矸石直接充填采煤技术发展现状.pdf

第2 6 卷第4 期 2 0 0 9 年1 2 月 文章编号1 6 7 3 3 3 6 3 2 0 0 9 0 4 一0 3 9 5 一0 7 采矿与安全工程学报 J o u r n a lo fM i n i n g S a f e t yE n g i n e e r i n g V 0 1 ．2 6N o ．4 D e c ．2 0 0 9 矸石 固体废物 直接充填采煤技术发展现状 张吉雄1 ，缪协兴2 ，郭广礼3 1 ．中国矿业大学煤炭资源与安全开采国家重点实验室，江苏徐州2 2 1 0 0 8 ； 2 ．中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州2 2 1 0 0 8 f 3 ．中国矿业大学江苏省资源环境信息工程重点实验室，江苏徐州2 2 1 0 0 8 摘要总结了矸石直接充填采煤的技术框架，系统地介绍了综采矸石充填技术、普采矸石充填技 术和掘巷充填技术的充填开采系统布置、关键设备及充填开采工艺；研发了矸石直接充填采煤技 术中矸石自地表向井下运输的大垂深投料系统，并对其进行了优化设计；以综采矸石充填技术为 例，分析矸石直接充填开采矿压规律的等价采高模型，得到了充填综采采场所需支护强度，以及 充填综采与传统综采支护强度修正系数呀，并对充填开采后的地表沉陷进行了预计和实测分析， 得出了充填开采较传统综采采场矿压显现减弱、地表变形等级仅为轻微的结论；从实现煤炭资源 绿色开采应重视的基础科学研究、重点技术攻关等方面对今后矸石 固体废物 直接充填采煤技 术相关研究进行了展望． 关键词矸石直接充填采煤方法；绿色开采；充填开采矿压规律；等价采高模型 中图分类号T D8 2文献标识码A D e v e l o p m e n tS t a t u so fB a c k f i l l i n gT e c h n o l o g yU s i n g R a wW a s t ei nC o a lM i n i n g Z H A N Gj i x i o n 9 1 ，M I A 0X i e x i n 9 2 ，G U OG u a n g l i 3 1 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yo fC o a lR e s o u r c e s M i n eS a f e t y ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ． X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a ；2 ．S t a t eK e yL a b o r a t o r yf o rG e o m e c h a n i c s D e e pU n d e r g r o u n d E n g i n e e r i n g ，C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 210 0 8 ，C h i n a ； 3 ．J i a n g s uK e yL a b o r a t o r yo fR e s o u r c e sa n dE n v i r o n m e a t a lI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g ， C h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g ＆T e c h n o l o g y ，X u z h o u ，J i a n g s u2 2 1 0 0 8 ，C h i n a A b s t r a c t I nt h i sp a p e r ，t e c h n o l o g i c a ls y s t e mf o rc o a lm i n i n gw i t hr a ww a s t eb a c k f i l l i n gt e c h n o l o g yi ss u m m a r i z e d ；s y s t e ml a y o u t ，k e ye