我国煤矿充填开采技术现状与发展.pdf

2 0 1 0年第 2期 煤炭工程 我 国煤 矿充填开采技术现状 与发展 惠功领 1 ．中国矿业大学，江苏 徐州2 2 1 008 ；2 ．平煤股份十二矿，河南 平顶山4 6 7 0 1 3 摘要 通过介绍我国煤矿 目前常用的三种充填开采技术特点与应用情况，详细阐述 了我 国 煤矿充填开采技 术的现状，并从煤炭开采对安全、环保、经济和高效等方面的要 求，分析 了我国 煤矿充填开采技 术的发展趋势。 关键词 充填开采 ；“ 三下”开采 ；充填材料 中图分类号T D 8 2 3 ． 7 文献标识码 B 文章编号 1 6 7 1 0 9 5 9 2 0 1 0 0 2 - 1 0 2 1 - 3 在我国，建筑物下、水体下、铁路下 简称 “ 三下” 积压了大量的煤炭资源。例如辽宁抚顺市区压煤两亿多 吨；京山线横贯开平煤田压煤近七亿吨，仅唐山矿井 田范 围内压煤就达一亿五千万吨；山东和江苏交界处的微 山湖 压煤也在七亿 吨左右；平煤股份十二矿剩余 可采储量仅 2 8 9 4万 t ，而 工 业 广 场 、风 井 和村 庄 压 煤 就 有 1 2 0 0万 t 。 “ 三下 ”压煤直接影响矿井接替 ，缩短矿井服务年限 。 随着煤炭开采技术水平的提高，为了解放 “ 三下”压 煤，煤矿 “ 三下”开采技术得到了极大发展⋯。我国煤矿 “ 三下”传统开采技术有离层注浆、条带式开采，其中离层 注浆不能有效控制地表下沉 ，成本高，效率低；条带式开 采，资源回收率低，一般不超过 5 0 ％，资源浪费严重。充 填开采不仅能有效控制地表下沉，而且资源回收率可达 9 0 ％以上。充填开采 目前有超高水材料充填、膏体充填、 固体物充填三种技术。 1 煤矿充填开采技术现状 1 ． 1 超 高水材料充填技术 1 ． 1 ． 1 充填材料 由中国矿业大学研制的Z K D型高水速凝充填材料是理 想的充填材料。该材料由A、B料和A A、BB添加剂构 成。该材料掺水量较高，可达 9 5 ％以上，大大减少了固体 粉料用量。该技术充填系统简单、占地少，充填泵送 系统 可建于井下 。 1 ． 1 ． 2 充填工艺 充填工艺采 用水力 泵送 、挂 包充填 。包括 充填泵 站 与 充填点两部分，其基本工艺流程如图1所示。 该充填工艺 系统相对简单 ，初期与总体投入均较低。 由于充填 材料 具有 流 动性 ，对于 仰斜 开 采 ，只需要 管 路 、 搅拌与泵送等设备就可以形成完整的充填系统；而对于水 平开采和俯斜 开采 ，还需 用充 填袋 ，效 率相 对较 低 ，月产 一 般在 5 0 0 01 000 0 t ，目前在综采机械化充填方面还没有 取得 突破 。 1 ． 1 ． 3 应用实例 冀中能源集团邯郸矿业陶一矿 1 2 7 0 1上 5工作面地表 有村民房屋建筑、冲沟、梯 田，地面标高 1 7 1 ． 2～1 7 9 ． 1 m。 工作 面 标高 一 1 4 5 ． 6～ 一 2 0 7 ． 0 m，工 作 面埋 深 3 1 6 ． 8～ 3 8 6．1 m。 工作面巷道沿煤层顶板掘进，按倾斜长壁开采法布置， 其走向长度为 5 0 ． 0 m，倾斜长度为 2 9 2 ． O m。因工作面下部 块段 的煤层受火成岩侵蚀情况较 为严重 ，因此采用炮采 。 该矿运用高水 材料充 填技 术进行 采空 区充填 ，已成功 采出压煤 2 0余万 t 。 1 ． 2膏体充填采煤技术 固体废物膏体充填是煤矿绿色开采技术的重要组成部 分 J ，它是一种将煤矸石、粉煤灰、劣质土等固体废物制 作成无临界流速、不需脱水的膏状浆体，通过泵压或重力 作用，经过管道输送到回采工作面，适时充填采空区的绿 色开采技术。膏体充填分胶结膏体充填、非胶结膏体充填。 该充填技术具有 高采出率 、环保、高安全性 等优点， 管道运输 ，材料选择广泛 ，目前已在多个矿井应用 ，在炮 采工作面应用较多，综采膏体充填技术正在研究。 1 ． 2 ． 1 充填材料 充填材料是 由煤矸石、水泥、粉煤灰、减水剂组成。 形成的胶结充填体浓度高，流动性能好，呈膏体状态。 1 ． 2 ． 2 充填工艺 充填骨料为破碎后的煤矸石，胶凝材料为普通硅酸盐 水泥 ，管道输送性能改良剂为粉煤灰和减水剂。各料在搅 拌桶中加水进行高速搅拌，形成高浓度的浆体沿充填钻孔 和管道 自流输送至待充填采空区进行充填。典型充填工艺 流程如 图 2所示 。 