充填采煤技术在煤层开采中的技术要点分析

2011-12-30杨海河

中国新技术新产品 2011年21期

杨海河

（河北省唐山市开平区开滦荆各庄矿业分公司，河北省唐山市 063000）

煤炭作为主要的能源支撑在我国国民经济发展过程中扮演非常重要的角色，但是由于近几年能源需求的不断增大，我国煤炭产量也在急剧增大。为了提高自身在煤炭市场竞争环境中的地位，很多煤矿在没有经过系统规划后就直接投入大量采煤机械设备，进行无规划煤炭资源大肆开采，加上我国煤炭资源总体分布不均匀、煤炭开采地质条件差、以及东西部能源分布与能源需求间的不搭配，造成东部大部分煤矿矿井煤炭资源几乎接近枯竭，大多数已成为"三下"（建筑物下、铁路下、水体下）的难开采压煤。另外，我国在进行煤炭开采过程中，每年大致会向矿井周围地面堆放大约4.5亿吨的煤矸石等采煤固体留下的废弃物。这些废弃物的乱堆乱放不仅会占用大量有限耕地土地，同时还会随固体废弃物量的不断增加，造成严重的固体废物环境污染。因此，我国很多煤炭开采眼睛学者在总结我国煤炭开采现状后，提出了发展绿色煤炭开采技术的科学合理、高效经济的采矿理念,其中包括利用煤炭采矿区现存的固体废弃物(如：煤矸石、粉煤灰、黄土、以及黄沙等)直接充填，并回收矿井中难开采的"三下"压煤资源。煤矸石充填技是煤矿矿井中常采用的煤炭充填开采新技术，在工程实践中取得非常大的应用效果。因此，对煤矸石充填采煤技术进行分析研究具有非常重要的工程实践意义。

1 充填采煤技术研究现状

充填开采技术从1915年在澳大利亚北莱尔矿应用废弃矿石充填矿房以来，在近百年的发展过程中，充填开采技术在金属矿山等采矿工程应用中获得长足进步，并取得非常良好的应用效果。但在煤炭开采过程中还没有得到广泛退刚使用，这主要与煤炭开采的特殊环境条件等因素密不可分。因此，发展先进的煤矿充填采煤技术就成为煤炭开采研究人员研究的一个热点和难点。就目前我国常采用的充填采煤技术来看，大致可以分为膏体充填采煤技术、矸石充填采煤技术、以及高水材料充填采煤技术等多种充填采煤技术。

1.1 膏体充填采煤技术

膏体充填采矿技术在充填采矿工程中发挥非常重要的作用，尤其是在金属采矿工程中得到广泛推广使用。膏体充填采煤技术实际就是将煤矿矿井附近的煤矸石、粉煤灰、河砂、以及城市固体废弃垃圾等在需要填充的地面，按照相关配比要求加工制作成不需要进行脱水处理的牙膏状浆体，然后利用高压充填泵或重力加压进行加压灌注，通过浆体输送管道送入到需要充填的矿井下，根据工程实际地形适时充填已经采空的采煤区的充填采煤方法。由于膏体充填采煤技术所进行的充填与采煤工序均位于同一个工作面，同时充填体的构筑方法与金属矿山充填有所不同，需要构筑专门的充填膏体充填隔离支架，同时在充填过程中煤矿对充填材料强度性能水平要求较高，需要充填体在充填后数小时就能承载整个采煤过程。煤矿膏体充填采煤技术所采用的充填原材料多为劣质低质固体废弃物，其充填原材料品质间差距较大，质量波动非常大。

膏体充填采煤技术在采空区充填过程中具有料浆流动性好、充填密实度高、以及充填体强度较高等优势，能够对采矿区周围的岩层移动与地表沉陷进行有效控制。但由于整个膏体充填工程在初期投资非常高，根据大量文献资料和实际工作经验分析，初期投资通常高达3000万元左右，这样会导致煤矿吨煤充填成本相应大大增高，大致为60～100元/t，这也就限制了膏体充填技术在采煤过程中的应用。