q u i p m e n t sa n db a c k f i l l i n gt e c h n i c so fc o a lm i n n i n g w i t hr a ww a s t ei nf u l l y - m e c h a n i z e dc o a lm i n i n g ，c o n v e n t i o n a l l y m e c h a n i z e dc o a lm i n i n gt e c h n o l o g ya n dw a s t eb a c k f i l l i n gw i t hd r i v i n ga r ep r e s e n t e d ．I na d d i t i o n ，t h ed e e pf e e d d r i l ls y s t e m c a r r y i n gt h ew a s t ef r o ms u r f a c et ou n d e r g r o u n di s i n v e n t e da n do p t i m i z e df o rt h i sp u r p o s e ． T a k i n gc o a lm i n n i n gw i t hr a ww a s t ei nf u l l y m e c h a n i z e dc o a lm i n i n ga sa ne x a m p l e ，w eb u i l d a ne q u i v a l e n tm i n i n gt h i c k n e s sm o d e lt oa n a l y z er o c kp r e s s u r eb e h a v i o ru n d e rt h ec o n d i t i o no f c o a lm i n n i n gw i t hw a s t eb a c k f i l l i n gt e c h n o l o g yS Oa st oo b t a i nt h es u p p o r t i n gi n t e n s i t yo fs t o p e a n dt h ec o r r e c t i o nf a c t o r 叩b e t w e e nt h er a ww a s t eb a c k f i l l i n gw i t hf u l l y m e c h a n i z e dc o a lm i n i n g t e c h n o l o g ya n dt h ec o n v e n t i o n a lo n e ．T h ec a l c u l a t i o na n do n t h e - s p o ts u r v e yr e s u l t ss h o wt h a t 收稿日期2 0 0 9 0 9 1 7 基金项目国家自然科学基金重点项目 5 0 8 3 4 0 0 4 l 江苏省创新学者攀登计划项目 B K 2 0 0 8 0 0 7 ；国土资源部公益性行业科研专项经 费项目 2 0 0 8 1 1 0 5 0 ；中国矿业大学科技基金项目 2 0 0 7 1 3 0 0 3 作者简介张吉雄 1 9 7 4 一 ．男，宁夏回族自治区中卫市人，博士．副教授，从事采动岩体控制及固体废弃物充填开采方面的研究． E m a i l z j x i o n g 1 6 3 ．c o i n T e l ；1 3 9 1 2 0 0 5 5 0 5 万方数据 采矿与安全工程学报 第2 6 卷 t h ep r e s s u r eb e h a v i o ra n ds u r f a c ed e f o r m a t i o nd e c r e a s et Oac e r t a i ne x t e n t ．F i n a l l y ，w eh o l d t h a tm o r ea t t e n t i o ns h o u l db ep a i dt Oa c h i e v et h ec o a lm i n i n gw i t hr a ww a s t eb a c k f i l l i n gt e c h n o l o g y ，s u c ha st h eb a s i cr e s e a r c h ，t h ek e yt e c h n o l o g y ． 