收稿 日期 2 009 1 1 0 6 作者简介惠功领 1 9 6 9一 ，男，河南南阳人 ，高级工程师，中国矿业大学博士研究生，现为平煤股份十二矿总工程 师，主要从事煤矿支护 、防突及安全管理方面的研究工作，已表论文 1 0余篇。 21 煤炭 工程 2 0 1 0年第 2期 加水 图 1 高水材料充填工艺流程 图2 煤矿膏体充填工艺流程 2 0 0 7年底新汶矿业集团孙村煤矿 2 1 1 0 1工作面采用了 仰斜膏体充填开采技术。该工作面埋深 4 1 0～5 8 0 m，平均 倾角 1 6 ． 5 。 ，面长 l O O m，煤层采高 2 ． 0～2 ． 2 m，单体液压 支柱配金属铰接顶梁支护顶板，柱排距为7 0 0 ra m 8 0 0 m m， 采用 两采一充、见五回一”开采方式 ，充填步距 1 - 6～ 2 ． 4m。 通过实践检验，2 1 1 0 1 工作面充填开采效果显著，工作 面月产原煤达到 1 ． 2万 t 以上，月消耗煤矸石 1万 t 以上， 实现了膏体充填开采的新突破。 1 ． 3 固体物充填技 术 1 ． 3 ． 1 充填材料 充填材料为破碎后的煤矸石或固体废料，或加煤灰、 黄土等材料，利用井下掘进矸石进行充填的置换开采技术 22 可实现矿井矸石的井下处理，做到矸石不上井 。 I ． 3 ． 2 长壁普采 或炮采 固体物充填技术 将岩巷和半煤岩巷 煤矸分装 掘进矸石或地面矸石山 矸石用矿车运至井下矸石车场，经过装载破碎机破碎后， 进入矸石仓。通过矸石仓下 口，经过胶带输送机将破碎后 的矸石运入上下山，而后载入采煤工作面的回风平巷 ，再 由工作面采空区刮板输送机运至工作面采空区抛矸胶带输 送机尾部，由抛矸胶带输送机向采空区抛矸充填。 新汶泉沟煤矿于2 0 0 6年开始试验和使用长壁普采 或 炮采 充填采煤技术，该技术利用井下矸石充填于采空区， 充填系统简单，机械化程度较高，装备投资少，充填效果 好 ，保护地面建筑物效果非常好。 1 ． 3 ． 3 长壁综采固体物充填技术 将地面矸石、粉煤灰、黄土等单一固体废弃物或者几 种充填物以合适的比例 昆 合后，通过大垂深投料系统 包括 防冲击力的缓冲系统 、防止堵仓设备、井上下调度监控系 统 、井下运输系统运至工作面，再通过挂在充填支架尾梁 上的充填开采输送机充填到长壁工作面充填区内，由夯实 机进行夯实 ，置换出煤炭资源，从而达到解放 “ -T”压 煤并控制覆岩运动及地表沉陷的目的。长壁综采充填采煤 技术 系统布置如图 3所示 。 图3 长壁综采充填采煤技术系统布置 与充填综采相配套的设备主要包括 自夯式充填开采液 压支架、充填开采输送机等。自夯式充填开采液压支架维 2 0 1 0年第 2期 煤炭工程 护了足够的工作空间，为工作面充填综采提供基本条件， 同时为充填料提供足够的夯实力 ，使充填料充分接顶且具 有一定的强度；充填开采输送机实现充填料安全高效地充 填入采空区。 充填工作在完成一刀采煤工作后进行，停止所有采煤 工序，将支架移到同一条线上，调整好充填支架后部充填 开采输送机 ，依次开动工作面充填开采输送机 、自移式充 填料转载机 、运矸胶带输送机等设备，进行采空区充填。 1 ． 3 ． 4 应用实例 邢台矿 7 6 0 6充填工作面处于工业广场 煤柱 内 ，走 向长 度4 6 0 m，倾斜长度 5 0 m，可采储量 1 1 ． 7万 t 。7 6 0 6工作面 从 2 0 0 8年 1 2月 1 7日正式试 采 ，到 2 0 0 9年 5月 2 4日结束 ， 累计采出原煤 1 1 ． 5 4万 t ，充填矸石粉煤灰地面固体废弃物 1 2 ． 6万 t ，实际充填率达到 9 8 ％ 以上 ，生产效率每工达到 2 2 t ，矸石充填开采成本较低 ，每吨增加成本在 5 0至 5 5元 左右，刨直接经济效益 4 4 o 0万元。 2 煤矿充填开采技术发展趋势 2 ． 1 发展 动 力 我国部分衰老矿井，一方面随着开采深度下延，灾害 严重，煤炭开采成本加大，越来越不适合开采；另一方面 “ 三下”压着大量适合开采的优质煤炭资源，需要安全高效 地 回采 出来 ；出于环保 的需要 ，大量矸 石 和城市垃 圾需要 处理 ；在安全方面 ，传统开采带来 的采 空 区 自然发火 、 出水、上隅角瓦斯超限，以及采空区大面积垮落带来的瓦 斯大量涌出等突出问题急需解决。 