1、专题部分矸石充填开采原理与技术摘要：本文介绍了煤矸石充填开采意义，煤矸石充填方式的选择，机械输送、原生矸石充填方式，膏体充填技术相对于机械充填技术的优缺点，充填技术与设备，矸石充填工作面实测结果分析，煤矸石充填技术方案，工作面充填工艺，矸石充填开采技术项目简介以及固体充填采煤技术以及几个实例：五沟矿运用含水层下矸石充填开采技术，矸石充填开采技术项目简介，固体充填采煤技术，新汶矿区翟镇煤矿综采工作面直接利用井下原生矸石充填开采的方法，论述了其充填工艺机理流程、充填设备设施及充填效果，实现了充填开采降低地面污染、减少地表下沉、提高资源回收率、延长矿井服务年限的目的关键词：矸石充填；绿色开采；矸石充
2、填技术1概述 温家宝总理在政府工作报告中将资源和环境问题提到了十分重要的位置。针对我国煤炭开采过程中存在的资源与环境问题，解决采煤过程中的土地资源、煤矸石资源等问题刻不容缓。我国目前每年由于煤炭开采塌陷土地面积约4万公顷，受煤炭开采影响下沉的土地面积约60万公顷，直接经济损失约20亿元。煤矿开采造成的土地破坏不仅使农民失去赖以生存的土地，而且还导致了一系列严重的社会与生态环境问题。此外，我国目前全国历年累计堆放的煤矸石约45亿t，规模较大的矸石山有1600多座，占用土地约1.5万公顷，而且堆积量每年还以1.52.0亿t的速度增加。同时，煤矿区自备电厂生产中排放大量粉煤灰，历年排放达到5 亿t以
3、上，且每年新增57 千万t。排放矸石、粉煤灰等固体废弃物对人类的生存环境和条件带来很大的威胁与危害。由此可知，研发一种解决“三下”压煤规模性开采及消除矸石、粉煤灰的排放带来的环境污染等问题的开采技术，实现矿区绿色开采及可持续发展是矿区亟待解决的重大科学与工程技术难题。2.矸石充填开采：2.1煤矸石充填开采意义 可以实现煤矸石不升井，减少运输费用，减少地面占地和环境污染。 煤矸石充填采空区实现以矸换煤，可以减少地表下沉，使对土地和建筑物的破坏降到最低，减少赔偿费用。煤矸石充填采空区，减少对顶底板破坏，从而减少顶底板水的涌出，降低回采工作面水患威胁、提高回采效率、提高煤质和降低排水费用。煤矸石充填
4、采空区，将采空区底板覆盖上密实的充填体，减少瓦斯涌出，保证回采快速、安全。煤矸石充填采空区，将靠近留巷段的采空区充实，可以保证充填留巷效果，降低留巷费用。从而实现无煤柱开采，提高煤炭资源回收率，减少巷道掘进量，缓解采掘接续紧张。更有利于分储分运效能的发挥，有利于单轨吊系统的运行和彻底消灭井下地轨。 成熟、高效的充填技术可为受水害威胁的后组煤开采打下坚实的基础。2.2煤矸石充填方式的选择：2.2.1泵送膏体充填方式： 国外膏体充填：膏体充填技术在国外金属矿山已经有20多年的发展历史。世界上首次膏体充填试验是1979年在德国格伦德铅锌矿进行的。试验成功以后，膏体充填技术在澳大利亚、奥地利、加拿大、
5、英国、摩洛哥、葡萄牙、俄罗斯、南非、美国等国家的金属矿山得到了推广应用。 国内膏体充填： “八五”、“九五”期间，甘肃金川有色金属公司与北京有色冶金设计研究总院合作，利用国家重点科技攻关项目“全尾砂膏体泵送充填工艺及其设备研究”，在金川二矿区建成了我国第一条主要利用洗选尾砂、棒磨砂和粉煤灰的膏体充填工艺系统，其中，水泥浆独立泵送，在井下离充填点20-30m处与集料膏体浆液混合，与水泥浆混合后的膏体充填料浆重量浓度为82%，水泥用量平均280kg/m3，充填体最终抗压强度大于4MPa。该套膏体充填工艺系统采用德国施维英公司生产的KSP-140HDR矿用充填泵，泵送压力13MPa，充填能力100m