。 K e yw o r d s c o a lm i n i n gw i t hr a ww a s t eb a c k f i l l i n gm e t h o d ；g r e e nm i n i n g ；r o c kp r e s s u r eb e h a v i o ri nm i n i n gw i t hw a s t eb a c k f i l l i n g ；e q u i v a l e n tm i n i n gt h i c k n e s sm o d e l 煤炭是中国的主要能源，占一次能源的7 0 ％ 以上，进入2 1 世纪以来，随着中国经济的快速增 长，煤炭需求量也快速增长，2 0 0 1 年至2 0 0 8 年中 国煤炭产量由1 1 ．0 6 亿t 猛增到2 7 ．2 亿t ．煤炭的 快速增长导致近年来煤炭开采速度加快，从而加速 了矿井资源的枯竭．由于我国“三下” 建筑物下、铁 路下、水体下 压煤严重，仅统配煤矿的生产矿井 “三下”压煤就达1 3 7 ．9 亿t ，全国国有重点煤矿村 下压煤5 2 ．2 亿t ，采用传统条带开采“三下”压煤的 采出率只有3 0 ％左右．资源枯竭型矿井在寻求外 部购置煤炭资源的同时，高效安全解放“三下”压煤 成为煤矿企业急需解决的重大技术难题之一． 我国煤矿现有矸石山16 0 0 余座，堆积量约4 5 亿t ，占地约1 5k h m 2 ．目前每年矸石产量约为1 ．5 ～2 ．0 亿t ，约占地3 0 0 ～4 0 0h m 2 ．煤矿区自备电 厂生产中排放粉煤灰历年达5 亿t 以上，且每年新 增5 ～7 千万t ． 每年由于煤炭开采塌陷土地面积约4 万h m 2 左右．目前，受煤炭开采下沉影响的土地面积达6 0 万h m 2 左右，直接经济损失约2 0 亿元． 矸石充填采煤技术是针对上述我国存在的“三 下”压煤问题，煤矸石排放问题和土地资源问题而 开发出来的绿色采煤技术之一[ 1 ] ，目前已在新汶、 邢台、淄博等矿区实施并取得成功．本文以成功应 用的矸石充填采煤技术为例，综述矸石充填采煤技 术开发过程中的关键技术、采场矿压及地表沉陷等 核心问题． 1 矸石直接充填采煤方法 利用工作面采空区处置煤矸石的充填采煤方 法，既可以减少煤矿固体废弃物排放，又可以减轻 开采沉陷灾害、提高矿井资源回收率，是实现煤矿 绿色开采的关键技术途径之一．目前，已经形成了 矸石直接充填采煤的技术框架，其中包括综采矸石 充填技术、普采矸石充填技术和掘巷充填技术等． 1 ．1 矸石直接充填采煤技术框架 针对煤矿矸石的露天排放和大量的“三下”压 煤现象，已经开发了矸石直接充填置换煤炭的成套 技术 包括方法、工艺和设备 ，并建立了矸石充填 采煤的矿压分析和岩层运动与地表沉陷预计方法， 以及开发了井下煤流分选设备与系统、井下矸石运 输系统等，进而将其成功用于“三下”压煤和其它煤 柱的回采，形成了原创性的矸石置换成套技术和应 用体系口] ． 1 ．2 综采充填采煤方法 长壁综采是我国目前普遍应用于中厚及厚煤 层开采、机械化程度高的采煤方法，综采充填采煤 就是基于长壁综采而研发的．目前，此项采煤技术 已成功应用于我国的邢台、新汶等矿区，本文结合 邢台矿区邢台矿的应用实例介绍综采充填采煤方 法． 1 充填开采系统布置 邢台矿综采充填采煤工业性试验面为7 6 0 6 工 作面，该工作面对应地面位置位于邢台矿工业广场 西北部，其地表建 构 筑物有矿机修厂电器车间、 矿标宿楼、机修车间、地面注浆站、矿区专用铁路线 和南三环公路． 7 6 0 6 工作面所采煤层为24 煤，煤层倾角7 。～ 1 0 。，煤层平均厚度为5 ．7 9m ，煤层的中下部有一 层平均厚0 ．4m 的夹矸，把煤层分为上下两个自 然分层，上分层平均厚度为2 ．7 9m ，下分层平均厚 度为3 ．0m ．工作面埋深为2 9 5 ～3 3 5m ，顶底板情 况如图1 所示． 图1 7 6 0 6 充填工作面顶底板情况 F i g ．