充填采矿技术在煤炭开采中的应用.pdf

2020 年 5 月2020 年第 5 期 煤炭对中国经济的发展有重要意义。经过多年的 开采，中国已经进入了煤炭资源开采的高峰期。随着 煤炭资源的大量开采，由此带来的环境问题也日益突 出。常见的问题有矿区周围的矸石山、地表塌陷、地 下水断流以及生态环境被破坏，这严重威胁了中国煤 矿行业的可持续发展[1-3]。随着社会的不断发展，对环 保的要求也越来越高。煤矿地下开采引发的环境问题 根源在于采空区上方的岩层发生运动。为了克服煤矿 开采过程中的岩层运动，提出了充填采矿技术。本文 围绕煤矿开采引发的环境问题以及充填采矿技术的优 点进行阐述。 1煤矿开采引发的环境问题 煤层开采后，煤层的上覆岩层会移动，导致岩层 原有的平衡被破坏。当岩层达到新的平衡时，会有很 长一段时间处于不稳定状态。在煤层开采过程中，岩 层移动会形成采矿工程中常说的“三带” ，如图 1 所 示。在垮落带和断裂带内有大量裂隙发育，岩层的密 封性被破坏，因此，此处便是导水裂隙带的范围。如 果导水裂隙带内有含水层，则可判断岩层中的含水层 被破坏。 值得注意的是，在很多情况下，导水裂隙带会贯 穿到地表，这会导致矿区所在的地下水断流。地下水 的断流会造成地表植被退化，农作物减产且病虫害严 重，同时，还会导致生态环境变得十分脆弱。如果矿区 内有村庄，遇到这种情况很容易导致居民面临用水困难 的情况[4]。此外，当导水裂隙带贯穿到地表时，地表上 的污染物可以随着雨水流入地下水，导致地下水被严 重污染。 图 1煤层开采上覆岩层移动形成 “三带” 岩层移动的宏观表现就是地表发生沉降，这是采矿 工程引起的重要地质灾害。煤层开采后，采空区上方会 形成一个下沉盆地，如图 2 所示。在盆地的中心，地表 下沉值最大，这个最大值需要很长时间才能达到。从图 2 中可以看出，地表下沉盆地的范围要比采空区的范围 大，这要求在防治地表下沉灾害时要考虑其边界。由于 地表下沉的不均匀性，导致处于地表沉陷影响区内的建 筑物很容易发生不均匀变形进而被破坏。与此同时，如 果一些公共基础设施位于采空区影响范围内，例如公 路、铁路以及供电线路塔等，也会受到影响。 收稿日期2020-03-13 作者简介暴毅伟，1992年生，男，山西长治人，2015年毕业于东 北大学采矿工程专业，助理工程师。 充填采矿技术在煤炭开采中的应用 暴毅伟 （ 山西兰花同宝煤业有限公司，山西 高平 048407 ） 摘要 中国煤矿多是地下开采，开采过后很容易引发环境问题。随着经济的发展，社会各界对环境保护的要求越来 越高。因此，必须要采取科学、合理的方式来解决煤矿开采引发的环境问题，充填采矿技术就是为了解决这种问题而产 生的。简要阐述了煤矿开采中引发的环境问题，然后分析了充填采矿技术的基本原理以及优势，最后探讨了充填采矿技 术的应用情况，以期为日后相关工作的开展提供借鉴。 关键词 煤矿开采；环境问题；充填采矿技术 中图分类号 TD823.7文献标识码 A文章编号 2095-0802-202005-0169-02 Application of Filling Mining Technology in Coal Mining BAO Yiwei Tongbao Coal Industry Co., Ltd., Shanxi Lanhua Group, Gaoping 048407, Shanxi, China Abstract Chinas coal mines are mostly underground mining, which is easy to cause environmental problems after mining. With the development of