1、专题部分综采工作面矸石充填技术初探摘要：充填采煤法师利用充填材料充填采煤工作面采空区的岩层控制方法。该方法可以缓和工作面支承压力产生的矿压显现，改善采场合巷道维护状况，有效减少地表下沉和变形，提高采出率，保护地表建筑物、构筑物、生态环境和水体。按向采空区输送充填材料的动力不同，充填采煤法分水利充填、机械充填、自溜充填和风力充填。我国早在20世纪初就开始应用水砂充填采煤法，1957年得产量达到总产量的15.6%，目前水砂充填技术十分成熟。由于回采工序多，工艺复杂，充填系统投资大，吨煤充填成本提高等原因，20世纪70年代以后，应用的规模逐渐减小，目前通过充填方法开采额产量已明显下降。自溜充填只适用
2、于急倾斜煤层开采。我国北票台吉矿，淮南孔集矿、四川中梁山矿曾有过应用，其共同特点是用矿车将矸石运至工作面回风平巷，并在工作面后方将矸石抛入采空区。该充填采煤法由于工序多，工效低，目前已少用。机械矸石充填对充填材料要求不严格，使用设备也较少，近年来在我国山东矿区有相当多的发展，并有推广的趋势。充填采煤法可用的充填材料较多，有河沙、矸石、煤粉灰、废油母页岩等。由于充填材料耗量大，成本相差较多，又直接影响输送费用，是决定充填成本的重要因素。充填材料选择的原则是：数量和质量基本上能满足充填方法的要求，且价格低廉，便于输送，有利于安全和当地环境。关键词：“三下采煤”；矸石充填；岩层控制1 引言“以矸换煤
3、”备受瞩目 ,源于其具有极强的现实针对性和迫切的应用要求。国土资源部的资料显示 ,我国每采万吨煤沉陷土地面积达四五亩 ,过去 50 a 因采矿沉陷的土地达 950 万亩 ,引起的水土流失、土地荒漠化等多种灾害现象十分严重 ,引发的农民失地现象十分复杂;今后一个时期 ,我国煤炭开发集中度将进一步提高 ,土地塌陷问题更为突出。资料还显示 ,我国矸石积存量已达 415 Gt ,每年新增矸石125 Gt ,占地超过15000公顷 ,约有130多座矸石山常年自燃 ,侵占土地 ,污染环境 ,且每年排放的污染物 ,正以数亿吨的速度递增。显然 , “以矸换煤”解决了传统开采工艺造成的生态与环境破坏问题 ,实现
4、了资源开发利用最优化和生态环境影响最小化 ,值得推崇。但推广实施“以矸换煤”是一项艰巨而复杂的任务 ,不可能一蹴而就。国家政策支持是保障 ,煤企作为是关键。煤企要走上绿色开采新路 ,须解决好“想不想干”和“怎样干”的问题 ,应在以下两个方面有所突破。观念是行动的先导。长期以来 ,煤炭开采主要以保证安全、提高回收率、高产高效为目标 ,而忽视了大规模开采对耕地、环境的破坏。“以矸换煤”是对传统开采模式的挑战 ,必然与一些老观念、老做法产生冲突。特别在当前 ,煤炭价格节节攀升 ,煤炭企业效益普遍较好 ,易让一些人满足于现状。如果沉迷于惯性思维 ,陶醉于现有效益 ,新矿就不会有“以矸换煤”。资源开发必
5、须与环境协调 ,这是采矿者的责任。推广“以矸换煤” ,迫切需要煤企转变观念 ,增强“与环境相依 ,与社会同步”的责任感。“以矸换煤”说起来容易做起来难 ,难在技术上。新矿为实现“以矸换煤” ,先后投入数亿元资金搞前期研发 ,经过上百人多年公关 ,建立了矸石直接充填置换煤的岩层控制理论 ,发明了矸石直接充填置换煤的方法、工艺与装备 ,期间获得专利技术30多项。实践表明 ,技术创新 ,是实现“以矸换煤”绿色开采的坚强支撑和强大动力。期待更多的煤企 ,面对资源紧缺、环境污染等现实 ,加快科技创新步伐 ,以科技进步为煤炭矿区可持续协调发展 ,开辟出越来越多的绿色路径。矸石机械充填或风力充填采煤法是利用