1 R o o fa n df l o o rd e s c r i p t i o no f7 6 0 6 w a s t eb a c k f i l l i n gw o r k i n g f a c e 7 6 0 6 工作面所用的充填材料为地面选煤厂洗 选矸石与电厂粉煤灰，其向井下的运输方式采用自 主研发、具有独立知识产权的大垂深直接缓冲投料 井运送物料．其充填开采系统布置如图2 所示． 万方数据 第4 期张吉雄等矸石 固体废物 直接充填采煤技术发展现状3 9 7 图27 6 0 6 充填工作面系统布置 F i g ．2 T h es y s t e ml a y o u to f7 6 0 6w a s t e b a c k f i l l i n gw o r k i n g f a c e 2 综采充填关键设备 研发综采充填采煤技术关键之一就是研制与 充填综采相配套的设备．其中，采煤设备主要有采 煤机、刮板输送机等，充填设备主要有自夯式充填 液压支架、充填开采输送机． a 自夯式充填液压支架 自夯式充填开采液压支架是综合机械化充填 开采工作面主要装备之一，它与采煤机、刮板输送 机、充填开采输送机、夯实机配套使用，起着管理顶 板隔离围岩、维护作业空间的作用，与刮板输送机 配套能自行前移，推进采煤工作面连续作业．同时 它应有独立的夯实机构，在物料充填人采空区后通 过此设备对物料进行推压夯实，使充填物料在推压 接顶的基础上达到一定的致密度． 在综合上述因素以及试验矿井的地质采矿条 件的基础上，最终确定型号为Z Z C 4 8 0 0 ／1 6 ／3 2 的 自夯式液压支架，其结构原理如图3 所示． 图3自夯式充填液压支架结构原理图 F i g ．3 S t r u c t u r ep r i n c i p a ls k e t c ho fs e l f - t a m p i n g b a c k f i l l i n gh y d r a u l i cs u p p o r t b 充填开采输送机 充填开采输送机采用刮板输送机改造而成．由 图3 可知，充填开采输送机悬挂在自夯式充填液压 支架的后部尾梁上，其溜槽底部开设卸料孔，可将 充填材料卸至各充填点，其结构原理，如图4 ． 图4充填开采输送机结构原理图 F i g ．4 S t r u c t u r ep r i n c i p a ls k e t c ho fb a c k f i l l i n gc o n v e y o r 3 采煤与充填工艺 综采充填采煤实现了采煤工艺与充填工艺的 优化组合，其采煤工艺与传统综采相同．充填工艺 是在完成一刀采煤工作后进行，将自夯式充填开采 液压移直、充填开采输送机移至支架尾梁后部，并 依次启动充填开采输送机、自移式矸石与粉煤灰转 载机、运矸胶带输送机等设备，进行采空区充填． 充填顺序由充填开采输送机机尾向机头方向 进行，当前一个卸料孔卸料到一定高度后，即开启 下一个充填卸料孔，随即启动前一个卸料孑L 所在支 架后部的夯实机千斤顶推动夯实板，对已卸下的充 填材料进行夯实，如此反复几个循环，直到夯实为 止，一般需要2 ～3 个循环．当整个工作面全部充 满，停止第一轮充填，将充填开采输送机拉移一个 步距，移至支架尾梁前部，用夯实机构把充填开采 输送机下面的充填料全部推到支架后上部，使其接 顶并压实，最后关闭所有卸料孑L ，对充填开采输送 机的机头进行充填．第1 轮充填完成后将充填开采 输送机推移一个步距至支架尾梁后部，开始第2 轮 充填，其充填工艺流程同第1 轮． 1 ．3 普采 或炮采 充填采煤方法 普采 或炮采 仍是我国目前应用普遍的采煤 工艺，研究开发与长壁普采配套的高效矸石充填技 术设备和工艺，对于全面推广矸石充填采煤技术至 关重要．目前，此项采煤技术已成功应用于我国的 新汶等矿区，本文结合新汶矿区盛泉矿业有限公司 的应用实例介绍普采充填采煤方法． 1 充填开采系统布置 盛泉矿业有限公司工业性试验面为2 1 1 0 3 西 工作面．煤层厚度1 ．6 ～1 ．8m 之间，平均1 ．6 5m ， 煤层倾角8 。～1 5 。，平均1 2 。．基本顶为粉细互层， 1 3 ．51 T I ，I 类顶板；直接顶为粉砂岩，4 ．0m ，1 1 类 顶板，其充填开采系统布置如图5 所示． 2 普采 或炮采 充填关键设备 普采 或炮采 充填关键设备为高速动力抛矸 机，此设备的成功研制实现了普采、炮采单体液压 支柱工作面后方采空区矸石密实充填． 