economy, the requirement of environmental protection from all walks of life is higher and higher. Therefore, it is necessary to adopt scientific and reasonable ways to solve the environmental problems caused by coal mining. Filling mining technology is to solve these problems. This paper briefly expounded the environmental problems caused by coal mining, then analyzed the basic principle and advantages of the filling mining technology, and finally discussed the application of the filling mining technology, in order to provide reference for the future related work. Key words coal mining; environmental problems; filling mining technology （总第 176 期） 实践运用 169 2020 年第 5 期2020 年 5 月 在煤矿开采过程中，最令人诟病的是矸石山问题。 由于煤层中不可避免地含有一些矸石，长期累积就形 成了矸石山。矸石山形成的重要原因是矸石中碳含量 低、利用成本非常高且工艺复杂。矸石的长期堆积不 仅占用了大量的土地资源，还容易造成周边环境的恶 化。矸石在风化时会形成大量的粉尘，这些粉尘中含 有有毒有害物质，人长期吸入容易对肺造成损害，引 发慢性疾病。此外，矸石中的有毒有害物质在雨水冲 刷下会流入土壤中，导致周边农田的土壤板结，地下 水被污染。 2充填采矿技术的原理及优势 2.1充填采矿技术应用原理 煤矿开采引起环境问题，主要是因为煤层开采后 的岩层移动，而解决这一问题的关键就是控制岩层的 运动。对于煤矿开采的矸石山问题，最有效和经济的 方法是将矸石回填到采空区中。充填采矿技术是同时 解决岩层运动和矸石山问题的有效方法。 充填采矿技术起源于“三下”开采，即建筑物下 采煤，是由波兰传入中国的。采用水砂作为充填物， 波兰将建筑物下的煤炭资源全部开采出。这项技术在 早些年并未受到重视，但随着中国对环境质量的要求 越来越高，这项技术的优势逐渐被开发。充填采矿技 术是在工作面回采后采用充填物充填采矿区，从而有 效控制煤层开采引起的岩层移动，其实施的关键在于 充填材料的成本控制。 充填采空区后，可以有效控制岩层的运动，减轻 地表的下沉。有关数据统计发现，采用水砂充填采矿 技术后，地表下沉值可以降低 70，减轻了地表沉陷 对地表一些建筑物的破坏。充填采空区，可以改变岩 层的运动规律，使得导水裂隙带的高度大幅度降低甚 至为零，这有助于实现保水开采。保水开采的实现有 助于保护当地的生态，减轻对矿区地下水的污染。从 长远情况来看，充填采矿技术有助于实现煤矿行业的 可持续发展。在一些矿区，采用矸石进行充填开采， 实现了矸石的零排放，满足了绿色采矿的基本要求。 2.2充填采矿技术的发展 根据充填物的类型，充填采矿技术可以分为水砂 充填、干式充填和胶体充填。经过大量实验发现，水 砂充填的效果最好，但是成本非常高。水砂主要是河 砂和水按照一定的成分形成的，在充填时通过管道注 入到采空区中，水砂在采空区中脱水后会对岩层的顶 板起到支撑作用。