煤矿充填开采的现状与发展趋势

煤矿充填开采的现状与发展趋势

摘要:本文结合前人的研究,对充填开采进行系统的阐述。利用井下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,又可以作为地下结构支撑体,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之一。

地下开采造成覆盖在开采层上面的岩层破坏、岩层移动及地表沉陷,造成地面建筑物、道路、管路、水体、水工工程及农田等的破坏,以致使生态环境也受到了很大影响。它长久以来是矿业学科领域研究助重点。虽然近年来发展了不少先进的采矿方法,但是由于人类加强了资源的合理开发利用和日益强烈的环境保护的意识,对采矿方法提出了更加严格的要求。因此,充填采矿法应该成为以后发展的采矿方法之一。随着采矿技术的发展,充填采矿法在国内外得到了迅速的发展与应用。1957年煤矿充填开采产量比重达到了15.58％。近几十年来,充填开采法在金属矿山获得了发展,国有重点有色金属矿山充填开采比重已达到68％。金属矿的成功经验证明,充填采矿法是一种回收率高、贫化率低的采矿方法,能适应困难的开采条件,特别在地表不允许破坏的矿床开采中,具有不可替代的作用。充填开采法是将煤矸石等固体废弃物作为主要充填材料充填到井下,一方面可以减少矸石的排放,另一方面可以控制岩层移动来减缓开采沉陷,实现建筑物下压煤开采和保护土地资源。因而,研究煤矿充填开采技术对发展绿色开采具有十分重要的意义。

1 煤矿充填开采的技术现状

目前充填开采法在金属矿应用较多,技术相对成熟,可以为煤矿的充填开采提供相应的借鉴。煤矿采空区充填开采技术在波兰、德国应用较多,充填材料通常是河砂、煤矸石和电厂粉煤灰。其中以水砂充填技术应用最多。正常情况下长壁工作面使用水砂充填后地表下沉系数为0.10～0.20。波兰采用水砂充填条带法,已经成功地开采了多座城市下的煤炭资源。20世纪60年代,我国抚顺胜利矿采用伪倾斜上行水砂充填长壁采煤法成功地开采了工广保护煤柱。但由于水砂充填采煤工艺复杂且成本较高,在我国煤矿没有得到推广应用。为了克服水砂充填存在泌水、需要建立复杂的隔排水系统等问题,20世纪80年代初国外发展了膏体充填技术。膏体充填技术的优点是:充填料制作成不泌水的牙膏状浆体,在较低流速情况下也能够正常地泵送,提高了充填效率。膏体充填技术在金属矿山得到了较快的发展。甘肃金川镍矿和湖北大冶铜录山铜矿推广应用了膏体充填技术。膏体充填技术在煤矿仅在德国沃尔萨姆等煤矿进行过初步试验。我国学者对膏体充填技术在我国煤矿应用的可行性进行了探讨,目前正在有关煤矿开展工业性试验。20世纪80年代后期抚顺矿务局借鉴国外的经验,在我国首次采用离层注浆减缓地表下沉的试验取得了成功,此项技术引起了我国从事开采沉陷及“三下”采煤的专家和工程技术人员的重视,先后在新汶华丰煤矿、兖州东滩煤矿、开滦唐山煤矿等进行了离层注浆减缓地表沉降现场试验,取得了一定的成效。进入到21世纪,充填技术在不断改造与创新的过程中得到发展与进步。从20世纪70～80年代开始,胶结充填、膏体充填、高水速凝材料固结充填相继试验成功并开始在煤矿使用。但是都存在着某些缺点,如:胶结充填采用水泥作为胶凝材料,其固结细粒的能力差,充填体初凝时需要少量脱水,造成料浆中水泥颗粒析出流失,污染井下作业环境,降低充填体的强度;膏体泵送充填输送技术难度高,一次性投资巨大;高水速凝材料固结充填存在着高水速凝材料来源少、成本高等问题。总之,受充填材料来源及技术经济条件的制约,在我国经济效益较差的煤炭行业的“三下”开采中还无法应用。因此,拓宽充填材料来源的范围、降低充填的成本成为推广充填开采技术的关键因素。

2 煤矿几种典型的充填开采工艺

从我国煤矿充填法发展过程来看,充填开采可分为传统煤矿充填工艺和现代煤矿充填技术。

2 . 1 传统煤矿采空区充填工艺有以下几种

(1)水力充填—水力充填法是采用水力输送方式,通过充填管路将充填料浆送入采空区进行充填的煤矿采空区充填工艺;

(2)粉煤灰充填;

(3)风力充填—风力充填采煤法是利用压缩空气的风压,将充填材料通过垂直管路输送到井下贮料仓,然后由普通输送机输送到采空区风力充填机,风力充填机利用风压,通过充填管道将充填材料输送到采空区进行充填;