研发出安设有“V ”型花纹抛矸皮带、高度可 调、伸缩自如的高速动力抛矸机，可将原生矸石以 较快的冲击速度充填到采空区内，以达到“高速冲 万方数据 采矿与安全工程学报第2 6 卷 图52 1 1 0 3 西工作面系统布置 F i g ．5 T h es y s t e ml a y o u to f211 0 3 一w e s tw o r k i n g - f a c e 击，挤压密实”的目的，解决了矸石密实充填采空区 的技术难题，“V ”型花纹抛矸皮带如图6 所示．高 速动力抛矸机主要包括电动机、驱动滚筒、转向滚 筒、托辊、抛矸皮带和支架等【2 ] ． 幽6 ⋯V 型花纹抛计皮带 F i g ．6T h ew a s t er o c kc a s t e r 3 采煤与充填工艺 炮采工作面布置工作面下巷运煤，上巷运矸， 在工作面铺设一部运煤溜子和一部矸石充填溜子， 运煤溜子随工作面推进前移，矸石充填溜子随充填 而缩短．工作面充填开采平、剖面布置如图7 所示． 矸石充填 采空区 工作面运矸刮板输送机工作面运煤刮板输送机 卜叫10 m h 一40m - - - - - - - - 柏- - 30m - - 4 一 柱配铰接顶梁支护顶板，单体支柱排距1 ．0m ，柱 距0 ．8m ，充填工艺为采用“见七充四”，即工作面 每推进4m 进行1 次矸石充填，按充填量确定推采 时间．在矸石充填完毕前，工作面推进4m ，以实现 间断开采、连续充填． 1 ．4 巷采充填采煤方法 巷采充填采煤主要是针对我国部分煤矿井下 掘进矸石产量大而研发的“井下矸石置换煤柱技 术”[ 3 - 6 ] ，该项技术通过在工业广场煤柱、条带开采 留设煤柱、大巷保护煤柱及“三下”压煤等中掘进充 填巷，先掘进出煤，然后进行矸石充填的采煤方法． 目前，该项技术已成功应用于我国的邢台、淄博、兖 州等矿区，本文结合邢台矿区邢东煤矿的的应用实 例介绍巷采充填采煤方法． 1 充填开采系统布置 邢东矿矸石充填采煤试验地点在邢东矿井工 业广场和先于村保护煤柱中．矿井主采2 8 煤层，煤 层平均厚度4 ．3 5m ，倾角1 0 。，赋存深度8 4 2 9 7 5 m ．设计矸石充填巷道沿煤层掘进，充填巷宽为5 m ，高与煤层厚度同，矸石充填开采系统布置如图8 所示． 图8 矸石充填开采系统布置 F i g ．8 T h el a y o u to fw a s t eb a c k f i l l i n gs y s t e m 2 巷采充填关键设备 巷采充填关键设备为矸石充填机，该设备受料 部分采用漏斗式，抛射部分可自动上下调整和左右 摆动，行走装置采用履带自行移动，实现矸石充填、 受料及设备移动一体化，其机械化及可靠性高，井 下实拍工作状态如图9 所示． 图9 矸石充填采煤充填机工作状态 F i g ．9 W a s t eb a c k f i l l i n gc o n v e y o rw h i l e w a s t ef i l l i n ga n dm i n i n g 图7 炮采充填采煤工作面布置 F i g ．7 T h el a y o u to fc a n n o nw a s t eb a c k f i l l i n g 3 采煤与充填工艺 w 。r “n g f 8 c 8 机尾驱动式矸石输送机驱动部分位于机尾，固 2 1 1 0 3 西工作面采煤工艺为炮采，采用单体支定于充填巷道的出E l 处，其机尾与矸石充填配巷输 万方数据 第4 期张吉雄等矸石 固体废物 直接充填采煤技术发展现状 送机机尾搭接．该端接受来自矸石充填配巷的矸 石，并通过矸石输送机运输到与充填机充填部衔接 的卸载端，随着充填巷的充填，矸石输送机机头紧 跟矸石充填机不断外移，其拉紧装置使矸石输送机 的胶带收缩，使得矸石充填工作连续． 2 大垂深矸石投料系统优化设计 2 ．1 矸石自地表向井下运输方式的选择 我国煤矿煤层赋存深度普遍在2 0 0 ～8 0 0m ， 而矸石等充填材料来源于地表，充填采煤量所需矸 石量质量比约1 1 ，地面矸石向井下高效连续供 给是充填采煤成功的首要条件．因此，如何安全高 效的从地表将矸石运至井下是实现矸石充填技术 关键之一． 