使用水砂充填技术存在一个问题， 即河砂的用量非常大，很多矿区并不具备这样的条件， 尤其是政府对河砂的管控越来越严，所以，这项技术 只在特殊情况下才会使用。鉴于此，现在很多矿区多 采用干式充填采矿技术和胶体充填采矿技术[5]。 干式充填采矿技术是以固体物质直接充填采矿区， 这种方式不需要对充填材料进行特殊的处理。常用的 干式充填物质有粉煤灰、固体废弃物和矸石等，但是 这种物质的强度非常低。由于采矿中充填物的需求量 非常大，干式充填物很难满足充填的要求。干式充填 有助于以非常低的成本处理一些垃圾物质，例如矸石、 粉煤灰等，有利于实现煤炭的绿色开采。 鉴于干式充填形成的充填物强度低的问题，特提 出了胶体充填采矿技术。这种技术是将 2 种水溶性物 质按照一定的比例配置成胶体，然后充填到采空区中， 凝固后可以对采空区进行有效的支撑。这种胶体的凝 固时间和强度可以通过控制 2 种混合物质的浓度来实 现，它可以满足不同回采条件的需求。这种充填材料 的生产已经实现了工业化，而且在井下运输方便，具 有很好的推广前景。 目前，充填采矿技术正处于发展阶段，在某些矿 区得到了很好的应用，但并未在全国推广起来。出现 这种情况的原因有 2 点a 充填采矿技术的成本难以 得到有效控制，采用的充填物质的成本有的已经超过 了煤炭本身的价值；b 充填采矿技术的效率受到充填 效率的限制，难以有效提高，这十分不利于煤炭的高 产高效。 3结语 针对煤矿开采过程中出现的环境问题，充填采矿 技术提供了一种有效的解决思路。煤矿开采过程中出 现的环境问题主要有矸石山污染、地下水断流和地表 沉陷。煤矿开采引发的环境问题主要是由煤层开采后 的岩层移动导致的，而解决这一问题的关键就是控制 岩层的运动。而对于煤矿开采中遇到的矸石山问题， 最有效和经济的方法是将矸石回填到采空区中去。充 填采矿技术是能同时解决岩层运动和矸石山问题的有 效方法。根据充填物的类型，充填采矿技术可以分为 水砂充填、干式充填和胶体充填。现在很多矿区多采 用的是干式充填采矿技术和胶体充填采矿技术。 参考文献 ［1］ 郭常胜.充填采矿技术在煤炭开采中的应用 ［J］ .能源与节能， 201911 153-154. 图 2煤层开采引起的地表下沉示意图 水平轴/m 上沉曲线Wx 时间轴/d 下沉随时间演变曲线Wt 地表沉陷盆地 竖直轴/m 采空区 煤层采空区 （下转 172 页） 170 2020 年第 5 期2020 年 5 月 （上接 170 页） ［2］ 孙勇平.煤矿开采中充填采矿技术 ［J］ .中国石油和化工标准 与质量， 2019， 395 239-240. ［3］ 郑登栋.浅析充填采矿技术在煤矿开采中的应用 ［J］ .江西建 材， 201618 218. ［4］ 李哲豪.煤矿采矿技术应用现状及改进技术探讨 ［J］ .科技展 望， 201411 120. ［5］ 常庆粮.膏体充填控制覆岩变形与地表沉陷的理论研究与实 践 ［D］ .徐州 中国矿业大学， 2009. （ 责任编辑白洁 ） 处于完善和摸索过程中，它还存在很多问题。早期， 沿空留巷时多采用密集支架、矸石堆垛和砌体墙的方 法进行支护，支护效率并不高，而且有时还不能满足 支护的强度。这些支护方式不仅支护材料消耗得多， 而且存在支护效果较差的问题，目前已经处于淘汰的 过程中。矸石垛充填支护方式是一种有效的方法，所 用的材料价格低，且施工比较简单，但是隔离效果很 差。这种支护方式在很多矿井都已经被淘汰了。砌体 墙支护的方法能有效保证支护强度，是一种简单易行 的支护方法。这种方法现在依然广泛使用，但是整体 效率很低，不能满足中国煤炭高产高效的要求。 为了更好地应用沿空留巷技术，发展了很多巷道 支护技术，例如混凝土隔墙法支护技术 （ 如图 1 所示 ） 、 桶柱式支护技术和膏体充填支护技术。