6、3/h，利用自制的双轴连续搅拌机制浆，由美国霍尼韦尔公司生产的TDC-3000型工业集散控制系统实现了计算机控制。该项成果2000年获得了国家科技进步二等奖，并在铜绿山矿得到推广应用。 河北金牛能源邢东矿自2001年11月投产以来就致力于矸石充填项目研究，与中国矿业大学合作，经过33个月的探索试验，最终形成了完备的井下矸石充填系统把矿井生产中产生的矸石，填到井下那些不能开采的建筑物永久煤柱里，不但实现矸石不升井，避免占用土地和环境污染，而且还可以把常规方法不可能采出的煤炭资源采出，提高资源开发率。 山东新汶矿业集团孙村煤矿地表煤矸石充填系统正式生产开工典礼于2006年9月15日上午举行。中国恩
7、菲电气系统部和矿机专业承担该项目充填工艺的主体设计、电力、仪表、控制系统等设计工作，并承包了该项目的全部配电设备、控制系统设备、自动化仪表的集成工作。在短短一个月的时间内，完成了现场调试工作，并顺利投入生产。该项目采用孙村煤矿生产的废弃物煤矸石为骨料，配合粉煤灰和水泥为添加物，充填能力80-100 m3/h，矿浆浓度为72%。该项目的实施既可以解决煤矸石占地和排放废气的环保问题，也可以利用充填物作为支撑，替换井下保留的煤柱，是一个环保和经济效益双赢的项目。该项目在国内煤炭行业是第一家将充填工艺用于工业化生产的煤矿，也是中国恩菲在煤炭行业承担的第一个充填项目。 山东华恒矿业有限公司自2007年1
8、1月份开始调研泵送矸石充填系统，首先与泰安海天工程机械有限公司合作研发矸石回填泵，在地面做工业性试验，取得成功。2008年7月确定了泵送矸石充填设备配套及布置方案，在十三层工作面经过一个月的充填试验，达到预期效果，每小时平均充矸能力50m3。208年9月份华恒矿业公司第二套充填系统应用，实现了矸石不升井。2.2.2机械输送、原生矸石充填方式新汶矿区应用比较广泛的其它充填方式为机械输送方式，一般采用皮带机（需施工专用巷道）、溜子运输矸石，利用抛矸皮带将矸石抛掷于采空区，或综采支架后方悬吊溜子将矸石卸至采空区。2.2.3膏体充填技术相对于机械充填技术的优缺点： 优点：与机械充填相比，系统简单、不需
9、独立的充填运输巷道，占用人员少、劳动强度低、占用设备少，充矸能力大。 缺点：技术要求比较严格，工艺复杂，管道输送时常常因为大摩擦损失或高管道压力引起管道堵塞等。2.2.4充填方式确定：基于泵送矸石充填能力大、系统简单、效率高的特点，选择泵送矸石充填技术，进一步研究应用薄煤层综采支架后方连续充填、快速充填，充实率高的技术，创出一套适合我矿现场实际的成套技术方案。2.2.5工作面充填工艺：工作面管路布置：在综采支架人行道侧布置主充填管路，主管路每隔3.0m采用一段高压软管（长2.0m）连接，每隔3.0m设一支管，在支管前端设阀门，支管伸入综采支架后采空区侧。煤矸石充填工艺：工作面推进一个循环，自下
10、而上或自上而下移架时，打开移架处支管阀门，开启充填泵，随移架随充填，可同时打开2-3个阀门，利用泵的压力将充填料填满采空区（支架后方需提前挡设挡矸皮子）。从充填工艺上看，该充填方式基本上不影响回采工作面的推进速度。留巷煤矸石充填：在工作面端头所留巷道采空区侧利用大块矸石或袋装矸石垒砌2-3m宽矸石带，矸石带内使用泵送充填矸石填缝，矸石带靠近巷道侧用喷浆机喷射砼，砼厚度100-200mm，使矸石带矸石成为一个墙体，同时也防止漏风。矸石带以里采空区内采用综采支架后泵送矸石充填。3.充填技术与设备3.1 充填系统及工作面概况七采区为联合布置采区，共布置j条下山，即七采轨道下山、七采运输下山和七采网风