目前，实现地面矸石运输至井下有3 种方法 1 利用矿井辅助提升系统进行运输；2 新掘进一 条斜井，采用胶带输送机实现矸石连续化运输；3 采用投料系统从地面垂直投料． 利用矿井辅助提升系统虽然节省新布置投料 井、斜井等工程量，但对矿井的辅助提升造成很大 的压力，尤其对于辅助提升本来就困难的矿井更加 严重，并且运输系统复杂；新掘进一条斜井的方式， 可实现矸石连续化运输，但掘进斜井及后期维护费 用大、大部分矿井埋深大等原因无法采用布置斜 井；采用投料系统进行运送矸石，其系统简单．本文 针对采用投料系统直接从地面垂直投料方式进行 优化设计． 2 ．2 大垂深矸石直接投料系统设计 由于矸石直接投料对井壁及井底冲击大，且要 求较大的投料量 一般不小于2 5 0t ／h ．因此，设计 的大垂深矸石直接投料系统应考虑投料井的尺寸、 管壁的耐磨性，以及设置井底缓冲装置．经研究分 析，设计出具有自主知识产权的大垂深矸石直接投 料系统[ 7 | ． 3 矸石直接充填采煤矿压及地表沉陷规律 3 ．1 矸石直接充填等价采高模型 目前，传统综采矿山压力与地表沉陷分析结果 的主要影响因素之一为采高，而充填综采由于开采 后采空区充填人充填体，相当于降低了采高，如图 1 0 所示I - 8 | 。 因此，为了对比分析传统综采与充填综采的采 场矿压与岩层移动 地表沉陷 的需要，引出“等价 采高”的概念，即等价采高为工作面采高减去采空 区充填体压实后的高度．这样，矸石与粉煤灰直接 』 lj 。．i 。一‘j 1 主关键剧，_ ，0 。 一’【软弱岩层f 。．．． ．‘i ‘．i ．j j I 基本顶I ．．．一 ’。．一一 1 直接顶lh d Ⅳ，Ⅳ 图1 0 充填综采等价采高示意图 F i g ．1 0S k e t c ho fe q u i v a l e n tm i n i n gt h i c k n e s si ．nw a s t e b a c k f i l l i n gw i t hf u l l y m e c h a n i z e dc o a lm i n i n gt e c h n o l o g y 充填综采等价采高H 见式 1 ． H 。一h d h 。 忌 H h d h 。 ， 1 式中H 为充填综采等价采高，m ；h 。为未充填时 顶板下沉量，m ；h ，为充填综采未充填高，r n ；H 为 采高，m ；七为充填体的压实率． 以试验矿井邢台矿充填综采 充填材料为矸石 与粉煤灰混合料 为例，一般实测未充填综采未充 填高h 。为0 “ - - 0 ．1m ，矸石与粉煤灰充填体的压实 率k 为6 ．6 ％～1 2 ．1 ％，充填综采顶板下沉量h d 0 ．1 0 ～o ．3 0m ．当采高H 一2 ．7 9m 时，H 。 0 ．4 2 m ．也即，当综采面采高为2 ．7 9m 时，充填综采开 采等同于开采0 ．4 2m 的极薄煤层，因而充填综采 岩层移动特征将显著区别于传统综采．因此，运用 等价采高的概念，可以将充填开采视为“极薄煤层” 开采，则可用传统矿压理论与地表沉陷等方法分析 矸石充填开采中的矿压显现和地表沉陷规律． 3 ．2 采场矿压显现规律 1 支架支护强度分析 由等价采高的概念，就可很容易推导出充填开 采与普通开采的支架载荷之比．下面以充填综采与 传统综采为例，分析充填综采支架支护强度．传统 综采工作面支护强度一般采用载荷估算法得 出‘蚓] P 。 4 ～8 y H ， 2 式中P 。为传统综采工作面支护强度； ，为覆岩层 的容重． 为对比分析充填综采与传统综采支架支护强 度，特引出修正系数的概念．修正系数定义为充填 综采与传统综采支架支护强度的比值，记为7 - 可 得出充填综采与传统综采支架支护强度修正系数 叩为 1 7 瓦P c ， 3 式中刁为充填综采与传统综采支护强度的比值； P 。为充填开采时支架支护强度，k P a ． 以试验翟镇煤矿为例，可得充填开采与未充填 开采时工作面支护强度如图1 1 所示． 万方数据 4 0 0采矿与安全工程学报第2 6 卷 7 0 0 芒6 0 0 螽5 0 0 璧枷 制3 0 0 2 0 0 1 ．52 ．02 ．53 ．03 ．54 ．0 采高／m 图1 1 工作面支护强度随采高变化曲线 F i g ．