这些技术施工时 非常便捷，效率非常高而且能保证支护强度，但还是存 在支护成本较高的问题，这是急需解决的。此外，有效 的支护技术能在短时间支护，但是长时间支护效果非常 差。在中国未来的煤炭综采中，预估将要应用很长一段 时间沿空留巷技术，因此，该项技术的发展前景相当可 观，需要进一步加强其在煤炭综采中的应用[5]。 图 1混凝土隔离墙沿空留巷支护技术 2加强沿空留巷技术应用的措施 随着综采技术的大规模应用，在煤矿开采中应用 沿空留巷技术具有很大的优势。因此，为了更好地在 煤矿综采中应用，应该提高沿空留巷技术的安全性和 经济性。下面将就这两个方面进行具体探讨。 2.1加强沿空留巷的安全管理 在煤矿开采过程中，任何时刻都需要关注安全问 题。分析大量统计数据可以发现，造成沿空巷道不安 全的因素主要是巷道支护强度和瓦斯问题。沿空留巷 的关键在于采用一些有效的支护技术来靠近采空区边 缘的巷道，如果不能使巷道处于稳定状态，则在开采 时存在很大的安全隐患。在进行沿空留巷时，还需要 考虑工作面开采支承压力重新分布对巷道的影响。通 常情况下，在回采期间，沿空留巷的巷道所承受的压 力更大，承受的最大压力是正常情况下的 2 倍。根据 矿井内所开采施工的特点和矿体结构的变形破坏机理， 保持矿井内矿体结构稳定性的关键技术是合理的支 护设计，坚固矿井的合理支护、顶板的合理支护，对边 角进行加固。此外，还需要关注巷道支护的时效性。由 于沿空巷道受到动压的影响，很难保证巷道长时间支护 的稳定性，可能会很难满足下个工作面的回采需求。 沿空留巷需要关注的另一个问题就是采空区的瓦 斯涌出问题。由于巷道靠近采空区一侧，如果密封不 严，巷道通风时，大量的采空区瓦斯会涌出，严重威胁 矿井的生产安全。与此同时，沿空留巷还使得通风系统 漏风增加，导致巷道通风困难，这也会影响生产安全。 因此，在支护完成后，需要定期对巷道靠近采空区一 侧进行检查，防止出现大量瓦斯逸出的现象。 2.2降低沿空留巷技术的成本 虽然沿空留巷技术有很大的技术优势，但还是需要 考虑这项技术的施工成本，毕竟经济效益也是十分重 要的。在很多情况下，沿空留巷所用的支护材料以及后 期维护量要高于普通巷道，这点是需要注意的。如果采 出的煤柱不能抵消这部分成本，则沿空留巷实际上是 不经济的。特别是在深部开采时，矿山压力越来越大， 沿空留巷所需的支护成本也越来越高。这也是后期需 要关注的内容之一。 3结语 沿空留巷技术是通过对加强支护保留下来的上个 工作面的回风巷道作为下个工作面的运输巷道来工作 的。这种技术的最大优势是提高了煤炭资源的回采率， 减少了煤炭资源的损失，减轻了巷道掘进的工作量。沿 空留巷的关键在于克服矿山压力显现问题，需要根据 矿山压力以及沿空巷道的矿山压力特点选择合适的支 护方式。沿空巷道需要承受较大的矿山压力，一方面， 要承受岩石自重引起的压力；另一方面，要承受煤层开 采过程中的超前支承压力。为了增加沿空留巷在综采工 作面的应用率，应该加大安全管理和控制施工的成本。 参考文献 ［1］ 管洲.沿空留巷技术在煤矿综采中的应用研究 ［J］ .矿业装备， 20196 92-93. ［2］ 朱相合.沿空留巷技术在综采工作面中的应用 ［J］ .自动化应 用， 201911 136-137. ［3］ 李晓鹏.沿空留巷技术在煤矿开采中的应用研究 ［J］ .内蒙古 煤炭经济， 201917 185. ［4］ 秦慧湖， 郭晶露.移动充填技术在综采工作面沿空留巷中的应 用 ［J］ .山东煤炭科技， 20198 42-44. ［5］ 马志恒.沿空留巷技术在综采工作面中的应用研究 ［J］ .水力 采煤与管道运输， 20193 73-75. （ 责任编辑白洁 ） 172