(4)矸石自溜充填工艺是用单轨吊车、齿轨车或卡轨车等新型辅助运输工具把矸石由掘进工作面直接运输、倾卸到采空区。当煤层倾角较大时,采用矸石自溜充填法对采空区进行充填;

(5)矸石带状充填—矸石带状充填是沿工作面开切眼或推进方向,每隔一定距离垒砌一个矸石带来支撑顶板,以达到减少地表下沉的目的。

2 . 2 现代煤矿充填技术包括以下几种

2.2.1 注浆胶结充填技术

注浆胶结充填技术可分为两种,一种是采空区高浓度浆液充填技术,另一种是离层带注浆技术。采空区高浓度浆液充填是将膏状的高固低水浆液在地面制备后,用管道输送到

井下工作面,在工作面推进过程中同时充填采空区。利用冒落带特性,在采空区冒落矸石之间的空隙未被压实之前,由钻孔向离层空间注浆,具有固化功能的细粒级浆体填充离层和冒落空间,在有限的时间内充填材料与冒落矸石胶结后,形成固化体与冒落的岩块共同支撑上覆岩层,发送了采空区上覆岩层的物理力学性质,起到减缓地表变形的作用。离层带注浆是最近几年研发的一种岩层控制的方法。其原理为:在一定的地质条件下,开采空间达到一定尺寸时,采空区上覆岩层中断裂带与弯曲带的结合部一定范围内岩层会出现离层,通过地面钻孔向离层带内注入粉煤灰等充填材料,并在岩体中形成一种支撑结构来控制覆岩下沉,进而达到控制地表下沉的目的。

2.2.2 膏体充填技术

膏体充填是在煤层采出后顶板冒落前,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,对采空区的一部分空间进行充填,构筑相间的充填条带,靠充填条带支撑覆岩,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、非胶结膏体填。该充填技术具有高采出率、环保、高安全性、管道运输、材料选择广泛等优点。应用实例:2007年底新汶矿业集团孙村煤矿21101工作面采用了仰斜膏体充填开采技术。新汶矿业集团孙村矿采用2套充填系统联合运用, 其一,主要应用膏体充填,其二辅以矸石充填,达到矸石不上井。充填系统如图1。

2.2.3 超高水材料充填技术

超高水材料充填技术采用由中国矿业大学研制的ZKD型高水速凝充填材料(该材料由A、B 料和A-A、B-B添加剂构成。该材料掺水量较高,可达95%以上,大大减少了固体粉料用量)作为理想的充填材料。并采用水力泵送、挂包充填。其基本工艺流程如下:制作高水速凝充填材料,将材料送至泵,然后由泵送进行充填,随时监控充填情况。冀中能源集团邯郸矿业陶一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20余万t。

2.2.4 煤矿似膏体充填技术

煤矿似膏体充填技术是利用全砂土固结材料(选用工业废渣,如沸腾炉渣、钢渣、高炉水淬矿渣,再加入适量天然矿物及化学激发剂,经磨细、均化等工艺,制成的一种粉状物料)做胶结剂,工业垃圾或河砂等作骨料,骨料中配以15%～30%的细粒级砂(-37μm),制成重量浓度为74%～76%,外观近似膏体一样的浆体(称之为“似膏体”)进行充填,称为“似膏体充填”。似膏体充填料浆既具有水力充填料浆良好的流动性,又具有膏体充填强度高、井下不脱水的优点,是现代煤矿采空区充填的理想方法之一。通过煤矿似膏体充填技术的试验,煤矿似膏体充填技术改善了井下的采矿作业环境;降低了充填采矿费用;提高了充填采矿生产效率;提升了安全采矿水平:似膏体充填可以有效地控制地压活动,能有效的避免内因火灾的发生。

3 我国煤矿充填开采技术的发展趋势

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重要举措,是具有我国自主知识产权的一项新技术,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。充填开采消除了以往所谓的采空区,不仅可以安全地开采“三下”煤炭资源,而且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。因此,充填开采技术必将为煤炭企业带来巨大的利益。同时,以膏体充填、超高水材料充填、煤矿似膏体充填技术为代表的充填技术在我国正在大面积推广,技术逐步走向成熟。虽然充填开采技术取得了巨大的发展,我们也应该看到其不足之处;因此我们的研究人员还要做更多的研究,如:研发新型的充填材料,尽可能利用矿井固体废料,减少固体污染,提倡变废为宝降低充填成本;深化充填理论研究,量化充填介质特性、充填参数对于地表沉降的关系;研发新型的充填装备,包括输送机、充填支架等;长壁连续充填将是充填开采技术的发展趋势,因此,应加大研究力度。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。充填技术的发展方向以低成本、高效率、设备标准化为奋斗目标。