工作面充填開采技術(shù)的探索與實踐

文/賀志宏 郭 炯 劉向忠 李小平

煤炭資源的地下開采易造成地表沉陷等地質(zhì)災(zāi)害，外排的煤矸石露天排放不僅占用大量的土地，而且對生態(tài)環(huán)境造成嚴重破壞。為探索破解煤炭資源地下開采的行業(yè)性難題，山西焦煤西山煤電集團公司根據(jù)國內(nèi)外各類充填開采技術(shù)，在充分調(diào)研與實地考察的基礎(chǔ)上，引進兩種完全不同工藝的充填開采技術(shù)，在所屬的東曲礦和屯蘭礦分別進行矸石充填開采技術(shù)和粉煤灰關(guān)鍵層綠色充填技術(shù)現(xiàn)場實驗，取得了初步成效。

一、實施背景

1.矸石充填背景

煤炭開采產(chǎn)生的以矸石為主的固體廢棄物，長期主要以地面直接排放為主，對開采區(qū)域較大范圍的空氣、水體和土壤造成嚴重污染。

東曲礦每年產(chǎn)出矸石約120萬噸，包括初選大粒徑矸石30萬噸，小粒徑洗矸90萬噸。多年的矸石地面排放、堆積占用了大量土地，對當?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境造成較大影響，付出的環(huán)境治理費用逐年遞增。同時，現(xiàn)有的排矸場地最多可維持兩年，采用傳統(tǒng)的地面堆積處理矸石的方法難以繼續(xù)，需要通過技術(shù)創(chuàng)新來解決矸石外排問題。

2.關(guān)鍵層充填背景

隨著礦井開采，礦井資源逐漸減少，老礦區(qū)如果不進行“三下”采煤，將面臨礦井關(guān)閉的局面；新礦區(qū)如不從可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略高度進行統(tǒng)籌規(guī)劃、協(xié)調(diào)處理“三下”壓煤開采問題，就很難保證礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。

屯蘭礦以22301工作面為試點，使用粉煤灰作為注漿原料，利用覆巖離層注漿充填技術(shù)，進行煤炭資源的安全合理開采，釋放電廠粉煤灰皮帶走廊和粉煤灰綜合利用項目工廠下118萬噸壓煤，控制采煤沉陷，保護粉煤灰皮帶走廊和工廠構(gòu)筑物不被破壞，同時為后期“兩河兩路”下壓煤開采作技術(shù)積累。

二、技術(shù)路線

1.矸石充填技術(shù)路線

矸石充填開采是將井下或地面矸石破碎成符合充填要求的粒徑，運輸至采空區(qū)進行充填。矸石充填需要建立地面矸石破儲運系統(tǒng)、井下返矸運輸系統(tǒng)，將矸石轉(zhuǎn)載至充填工作面，通過充填支架下方的多孔底卸式刮板輸送機將矸石充填至采空區(qū)。

東曲礦充填工作面采用單一厚煤層一次采全高傾斜長壁后退式采煤方法，用矸石充填方法控制采空區(qū)頂板。矸石充填工作面充采工藝分兩部分：一是架前割煤，二是架后充填，采用“一刀一充”的作業(yè)方式，順序是完成一刀煤后進行充填，完成一個循環(huán)。工作面割煤后必須及時充填，嚴禁人員在充填區(qū)空頂作業(yè)；有人進行充填作業(yè)時，嚴禁操作作業(yè)區(qū)域的液壓支架。

矸石充填采煤總體工藝流程為：采煤機斜切進刀→割煤、裝煤→移架→推前刮板輸送機→順直后部多孔底卸式輸送機→開動后部多孔底卸式輸送機→開動矸石轉(zhuǎn)載機→開動軌道順槽運矸皮帶運矸→面后充填→運煤順槽端頭充填→（充填完畢后按相反操作）停止運矸皮帶→衛(wèi)生清理。

2.關(guān)鍵層充填技術(shù)路線

煤層覆巖賦存情況決定采空沉陷的大小和離層注漿減沉效果，只有摸清覆巖結(jié)構(gòu)情況，獲得準確、可靠的數(shù)據(jù)，才能夠為實現(xiàn)“三下”壓煤安全開采、粉煤灰離層注漿減沉、礦井水害防治等提供可靠的依據(jù)，最終實現(xiàn)安全高效開采。

關(guān)鍵層充填技術(shù)實施要在對注漿工作面地質(zhì)、巖性充分了解和判斷的基礎(chǔ)上開展，選擇一組巖層作為關(guān)鍵層，煤層埋深、兩帶高度、注漿離層充填參數(shù)設(shè)計都決定了該技術(shù)的可行性。關(guān)鍵層選擇依據(jù)主要是有合適的埋藏深度、距離煤層的安全距離、關(guān)鍵層有理想的力學(xué)性質(zhì)。

關(guān)鍵層充填減沉總體工藝流程為：注漿工作面基礎(chǔ)資料調(diào)查→煤層上覆地層、兩帶高度資料收集與調(diào)查→離層注漿充填參數(shù)設(shè)計→關(guān)鍵層判斷→注漿層位確定→工作面設(shè)計→注漿孔布置→漿液配制→注漿時機把握→注漿壓力控制→注漿量預(yù)估→注漿孔施工→注漿設(shè)備選購、注漿站建設(shè)、注漿管路鋪設(shè)→注漿施工→地面變形觀測→充填效果檢測與效果評價。

