高水膨胀材料充填采煤技术简介

高水膨胀材料充填采煤技术简介
一、研发背景
“三下”压煤是我国煤矿普遍存在的问题。

据统计，国有重点煤矿的压煤总量约138亿吨。

其中，建筑物下压煤近90亿吨。

由于村镇规模的不断扩大，实际压煤量远高于这一数字。

仅以山东为例，现有的80亿吨煤炭储量中有50%是“三下”压煤。

我国现行的“三下”压煤的开采技术，存在的突出问题是：或资源的回收率低，或地面发生明显沉降。

据文献报道，条带开采方式虽然能保证地面不发生明显沉降，但其资源回收率不到50%。

水沙、矸石、膏体和似膏体等充填开采方式的回收率虽能提高到65%左右，但不能保证地面不发生明显沉降和不能保护地上建筑物不受破坏。

长期以来，我矿一直受到“三下”压煤和地表“沉降”两大难题的困扰：一是不断增加的地面建筑物使近千万吨的储量变为“三下”压煤而无法采出；二是垮落法采煤导致的地表沉降使周边村庄的房屋建筑和良田受到较大破坏。

也正是由于这两大难题的存在，具有丰富主焦煤资源的临淄煤田的开发曾被永远放弃。

二、技术要点
1、充填材料
（1）原料成份
A、基料：粉煤灰、赤泥、尾矿、风积沙等硅质材料；
B、辅料：石膏、石灰、水泥、铝养熟料和膨胀剂。

（2）料浆特性
将基料和辅料混合后，制成固水质量比为1：1.3～1.5的充填料浆，即高水膨胀材料。

其特点为：
A、良好的流动性。

料浆在2小时以内呈液体状态，可实现自流输送。

B、适度的膨胀性。

料浆2小时以后开始固化并伴随30%以下的体积膨胀。

体积膨胀可使固化后的充填体实现与顶板的主动接触。

C、足够的稳定性。

固化后的充填体是基料中的二氧化硅、三氧化二铝与辅料中的碱土氢氧化物发生化学反应而生成的具有水硬胶凝性能的含水硅酸钙和含水铝酸钙。

这两种化合物的化学性质非常稳定。

D、较强的抗压性。

固化后，充填体的单向抗压强度表现：12小时达到0.5Mpa；24小时达到1.2Mpa；2个月达到15Mpa；19个月达到30Mpa。

2、充填工艺
（1）料浆制备系统
A、初浆罐。

容积为60～240m3，供浆能力55～220m3/h。

其用途是将固体的基料配制成固水质量比为1：1.3～1.5左
右的初浆。

B、辅料罐。

容积为60～150m3，给料能力30m3/h。

其用途是装储和向成浆罐供给辅料。

C、成浆罐。

容积为16m3。

其用途是连续将初浆与辅料制成充填料浆并备送充填单元。

（2）料浆输送系统
由钢复合超高分子量聚乙烯管路和控制阀门组成。

其用途是将料浆送至充填单元。

3、充采方法
（1）长壁充采工艺
A、采用三班作业。

其中：两班采煤，一班充填。

B、每昼夜完成一个充采循环，循环进尺2.0m。

（2）房柱式充采工艺
A、采用“充二采一”方式。

即：充填两个已回采的相邻的房，回采中间的煤柱。

B、配备3个采煤班组和1个充填班组，实行单独和平行作业。

4、与其他方法的比较优势
（1）基料和辅料的来源充足而且丰富。

因此，适合推广的地域相对广泛。

（2）30%以下的体积膨胀使充填体实现支撑式主动和完全接顶。

因此，可以实现控制围岩移动。

（3）充填体最终单向抗压强度可超过10Mpa。

因此，可以有效控制围岩移动。

（4）充填体中的含水硅酸钙和含水铝酸钙是化学性质非常稳定的化合物。

因此，可以长期控制围岩移动。

（5）充填站建设投资500万元以下。

因此，可以降低固定成本5-20倍。

（6）充填作业劳动定员10人以下。

因此，可以降低劳动成本5-7倍。

（7）充填料浆实现数控制备和自流输送。

因此，可以降低运行成本2-5倍。

（8）大量消耗固体废弃物和污染物。

因此，可以有效促进生态环境的保护与治理。

（9）控制地表无明显沉降。

因此，可以实现“三下”资源的高回收率开采。

三、创新点
1、研发了“自流输送、主动接顶”的高水膨胀充填材料，该材料具有“固化时间短、早期强度高”等优势。

2、研发了“设备数量少、工艺流程短”的料浆在线数控制备和自流输送系统，该系统具有“充填速度快、运行成本低”等优势。

3、研发了长壁充采工艺和“煤柱置换”充采工艺。

该工艺具有“三下”压煤的高回收率开采和地表无明显沉降等
优势。

四、效果分析
充填工作面长期的超前压力、顶底板移进和地表沉降观测显示：
