但由于整個膏體充填工程在初期投資非常高，根據大量文獻資料和實際工作經驗分析，初期投資通常高達3000萬元左右，這樣會導致煤礦噸煤充填成本相應大大增高，大致為60～100元/t，這也就限制了膏體充填技術在采煤過程中的應用。

1.2 矸石充填采煤技術

矸石充填采煤技術其主要充填材料為煤炭開采過程中產生的煤矸石，其主要動力是靠風力、重力、或其他機械等動力將以煤矸石為主的固體廢棄物拋入或輸送到礦井采空區進行充填采煤的方法。根據煤矸石動力源的不同，可以將矸石充填采煤技術劃分為人工充填、自溜充填、風力充填、普通機械化充填、以及綜合機械化充填等。人工煤矸石充填采煤技術由于其綜合充填效率水平較低、勞動工作強度較大，加上回采工藝適應性非常差，在煤炭充填開采中很少采用。自溜充填和風力充填技術由于受到源動力輸送不穩定等因素的制約，只有在外部條件非常優越特殊的礦區使用。普通機械化是根據采空區實際情況，采用專門機械如拋矸機等)將采煤過程中產生的煤矸石拋射向采空區進行充填采煤。普通機械化煤矸石充填技術利用井下開采過程中形成的煤矸石進行填充，其充填系統較為簡單，裝備綜合投資成本較低，多用在薄及中厚煤層普采工藝中進行充填采煤。綜合機械化矸石充填采煤技術，是指在綜合機械化采煤作業工作面上，同時利用相關機械實現綜合機械化矸石充填工程，是一個在采煤作業工作面上集采煤和充填等多工藝為一體的綜合采煤技術。

1.3 高水材料充填采煤技術

高水材料充填采煤技術就是在充填材料中加入高水速凝固結材料的一種充填采煤技術，此采煤技術由于其用水量高，相應填充材料中所需固體材料就會減少，不僅可以有效克服煤礦充填過程中固體充填材料不足問題，同時有效簡化其他充填技術在實際填充過程中需要購置龐大充填系統的填充工藝，加上填充固體材料使用量減少，充填料漿流動性好，填充施工操作較為方便，且投資較小，可以降低煤炭填充開采綜合投資成本。但由于該技術中所使用高水材料填充物的抗風化及抗高溫性能較差，煤礦采空區的充填物質量長期穩定性能較差。

此外，相對于全部充填采煤技術而言，部分充填采煤技術充分利用了采煤區的覆巖結構的自承載能力，從而大大減少充填工程量，有效降低了煤礦充填開采綜合成本。

2 綜合機械化固體充填采煤技術要點

實現綜合機械化固體充填采煤的技術難點在于解決采空區實施充填的充填空間、充填通道、以及充填過程所帶來的動力學問題。從大量工程實踐，筆者認為在采用綜合機械化固體充填技術進行綜合采煤時，可以采取以下幾種方法來解決綜采作業面上進行綜合機械化固體充填采煤工藝中所存在的三大技術難題:

2.1 拆除常規綜采液壓支架的掩護斜梁，用水平短梁取而代之,將填充固體直接充入到水平短梁掩護空間內，并不是將填充固體直接充入到采空區內，從而有效解決綜合機械化固體充填采煤工藝中充填空間不足問題；

2.2 通過帶式輸送機將已配比好的充填固體直接運至掛在充填機械掩護短梁下面的刮板式充填機中,使采空區充填固體始終處于連續輸送通道中，從而有效解決充填通道不連續，容易堵塞等問題；

2.3 充填固體由于自重從刮板式充填機開口中直接落入掩護短梁的掩護空間中,并再加壓實機(或輔助動力機)的壓力作用下將充填體在采空區中進行充分壓實,從而實現煤矸石等固體填充物具有非常好的密實性能，為采空區充填后采煤提高一個優良工作環境。

3 矸石充填采煤技術經濟效益分析

矸石充填采煤技術不僅解決了采煤過程中產生大量煤矸石等固體廢棄物問題，同時實行礦井充填開采相結合的煤炭綜合開采技術，可以有效提高礦井中有效煤炭資源的采出率，為煤礦企業創造出更大的經濟效益。從實際應用所帶來的社會經濟效益來看，矸石充填采煤技術給各煤礦均帶來了豐厚的利潤。據一些統計資料分析，膏體充填采煤技術其綜合成本最高，大約為105元/t；而高水材料充填采煤技術由于其充填材料均需外購，加上后期維護成本較高，其綜合成本大約為67元/t，似膏體充填采煤技術其綜合成本大約為73元/t；而綜合機械化矸石充填采煤技術其綜合成本大約為 55 元 /t。

結束語

綜合機械化矸石充填采煤技術是在保證采礦區地表建筑物等安全的前提下,以煤矸石填充置換出煤炭開采區，實現利用矸石等固體廢棄物置換開采出煤炭資源，大大提高了煤礦企業煤炭開采的綜合經濟效益。

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[2]周華強,侯朝炯,孫希奎,等.固體廢物膏體充填不遷村采煤[J].中國礦業大學學報,2004,33(2):154-158.