地面注漿站、注漿系統(tǒng)建設(shè)要與所需注入粉煤灰量匹配，注漿初始階段通過壓水方式判斷離層是否產(chǎn)生，注漿過程中保證飽和注漿狀態(tài)，注漿量與離層空間發(fā)育階段保持一致，在注漿過程中可以通過調(diào)整注漿量、漿液密度、注漿壓力等參數(shù)達到動態(tài)平衡。

三、經(jīng)驗及改進

1.矸石充填

矸石充填工藝相較傳統(tǒng)綜采工藝復(fù)雜，在礦井原有生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上需新增建立地面矸石破儲運系統(tǒng)、井下返矸運輸系統(tǒng)，并且由于充填與開采工藝不能平行進行，工作面推進速度較慢，產(chǎn)能相對較低；對礦井煤層賦存條件要求較高，在煤層穩(wěn)定、傾角小，且頂板條件較好的情況下才能適用；該工藝存在充填工作面機頭機尾兩端各5×1.5m范圍充填矸石接頂效果不佳，需采用人工輔助攉矸至落山接頂，工作量大、安全性低、耗時較長，需進一步實現(xiàn)兩端頭的機械化充填。

在實際充填過程中，需人工操作液壓支架壓實裝置8～10次，才能將矸石充填接頂壓實，耗時耗力，而且易造成充填不實導(dǎo)致液壓支架拉移困難。工作面采煤及充填需進一步探索實現(xiàn)自動化、甚至智能化，促進充填開采工藝高效發(fā)展。

2.關(guān)鍵層充填

采用關(guān)鍵層充填技術(shù)存在通過地質(zhì)鉆孔、瓦斯抽采孔等鉆孔封堵質(zhì)量不合格及地質(zhì)結(jié)構(gòu)（斷層）出現(xiàn)漏漿、跑漿風(fēng)險。地質(zhì)鉆孔和瓦斯抽放鉆孔需進行封孔質(zhì)量調(diào)查，必要時進行重新封孔。對于跑漿事故處理，首先暫停注漿，并通過注漿孔卸壓，同時暫停井下采面推進工作；其次對跑漿孔用高密度水泥漿灌注封堵。對通過斷層跑漿處理可以通過高密度、小壓力、間歇式注漿來封堵，然后通過壓水法檢查封堵效果，合格后恢復(fù)注漿及工作面推進工作。

四、經(jīng)濟效益

1.矸石充填經(jīng)濟效益

東曲礦在使用矸石井下充填技術(shù)后，工作面日推進3刀煤，月均推進約45米，每月可處理礦井及選煤廠生產(chǎn)的10萬噸矸石，減少固體廢棄物地面堆積對環(huán)境的污染，實現(xiàn)了資源開發(fā)利用最優(yōu)化和生態(tài)環(huán)境影響最小化。同時，大大降低了工作面瓦斯治理費用及矸石運輸和治理費用，并能享受相關(guān)資源稅減免和充填開采產(chǎn)能置換政策。按照充填面年產(chǎn)量35萬噸、矸石充填量50萬噸計算，充填面全年增加成本約為6390萬元，單耗增加159.75元/噸，節(jié)省矸石地面排放費用990萬元，減少資源稅357萬元。

2.關(guān)鍵層充填經(jīng)濟效益

屯蘭礦采用關(guān)鍵層注漿技術(shù)，僅一個工作面釋放優(yōu)質(zhì)主焦煤118萬噸，洗選精煤81萬噸，處理粉煤灰84.6萬噸，節(jié)約處置費用2749.5萬元，處理礦井水53萬立方米，節(jié)約處置費287萬元，采出煤炭實現(xiàn)銷售收入23.8億元。通過該技術(shù)，取得了節(jié)約成本、防止地表塌陷、減少廢物污染等節(jié)能、減排、增效的多重疊加效益。屯蘭礦受地表河流、鐵路、高速等影響，造成8000余萬噸優(yōu)質(zhì)焦煤采用原有方法無法開采，今后利用關(guān)鍵層充填開采技術(shù)，能多采出原煤5000萬噸，煤礦服務(wù)年限可延長12年以上，將產(chǎn)生可觀的經(jīng)濟效益和社會效益。

五、結(jié)論

矸石井下充填既減輕了矸石治理過程中帶來的村企糾紛和揚塵污染，又消除了采空區(qū)的地質(zhì)災(zāi)害，推進了煤炭開采利用方式變革，開創(chuàng)了礦區(qū)高質(zhì)量轉(zhuǎn)型發(fā)展的新模式，符合國家推行煤炭綠色開采政策要求，為礦區(qū)生態(tài)文明建設(shè)起到了積極推動作用，將有力緩解礦井資源開采受限難題，能夠改善礦山安全生產(chǎn)條件。下一步，需要進一步研究自動化、信息化、智能化的矸石充填開采工藝及適用技術(shù)。

關(guān)鍵層充填技術(shù)是“三下”壓煤開采新方法，通過地面鉆孔對采動覆巖高壓注漿充填在工作面中部形成一定寬度的壓實支撐區(qū)，利用壓實區(qū)與隔離煤柱聯(lián)合控制覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，從而減小地表下沉、實現(xiàn)建筑物下壓煤開采，并且最大程度的釋放礦井所壓覆優(yōu)質(zhì)資源。下一步，結(jié)合山西焦煤西山煤電所屬煤礦的實際，提升自主創(chuàng)新能力和水平，制定完善關(guān)鍵層開采技術(shù)規(guī)范，利用好技術(shù)創(chuàng)新和能源革命的相關(guān)政策，將此項技術(shù)逐步應(yīng)用至所屬礦區(qū)“三下”壓煤開采中，為保障能源安全發(fā)揮積極作用。