1.2 矸石充填采煤技术

矸石充填采煤技术其主要充填材料为煤炭开采过程中产生的煤矸石，其主要动力是靠风力、重力、或其他机械等动力将以煤矸石为主的固体废弃物抛入或输送到矿井采空区进行充填采煤的方法。根据煤矸石动力源的不同，可以将矸石充填采煤技术划分为人工充填、自溜充填、风力充填、普通机械化充填、以及综合机械化充填等。人工煤矸石充填采煤技术由于其综合充填效率水平较低、劳动工作强度较大，加上回采工艺适应性非常差，在煤炭充填开采中很少采用。自溜充填和风力充填技术由于受到源动力输送不稳定等因素的制约，只有在外部条件非常优越特殊的矿区使用。普通机械化是根据采空区实际情况，采用专门机械如抛矸机等)将采煤过程中产生的煤矸石抛射向采空区进行充填采煤。普通机械化煤矸石充填技术利用井下开采过程中形成的煤矸石进行填充，其充填系统较为简单，装备综合投资成本较低，多用在薄及中厚煤层普采工艺中进行充填采煤。综合机械化矸石充填采煤技术，是指在综合机械化采煤作业工作面上，同时利用相关机械实现综合机械化矸石充填工程，是一个在采煤作业工作面上集采煤和充填等多工艺为一体的综合采煤技术。

1.3 高水材料充填采煤技术

高水材料充填采煤技术就是在充填材料中加入高水速凝固结材料的一种充填采煤技术，此采煤技术由于其用水量高，相应填充材料中所需固体材料就会减少，不仅可以有效克服煤矿充填过程中固体充填材料不足问题，同时有效简化其他充填技术在实际填充过程中需要购置庞大充填系统的填充工艺，加上填充固体材料使用量减少，充填料浆流动性好，填充施工操作较为方便，且投资较小，可以降低煤炭填充开采综合投资成本。但由于该技术中所使用高水材料填充物的抗风化及抗高温性能较差，煤矿采空区的充填物质量长期稳定性能较差。

此外，相对于全部充填采煤技术而言，部分充填采煤技术充分利用了采煤区的覆岩结构的自承载能力，从而大大减少充填工程量，有效降低了煤矿充填开采综合成本。

2 综合机械化固体充填采煤技术要点

实现综合机械化固体充填采煤的技术难点在于解决采空区实施充填的充填空间、充填通道、以及充填过程所带来的动力学问题。从大量工程实践，笔者认为在采用综合机械化固体充填技术进行综合采煤时，可以采取以下几种方法来解决综采作业面上进行综合机械化固体充填采煤工艺中所存在的三大技术难题:

2.1 拆除常规综采液压支架的掩护斜梁，用水平短梁取而代之,将填充固体直接充入到水平短梁掩护空间内，并不是将填充固体直接充入到采空区内，从而有效解决综合机械化固体充填采煤工艺中充填空间不足问题；

2.2 通过带式输送机将已配比好的充填固体直接运至挂在充填机械掩护短梁下面的刮板式充填机中,使采空区充填固体始终处于连续输送通道中，从而有效解决充填通道不连续，容易堵塞等问题；

2.3 充填固体由于自重从刮板式充填机开口中直接落入掩护短梁的掩护空间中,并再加压实机(或辅助动力机)的压力作用下将充填体在采空区中进行充分压实,从而实现煤矸石等固体填充物具有非常好的密实性能，为采空区充填后采煤提高一个优良工作环境。

3 矸石充填采煤技术经济效益分析

矸石充填采煤技术不仅解决了采煤过程中产生大量煤矸石等固体废弃物问题，同时实行矿井充填开采相结合的煤炭综合开采技术，可以有效提高矿井中有效煤炭资源的采出率，为煤矿企业创造出更大的经济效益。从实际应用所带来的社会经济效益来看，矸石充填采煤技术给各煤矿均带来了丰厚的利润。据一些统计资料分析，膏体充填采煤技术其综合成本最高，大约为105元/t；而高水材料充填采煤技术由于其充填材料均需外购，加上后期维护成本较高，其综合成本大约为67元/t，似膏体充填采煤技术其综合成本大约为73元/t；而综合机械化矸石充填采煤技术其综合成本大约为 55 元 /t。