11 T h ec u r v eo fs u p p o r t i n gi n t e n s i t yo fw o r k i n g f a c ec o u p l e dw i t hm i n i n gh e i g h t 由图1 1 可得出，充填综采工作面所需支护强 度明显小于未充填开采；随采高在1 ．6 ～3 ．5m 变 化，修正系数呀的变化范围为0 ．4 9 ～o ．8 4 ．也即随 采高在1 ．6 ～3 ．0m 变化时，充填综采所需的支护 强度降低；当采高超过3 ．0m 时，充填综采所需的 支护强度增加，但远小于未充填开采支架所需支护 强度． 2 实测矿压对比 对翟镇煤矿综采矸石充填开采与类似条件非 充填综采矿压进行了实测对比．工作面超前支承压 力、工作面巷道顶底板移近量及两帮移近量对比曲 线分别如图1 2 ，1 3 所示． 图1 2 工作面超前支承压力对比曲线 F i g ．12C o m p a r i s o nc u r v eo ff r o n ta b u t m e n t p r e s s u r ei nw o r k i n gf a c e E { 嘲 蝈 静 辎 世 臀 图1 3 工作面巷道顶底板移近量对比曲线 F i g ．1 3C o m p a r i s o nc u r v eo fr o o f t o - f l o o rc o n v e r g e n c e o fw o r k i n gf a c er o a d w a y 从图1 2 中可以看到，在工作面前方支承压力 对比曲线中，无论支承压力的影响范围还是峰值， 充填开采都显著低于非充填开采，峰值仅为非充填 开采的6 0 ％左右． 从图1 3 中可以看到，在工作面巷道采动变形 对比曲线中，充填开采的巷道变形明显低于非充填 开采，最大收敛面积仅为非充填开采的3 0 ％左右． 通过实测对比可以得出，实施矸石充填开采 后，显著降低工作面两巷的最大收敛变形量和支承 压力的影响范围及峰值，实际开采中已没有明显的 周期来压的情况． 3 ．3 地表沉陷分析 矸石充填开采现场实践中，其中十分重要的控 制指标之一是地表沉陷参数．可引入等价采高的概 念，采用传统地表沉陷预计方法，对充填开采后的 地表沉陷进行预计和实测分析． 以翟镇煤矿矸石充填综采为例，其基本条件为 地表村庄、学校等建筑物，采深7 4 0m ，平均采高 2 ．01 T l ，其地表沉陷预计与实测情况见表1 ．从表1 中可以看到，如非充填开采，地面下沉达到10 1 9 m m ，在多雨季节易造成积水等；采用矸石充填开 采，则地面变形等级仅为轻微，无需对房屋实施加 固或维修．目前，该采区已接近充分采动，实测到的 地表变形量很小． 表l 矸石充填区域地表移动预计与实测 T a b l elE s t i m a t i o na n di n - s i t um e a s u r e m e n to fs u r f a c e m o v e m e n ti nw a s t eb a c kf i l l i n gd i s t r i c t 4 主要结论与展望 4 ．1 主要结论 1 针对煤矿矸石的露天排放和大量的“三下” 压煤问题，总结了矸石直接充填采煤的技术框架， 并其成功用于“三下”压煤和其它煤柱的回采，保证 地表变形控制在允许的范围之内的前提条件下，实 现了“三下”压煤的规模性回采及矸石不上井，解决 了矸石排放带来的环境损害问题，实现了绿色开 采，具有广泛的推广应用前景． 2 结合现场应用实例系统地介绍了综采矸石 充填技术、普采矸石充填技术和掘巷充填技术的充 填开采系统布置、充填开采关键设备及充填开采工 艺． 3 针对矸石直接充填采煤技术中矸石自地表 向井下运输，研发了大垂深投料系统，并对其进行 了优化设计，实现了矸石从地表到井下安全高效地 运输． 4 以综采矸石充填技术为例，建立了分析矸 石直接充填开采矿压规律的等价采高模型，得到了 万方数据 第4 期张吉雄等矸石 固体废物 直接充填采煤技术发展现状4 0 1 充填综采采场所需支护强度与采高之间的关系以 及充填综采与传统综采支护强度修正系数刁． 5 通过实测矿压对比分析及地表沉陷进行了 预计、实测分析，实施矸石充填开采后，显著降低工 作面两巷的最大收敛变形量和支承压力的影响范 围及峰值，实际开采中已没有明显的周期来压的情 况；地面变形等级仅为轻微，无需对房屋实施加固 或维修． 4 ．