11、下山。七采充填系统是在原采区基础上改造完成的，即充分利用现有系统，利用七采回风下山作为矸石运输下山，同时新建了七采矸石车场、矸石仓、运矸通道、溜矸孔等，安装了绳式推车机、破碎机、翻矸机、矸石运输胶带等设备。各采区矸石经过一400东大巷运至矸石车场，经过矸石破碎系统破碎后进入矸石仓，后在通过矸石运输胶带、运矸通道或已有回风通道、溜矸孔运至_I：作面充填系统，如图1所示。现充填T作面7402 T作面走向长为800m，倾斜长为130m。该工作面开采的标高范围为一5991一5303m，地表为镇政府、医院、学校。煤层厚度为180m，直接顶为灰白色细砂岩，夹黑色线理条带，较完整，类；基本顶为灰黑色粉砂岩。
12、I类。工作面顶板条件较好。 图1矸石充填系统示意图3.2充填支架为了克服现有充填矸石液压支架需配置专用充填设备、投资大、技术复杂、成本高的不足，翟镇煤矿与煤科总院共同开发了ZZ260013205BC充填液压支架，支架由顶梁、立柱、底座、尾梁、尾梁千斤顶以及支架后部尾梁之下悬挂的刮板输送机溜槽等构成，如图2所示，其主要技术参数见表1。 表1矸石充填液压支架技术参数 l一支架伸缩梁；2一支架顶梁；3一立柱；4一支架尾梁；5一支架底座；6一尾粱调整千斤顶；7一悬挂单挂链；8一自压式矸石充填机；9一工作面刮板输送机；10一采煤机 图2矸石充填液压支架示意图3.3 自压式充矸机利用刮板输送机代替自压式充
13、矸机，悬吊于充填支架后部，达到了运矸、充填的要求并与充填支架配套。对溜槽进行改造，由插接式改为螺栓连接式，增加了刮板机可弯曲性，水平、垂直弯曲町达50；采用可调高单挂链悬挂溜槽，增加了充填垂直高度。尾梁悬挂的溜槽按顺序连接，并与溜尾、溜头组成整部刮板输送机，每两节刮板设置一个溜矸孔，在溜矸帮上增设插板的插槽，控制矸石的充填顺序和范围；充填矸石自轨道运输平巷胶带输送机进入自压式矸石充填机，当运至自压式矸石充填机漏矸孔时，漏矸孔下方的矸石不断堆积，当充填的矸石高度堆积至自压式矸石充填机溜槽的底部时，自压式矸石充填机下方的链条带动矸石向其运动方向没有充填矸石的空间一侧运动从而不断地将自压式矸石充填机
14、下方距漏矸孔一定范围内的采空区充满，如图3所示。 圈3充矸示意图当充矸机下刮板对矸石的作用力超过其自身霞量时自压式矸石充填机将会被抬起。开始向上方空间充填如此往复。从而实现矸石输送机的自充白压。随着自压式矸石充填机抬升，各漏孔充填高度逐渐增大，提高充填效率，保证了充填的质量。3.4充填工艺采煤机进刀后。随刮板输送机机头、机尾推刮板输送机前移相应支架。顺直支架后悬充填刮板输送机。先开动充填刮板机再启动轨道巷等矸石充填系统进行充填，刮板机上链运输矸石充填，下链推平矸石。矸石溜矸孔每次打开两个，自下而上进行充填。采空区充填完成后，系统随工作面煤机割煤及支架推移，进入下一个循环。4矸石充填工作面实测结
15、果分析4.1 工作面矿压规律实测分析为掌握矸石充填后工作面矿压显现规律。对7402工作面矸石充填前后的工作面液压支架支护质量进行了动态监测、对轨道巷表面变形进行了观测。1)液压支架支护质量结果分析。矸石充填前后液压支架工作阻力分布如网4、图5所示。南罔4、网5可知T作面采空区充填后的液压支架初1=作阻力和最大工作阻力都有明显降低，说明采空区经充填后1=作面顶板得到有效的控制，减缓顶板移动对T作面的影响；在支架的恒阻阶段，其阻力在矸石充填后要比充填前时趋于稳定，说明立柱压力不会超过额定工作阻力。立柱安全阀没有出现开肩现象。南监测数据及现场观测知矸石充填后T作面没有出现明显的周期来压。2) 轨道巷表面变形结果分析。7402丁作面轨道巷超前段充填前后顶底板及两帮移近量如6罔、网7所示。由闭6、冈7町知相比矸白充填前，矸石充填后的采空区轨道巷超前段顶底板及两帮移近量明显减少。说明矸石充填控制了采空区顶板移动对工作面的影响，减弱了顶板移动对工作面两巷超前的影响，提高了工作面的安全生产系数。4.2矸石充填工作面地表变形实测结果分析“三下”采煤规程中规定