6、机械或风力将充填材料矸石抛入或输入采空区的充填采煤法。我国有长期使用水砂充填的经验和成熟的技术, 作为一种适应我国国情的资源节约、环境友好的 但近年来水砂充填采煤法的应用范围和产量均在减少,随着对环境保护的要求日益提高,矸石充填采煤法已有较大的发展,并不断完善和发展,有取代水砂充填采煤法的趋势。矸石充填采煤法的优点有: （1） 矸石充填采煤法不仅从根本上解决了我国 “三下 ”压煤开采问题,而且用矸石置换出永久煤柱的煤炭资源。因此,矸石充填采煤法为煤炭资源的充分开发提供了一个新的技术支持,不仅缓解了我国煤炭资源相对短缺的压力,而且为煤炭企业带来新的利润增长点。（ 2） 矸石充填采煤法是一项处理和
7、利用矸石的新思路。该方法可以把煤矿生产中所产生的煤矸石填入井下,实现矸石不上井、地面不建矸石山,从而解决了煤矸石大量堆积带来的环境污染问题和土地侵占问题。 （3） 矸石充填采煤法能够减少煤炭开采引起的地面塌陷,从而减轻了地面塌陷对地面建筑和耕地的破坏,保护了土地资源。煤矸石自燃是矸石中碳物质燃烧。在煤矸石自燃的过程中，燃烧充分时主要生成CO：，燃不充分时则CO增多。此外还产生游离碳(表现为黑烟)，随着温度增高，部分矸石熔融，矸石山空隙减小，供氧出现不足，CO的产生量相对增多。CO由呼吸道进入人体，易与血红蛋白(Hb)相结合，生成碳氧血红蛋白(COnb)，阻碍血红蛋白向体内供氧，引发人的中枢神经
8、系统和酶活性中毒。CO：则大部分进入大气中，大气中CO浓度增加，必然会对生态平衡带来一定影响，主要是加剧了“温室效应”。煤矸石在燃烧过程中，有机硫化物分解氧化生成s0。S0是无色但具有特殊臭味的刺激性气体，在人体吸入浓度低时，主要是刺激上呼吸道，引发气管炎等呼吸道疾病。煤矸石中的黄铁矿，在自燃过程中放出硫化氢(Hs)，这是一种对人有强烈刺激的难闻气体，对人体影响类似SO。煤矸石在运输、处理和加工过程中产生粉尘，对大气环境造成严重污染。此外煤矸石从排放一开始，到风化破碎之后较长时间一直慢慢地释放着它本身带有的甲烷(CH)，严重污染着大气。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
9、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。近年来，随着高速动力抛矸机、矸石充填液压支架等关键设备的研制成功，长壁工作面高效矸石充填开采工业性试验在新汶矿区取得了初步的成功，为开采沉陷控制提供了一种新方法。本文在简要介绍长壁工作面矸石充填采煤原理的基础上，分析了长壁工作面矸石充填开采沉陷机理和过程，提出了矸石充填开采覆岩破坏和地表沉陷的预测方法；并结合兖州矿区某煤矿3 煤采区地质采矿条件，预测研究了矸石充填开采沉陷控制的效果。2长壁工作面矸石充填工作原理简介2.1长壁综采工作面矸石充填工作原理简述长壁综采是我国目前中厚煤层或厚煤
10、层分层开采最常用的安全、高效采煤方法。长壁综采工作面矸石充填开采工艺包括长壁工作面综采和采空区矸石充填两部分。综采工作面采空区矸石充填是依靠专门研制的矸石充填综采液压支架后部的悬挂式矸石充填运输机来自动完成。充填矸石通过回风巷运矸皮带运至工作面端头并转载到液压支架后部的悬挂式矸石充填运输机上，通过矸石充填运输机的上刮板向下运输并向采空区充填矸石；下刮板向上推平漏矸孔下漏的矸石，并使矸石充填密实、均匀；随着矸石充填高度的增加，悬挂式矸石填运输机会随之上升，并利用其自重对矸石的反作用力来压实充填矸石1。如图 1 所示。图一 矸石充填过程剖面示意图2.1.1长壁普采或炮采矸石充填工作原理简介长壁普采
11、或炮采仍是我国目前应用较普遍的采煤工艺，其最主要的特征之一是采用单体支柱和顶梁支护顶板。高速动力抛矸机是实现普采或炮采单体液压支柱工作面后方采空区矸石密实充填的关键设备，可将矸石高速抛入采空区进行充填理论分析和模拟试验研究表明 ：矸石充填后的密实度与抛矸的初始速度密切相关。充填矸石在高速冲击作用下发生相互碰撞和挤压，不同粒径矸石间发生振动密实作用，可大大增加矸石充填的密实程度。高速动力抛矸机的结构和工作原理如图2 所示在工作面回风巷敷设运矸皮带，在工作面铺设一部运煤溜子和一部矸石充填溜子，端头安置高速抛矸机运煤溜子随工作面推进前移，矸石充填溜子随充填而缩短。依据充填量决定采煤量，可确保充填与采