2 进一步展望 矸石直接充填采煤技术是实现煤炭资源的绿 色开采的关键技术途径之一，目前已在新汶、邢台、 淄博等矿区实施并取得成功，具有广泛的应用前 景．理论分析与工程应用表明，矸石直接充填开采 主要通过限定关键层的弯曲下沉量而达到控制地 表沉陷的目的，最终的实现是通过选取合适的充填 材料、研制配套的充填开采设备及设计合理的充填 工艺来完成，基于工程应用中矸石直接充填采煤技 术存在的问题，进一步的研究应考虑以下方面的问 题 1 关键层与充填材料间岩层的时间相关性问 题．关键层弯曲变形除与充填体压缩变形相关外， 其与关键层与充填材料间岩层的时间相关性也相 关．因此，进一步的研究应考虑此方面的问题． 2 目前国内外关于充填开采后采场矿压显现 规律的研究尚属空白，加强对充填开采矿压显现规 律的研究对进一步完善充填开采技术有重要的意 义． 3 充填之前顶板的下沉量成为影响充填开采 效果重要的因素，因此需要进一步改善充填开采支 架的结构，并对充填开采工艺进行优化设计，以减 小充填之前顶板的下沉量． 参考文献 [ 1 ]钱鸣高，许家林，缪协兴．煤矿绿色开采技术[ J ] ．中 国矿业大学学报，2 0 0 3 ，3 2 4 3 4 3 3 4 8 ． Q I A NM i n g g a o ．X UJi a l i n ，M I A OX i e - x i n g ．G r e e n ‘t e c h n i q u ei nc o a lm i n i n g [ J ] ．J o u r n a lo fC h i n aU n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 3 ，3 2 4 3 4 3 3 4 8 ． E 2 3 缪协兴，钱鸣高．中国煤炭资源绿色开采研究现状与 展望[ J ] ．采矿与安全工程学报，2 0 0 9 ，2 6 1 1 ．1 4 ． M I A OX i e - x i n g ，Q I A NM i n g - g a o ．R e s e a r c hO ng r e e n m i n i n go fc o a lr e s o u r c e si nc h i n a c u r r e n ts t a t u sa n d f u t u r ep r o s p e c t s [ J ] ．J o u r n a lo fM i n i n g8 LS a f e t yE n g i n e e r i n g ．2 0 0 9 ，2 6 1 1 - 1 4 ． [ 3 3 张吉雄。缪协兴。茅献彪。等．建筑物下条带开采煤柱 矸石置换开采的研究[ J ] ．岩石力学与工程学报， 2 0 0 7 ，2 6 2 6 8 7 2 6 9 3 ． Z H A N G j i x i o n g ，M I A 0X i e - x i n g ，M A OX i a n b i a o ， e ta 1 ．R e s e a r c h0 nw a s t es u b s t i t u t i o ne x t r a c t i o no f s t r i pe x t r a c t i o nc o a l p i l l a rm i n i n g [ J ] ．C h i n e s eJ o u r n a lo fR o c kM e c h a n i c sa n dE n g i n e e r i n g ，2 0 0 7 ，2 6 2 6 8 7 2 6 9 3 ． [ 4 ]张吉雄．缪协兴．煤矿矸石井下处理的研究[ J ] ．中国 矿业大学学报，2 0 0 6 ，3 5 2 1 9 7 2 0 0 ． Z H A N GJ i x i o n g 。M I A OX i e - x i n g ．U n d e r g r o u n d d i s p o s a lo fw a s t ei nc o a lm i n eI - J ] ．J o u r n a lo fC h i n a U n i v e r s i t yo fM i n i n g T e c h n o l o g y ，2 0 0 6 ，3 5 2 1 9 7 2 0 0 ． [ 5 3 张文海，张吉雄，赵计生，等．矸石充