1、充填法采煤工作面的矿压显现不明显。

充填法采煤工作面超前压力峰值为0.08Mpa，且变化平缓；垮落法采煤工作面超前和峰值为2.87Mpa，且变化剧烈。

2、充填后采空区的顶底板之间没有明显移近。

顶底板移近量最小值为0.5mm，最大值为20mm，平均值为6mm。

3、充填后采空区的地表无明显沉降。

地表最小沉降值为2mm，最大沉降值为5mm，平均沉降值为4mm。

五、技术应用
1、淄博市王庄煤矿建成了45万吨/年充填能力的充填站，在一级及以下公路和村庄下进行薄煤层的条带式充填采煤工艺的应用。

2、与阜新矿业集团有限公司合作，分别在彩屯煤矿和艾友煤矿分别建设90万吨∕年充填能力的充填站，进行井筒保护煤柱和铁路压煤的整体式充填采煤工艺的应用。

3、与淄博矿业集团有限公司合作，在埠村煤矿建设60万吨∕年充填能力的充填站，进行承压水体上的条带式充填采煤工艺的应用。

4、与淄博坤升实业有限公司合作，建设45万吨∕年充填能力的充填站，进行村庄下和承压水体上的条带式充填采煤工艺的应用。

5、与淄博矿业集团有限公司合作，在许厂煤矿进行村
庄下的中厚及以上煤层的房柱式充填采煤工艺的应用。

六、产业合作
1、整体转让：向受让方整体转让该技术的原料配方等核心技术，按拟解放储量的大小收取技术转让费。

2、合作经营：以该技术作为股份与委托方成立股份制法人企业，利用高水充填技术联合开采“三下”资源，企业的利润分红作为技术收益。

3、工程承包：淄博市王庄煤矿利用该技术注册“淄博王煤矿业有限公司”独立的法人企业，整体承包合作单位的充填工程。

七、推广意义
随着煤炭生产规模的不断扩大，生态环境问题也愈加严峻。

除了地面沉降和建筑物遭受破坏外，地表水和地下水减少、矸石露天堆积、土地沙漠化等问题也日益突出。

另一方面，煤矿开采强度的不断增加，瓦斯灾害、煤层自燃、透水灾害和顶板垮落等生产事故也日趋严重。

因此，推广应用高水膨胀材料充填采煤技术，对于促进煤炭行业的绿色开采将产生积极影响。

1、保护水资源不受破坏，实现保水开采
该技术可以有效控制岩层的运动，实现隔水层的稳定和隔水层“〇”形集中裂缝带的“裂隙弥散”，防止或减弱导水裂隙带的形成，从而使煤炭开采过后的地表水和地下水不
受影响或破坏，达到矿井水资源的保护和综合利用的目的。

2、保护矿区的地面不发生明显沉降，实现减沉开采
充填体保证了顶地板之间无明显移近，使原始的岩石力学平衡状态不发生明显破坏，垮落法导致的冒落带、裂隙带和弯曲下沉带不发生，从而采区范围内的地表不因采煤而发生明显沉降。

3、利用矸石进行辅助充填，实现减少或消灭矸石排放
该技术可以使用将矸石作为辅助材料直接充填到采空区，然后再进行高水膨胀材料的充填。

这样，可以保证矸石不上井，减少或消灭矸石排放。

4、消除自然灾害条件，有效防止生产事故
充填体可以控制采煤工作面的围岩移动，从而可以避免顶板的大面积垮落和承压水的突然涌出；充填体充实了采空区，减少了有害气体的积聚空间和改善了采煤工作面的通风条件，从而可以降低瓦斯灾害；采空区充实后，隔绝了浮煤与氧气的长期接触，从而可以消除煤层自燃灾害。

八、深入研究
长期以来，我们与中国煤炭科学研究总院、中国矿业大学、天地科技股份有限公司、北京工业大学、山东科技大学、青岛理工大学和黑龙江科技学院建立了长期的合作关系，并组成了实力较为雄厚的研究队伍。

1、淄博市王庄煤矿院士工作站已由山东省科技厅批准
成立。

其基本情况为：
（1）中国工程院院士、中国矿业大学教授钱鸣高；
（2）煤炭科学研究总院特殊采煤与矿区环境治理技术研究所所长、博士生导师、研究员张华兴及其他相关专家7人；
（3）中国矿业大学教授许家林及其他相关专家3人。

2、我矿的技术研究中心已成为山东科技大学充填开采教学实践基地和青岛理工大学自动化控制教学实践基地。

3、研究方向
以高水膨胀材料充填采煤技术为依托，探索高水膨胀材料的基料来源和各种条件下的充采工艺，依据岩层控制的关键层理论，深度研究和全面开发高水膨胀材料充填开采减沉技术。

（1）研究尾矿、赤泥和风积沙等硅质材料制备高水膨胀材料的工艺与配方。

（2）研究各种条件下上覆岩层的移动规律和相应的控制技术。

（3）研究井筒保护煤柱、铁路压煤、承压水体上下的充采工艺。

（4）研究中厚及以上煤层的房柱式充采工艺。