12、煤一体化作业2。其抛矸充填工艺流程和工作面开采平、剖面布置如图3 和图4 所示。 2.1.2 长壁工作面采空区矸石充填效果分析 当采用全垮落法管理顶板时，随着长壁工作面的推进，采空区顶板岩层首先在自重应力及上覆岩层重力的作用下，产生向下的移动和弯曲，当其内部应力超过岩层的抗拉强度时，直接顶板首先断裂、破碎并相继垮落而基本顶岩层则以梁、板形式沿层面法向移动、弯曲，进而产生断裂、离层。这一过程随工作面推进不断重复直至上覆岩层达到新的应力平衡状态，此时在地表形成比采空区大得多的下沉盆地。从上述分析可以看出，岩层移动的主要原因是煤炭的开采打破了上覆岩体的应力平衡状态，而垮落岩石的碎胀有效地减小了上覆岩
13、体的下沉空间，是岩层移动停止的关键因素。当采用矸石充填采空区时，充入采空区的矸石体占据了采煤形成的大部分空间，限制了顶板垮落下沉量，这是有效控制上覆岩层移动和减轻地表沉陷的主要原因。充填采空区的矸石体经充分压实后可恢复其承载能力，相当于置换了等厚度的煤层（称为有效充填厚度）；如同岩层移动后期主要是破碎岩体的压实和上覆岩体中离层、裂隙的闭合一样，矸石充填开采岩层移动后期也主要体现为充填体的压实沉降。矸石充填后沉陷控制效果的关键在于矸石充填体对上覆岩层移动空间的减小程度。从这一观点出发，归纳出影响矸石充填开采覆岩破坏高度的主要因素包括：充填前顶底板移近量、矸石充填体的接顶距离、矸石充填体的相对压实
14、度、矸石充填体的剩余压缩率等。下面依次分析各因素对沉陷控制效果的影响。(1) 充填前顶底板移近量与长壁工作面回采相比，采空区充填具有一定的滞后性，此时在矿山压力的作用下，液压支架具有一 定的压缩量，减小了采空区可供充填的空间高度。依 据经验近似估计矸石充填区域的顶底板移近量按最小值。 (2) 矸石充填体接顶距离 矸石属于散体材料，在水平和缓倾斜煤层条件下， 由于散体材料的流动性以及机械充填条件的限制，充填体与顶板之间总存在一定的距离，这一距离的存在为顶 板进一步断裂下沉提供了可能。对于综采面矸石充填液压支架设备来讲，接顶距离主要由以下 2 部分构成：液压支架后部顶梁厚度 （约厚200mm）和悬
15、挂式矸石运输机厚度（约厚 270 mm）。因此从理论上讲，矸石充填体的接顶距离最好时可控制在 470 mm 以内。根据新汶矿务局翟镇煤矿矸石充填工业性试验现场实测，其接顶距约为 500 mm 左右。对于普采面高速抛矸充填工艺，使用高速抛矸皮带机械充填，抛矸速度可达 5 m/s 以上，充填接顶实，空隙小，充填效果接近水力充填，远好于风力充填；其接顶距离可控制在 150 mm 以内。(3) 矸石充填体的相对压实度矸石的压实度反映充入采空区的矸石的压实程度，压实度越大，则矸石充填体的密度越大，在上覆岩层荷载作用下二次压实量越小。对于传统的手工矸石充填与风力矸石充填来讲，由于缺乏压实的过程，导致矸石初次压实度较小，在上覆荷载作用下，二次沉陷量大，这也是传统矸石充填效果不佳的原因之一。用充填矸石液压支架和自压式矸石充填机进行采空区矸石充填，充填第二阶段的自充自压过程增大了石的压实度，减小了上覆荷载作用下充填体发生的二次沉降。(4) 充填矸石体剩余压缩率当老顶弯曲下沉、直接顶垮落下沉并与矸石充填体接触后，此时矸石充填体将开始承担上覆岩体荷载作用。受上覆荷载作用，矸石充填体将产生进一步的压缩，其剩余压缩率取决于矸石材料性质、上覆岩层荷载大小和充填矸石的相对压实度。相对压实度越高，则剩余压缩率越小。充填矸石体的剩余压缩