以上所有问题，通过采用合理的充填开采技术，都可 以得到很好的解决。充填开采消除了传统 的采空区，既可 以安全地开采 “ 三下”煤炭资源，又解决了采空区瓦斯超 限的安全问题 ，同时能处理大量的矸石和城市垃圾，而且 传统采空区带来的应力集中问题得到大大缓解，对于防突 和防冲击地压将有更大的意义。因此，充填开采技术必将 成为煤炭企业新的经济增长点，是我国煤矿开采技术的一 次革命。为此，以超高水材料充填、膏体充填、固体物充 填为代表的充填技术在我 国正在大面积推广 ，技术逐步 成熟 。 2 ． 2发展 目标 充填技术的发展方向以低成本、高效率、设备标准化 为 目标。低成本的技术思路体现在充填材料提倡变废为宝， 降低充填成本。未来充填材料将 以煤矸石 、粉煤灰、山沙、 河沙 、海沙 、戈壁 沙 、碎 石 、块石 、废 石 、劣 质 土 、城市 固体垃圾、矿山分级尾沙或全尾沙等多种材料为主。 超高水材料充填技术 、膏体充填技术具有设备简单等 特点，因其充填体具有流动性 ，管道运输，充填效率相对 较低，但对仰斜开采具有一定的适应性，目前正在进行与 综合机械化开采配套的技术研究，其效率必将进一步提高。 中国矿业大学固体物充填开采技术研究课题组发明了 长壁矸石充填综采技术，可以将地面矸石山矸石或洗选矸 石 、井下所有掘进 或分 选矸石 用于 采空 区充填 ，技术 成本 相对较低 ，实现架前采煤架后充 填 ，采充一体化 ，效率 高 ， 月产可达 5 万 t 以上 ，实现了高效机械化连续充填开采，具 有广泛的应用前景，代表了充填开采的方向。 3结语 煤矿充填开采技术是开采 “ 三下”压煤的根本途径， 是提高煤矿开采安全可靠性的一项革命性举措，是具有我 国自主知识产权的一项新技术 ，必将带来我国采矿技术的 一 次革命 ，同时为矿山采出矸石、解决矸石山污染及安全、 处理城市固体垃圾提供了一个新途径。 参考文献 [ 1 ] 徐法奎 ，李凤 明．我 国 “ 三下” 压煤 及开采 中若干 问题浅 析 [ J ] ．煤炭经济研究 ，2 【 x 5， 5 2 6～2 7 ． [ 2 ] 钱呜高 ，许家林 ，缪协 兴．煤矿 绿色 开采技 术[ J ] ．中 国 矿业大学学报 ，2 o o 3 ，3 2 4 3 4 3～3 4 8 ． [ 3 ] 周华强 ，侯朝炯 ，孙希奎 ，等． 固体废物膏体充填 不迁村采 煤 [ J ] ．中国矿业大学学报， 2 0 0 4 ，3 3 2 1 5 4～ 1 5 8 ． [ 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 ． [ 5 ] 王有俊 ．煤 矿矸石井 下处理 技术 [ J ] ．矿山压力 与顶板 管 理 ，2 0 0 5 ，2 2 1 1 1 5～1 1 7 ． [ 6 ] 杨国清， 刘康怀．固体废物处理T程 [ M] ．北京科学出 版社 ，2 O 0 0 ． [ 7 ] 李鹏波 ， 胡振琪．煤矸石山的危害及绿化技术的研究与探讨 [ J ] ．矿业研究与开发 ，2 0 0 6 ， 4 9 3～9 6 ． [ 8 ] 宋建军 ．推进 煤矸石 资源化 利用 的对策建议 [ J ] ． 中国煤 田地 质 ，2 o 6 ， 2 9～1 2 ． [ 9 ] 徐友 宁，衰汉春，煤矸石对 矿山环境的影响及其 防治 [ J ] ． 中国煤炭 ，2 0 0 4，3 0 9 5 O～ 5 2 ． 责任编辑李泽荃 ※ 信息 资 讯． 技术信息※ 合康变频创业板上市 北京合康亿盛变频科技股份有限公司于 2 0 1 0年 1月2 0日在深圳证券交易所正式挂牌上市，股票简称合康变频；股 票代码3 0 0 0 4 8 。公司首次发行 A股股票 3 0 0 0万股 ，其中网上发行 2 4 0 0万股，发行价格为每股 3 4 ． 1 6元。 本次募集资金拟新建通用高压变频器及高性能高压变频器生产线，年生产能力由目前的 5 0 o台提高至 1 2 0 0台，公司市 场份额有望在2 0 1 2年提升至国内市场总额的2 0 ％左右，将进一步巩固公司在行业中的龙头地位，成长为国内高压变频器 领域的领导品牌。另据，合康变频攻克矢量控制及能量回馈这两大技术难题，推出的具备四象限运行能力的能量回馈型系 列产品 H I V E R TY V F高压变频器，具备优越的恒转矩起动及快速制动特性，特别适用于矿山提升机等应用场合。 23