1、专题部分煤田充填开采技术浅谈摘要：全国“三下”压煤达13.7Gt，同时地面堆积的矸石达4.5Gt，如能利用矸石进行充填开采，则既可提高资源回收率，又能节省矸石占地、改善地面环境。当前的技术、经济和社会条件为充填开采创造了有利环境，使充填开采在全国各矿区得到快速发展。而且随着人们对环境保护的意识的增强，对我国资源保护要求的提高，以及老矿区生产改善的的迫切需求，我国的各个矿区对充填开采也越来越重视。文章对当前我国煤矿充填开采方法和应用现状进行了归纳和总结，并对发展前景进行了展望。 关键词：充填采煤；现状；发展前景；“三下”压煤Discussion on filling mining technol
2、ogy in coal mineAbstract: At present，coal resource under railway，building and waterbody reaches 13. 7Gt in China and waste rock piled on surface reaches 4. 5Gt. Applying waste rock to stowing mining can improve resource recovery ratio and save occupation land of waste rock and perfect surface enviro
3、nment. Current technology，economic and society condition create favorable environment for stowing mining and make it developed fast in China. And with the enhancement of peoples awareness of environmental protection, the improvement of Chinas resource protection requirements, as well as the urgent n
4、eed to improve the production of the old mining area, the mining area of our country is also more and more attention.This paper concluded stowing mining method and its application status and look far ahead its develop prospect. Keywords: coal mining with filling;development prospect;coal under railw
5、ay,building and waterbody引言随着经济的快速发展，我国的能源的生产和使用的方式也在不断的更替，煤矿充填开采是在煤矿传统生产模式的基础上进行变革实施的，是煤炭行业发展的主要方向。煤炭行业正在积极的向绿色、安全、经济的能源产业体系接近。1 国内外煤矿充填开采的发展状况我国煤矿把地表水体（江、河、湖、 海、水库等）、建（构）筑物和铁路下压煤统（俗）称为“三下”压煤。根据往年的不完全统计，我国“三下”压煤达13.71Gt。山东、河北等东部多数矿区“三下”压煤已占现有可采量的一半以上。比如山东省新汶矿业集团“三下”压煤0.267Gt，占可采储量的六成以上；河北省峰峰矿业集团13对
6、生产矿井“三下”压煤0.358Gt，占矿区总可采储量的一半。中国的很多矿区都受到了“三下”压煤的困扰。特别是在老矿区，只有迈过“三下”压煤这座大山，才能够解决矿井的生产，减少我国的煤炭的浪费问题。在产煤的同时还有大量的矸石产出，现在我国每年产出的矸石超过了0.25Gt，矸石山会占用大量的土地资源，还会污染矿区的地下水，有时候自燃时还严重影响了空气质量。我国现在具有的矸石山1600多座，堆积量已经超过5.4Gt，占地超过15000hm2。随着地下煤炭的大量的开采，地面构筑物下的压煤问题也越来越突出，甚至影响了许多煤矿企业正常的生产。所以，在保证地表建构（筑）物安全的条件下，提升“三下”压煤的采出
7、率以及合理的处理煤矿固体废弃物的问题已成为国家以及各个煤矿企业迫切需要解决的重大技术难题。如果运用充填法来解决“三下”压煤问题，把产出的矸石、粉煤灰、尾矿等固体废弃物充填到矿井采空区，不仅能提高煤炭资源的回收率和煤矿企业的经济效益，还能减少固体废弃物侵占土地资源，从而安全的解决了地面环境问题。当前国内的技术、经济和社会条件为充填开采创造了有利环境，使充填开采在全国各矿区快速发展起来。我国充填工艺与技术的发展，经历了废石干式充填、分级尾砂和碎石水力充填、混凝土胶结充填、以分级尾砂和天然砂作为充填料的细砂胶结充 填、废石胶结充填、高浓度全尾砂胶结充填和膏体泵送胶结充填的发展过程。充填开采是建筑物下
8、压煤开采的最理想技术途径，其优点是煤炭资源的采出率高，但由于受成本高、充填工艺复杂等因素的制约，没有得到大范围的使用。近几年，随着煤矿充填技术的不断发展，充填技术在煤矿开采中的应用也越来越广泛。目前，我国的煤矿充填开采技术已日趋完善，有效的缓解了我国环境污染的问题。煤矿企业在使用充填技术的过程中积累了很多宝贵的经 验。我国的煤矿充填技术已经与科学研究有效的结合在了一起，并在发展的过程中不断完善。国家建立了专业的与煤矿企业相关的合作机构，加强技术的研发与更新，而且不断的向以企业为主导、科研为创新的模式靠近。矸石充填开采技术已成为煤炭开采的工艺技术，我国在这个方面已经有了明显的进步，并取得了一定的
9、成效。例如我国某企业用煤矸石10座，减少煤矸石的平排量达到了1000吨左右，所占土地减少了250亩左右。在进行煤矿充填开采的过程中，由于填充物供应量的限制，初期投资的成本过高。机械设备的不健全，相关法律法规的欠缺也都是阻碍充填开采发展的重要因素。对于这些问题，我们应该及时的采取一定的措施，例如对于充填方式来说，应该以高效率和低成本为主要的原则，积极的开发与研究高效的矿山充填机械设备，从而提高充填的自动化水平。我们要不断的扩充充填开采的范围，提高填充的效果。充填开采在国际上已有数百年的历史，最早有计划进行矿山充填的是 1915 年澳大利亚的塔斯马尼亚芒特莱尔和北莱尔矿应用废石充填矿房。其初衷是为
10、减小矿井辅助运输的压力，但此时的充填并不作为矿山开采的一个工序，不是真正意义的充填。到20世纪30年代，充填才开始作为一个矿山开采的工序用于减少矿山开采沉陷。近60年来，充填开采技术在国内外贵重金属和非金属矿山的研究和应用中取得了长足的发展，先后经历了废弃物干式充填阶段、水砂充填阶段、细砂胶结充填阶段和以高浓度充填、膏体充填、块石砂浆胶结充填、全尾矿胶结充填等为代表的现代充填采矿阶段，取得了显著的经济和社会效益。中国矿业大学、中南大学等与有矿山合作进行的煤矿膏体充填和胶结充填技术的研究已经取得了一些成就，但已进行的工业性试验表明，由于存在着技术工艺较复杂和成本过高等问题，使其 推广应用范围受到
11、了一定程度的限制。20世纪40年代，欧洲采煤国家利用水砂充填进行了建筑物下采煤试验，我国抚顺、新汶等煤矿区从20世纪60年代开始采用水砂充填进行了建筑物下采煤试验。由于其采煤效率低、经济成本高和河砂充填材 料严重不足等原因，目前水砂充填技术在国内外已很少使用。矸石自溜充填只适用于急倾斜煤层，风力充填对充填系统、设备和充填材料的要求比较高，适用范围较小。同时，由于缺乏完善的充填设备支持，充填工艺落后，充填作业对采煤生产影响很大，生产效率低，工人劳动强度很高，使矸石充填开采始终没有得到较大的发展和推广。2 充填开采方法分类目前，从充填材料组成和充填体的状态来说国内煤矿充填开采分为三大类: 矸石固体
12、密实充填、（似）膏体材料充填和（超）高水材料充填。 （1）矸石固体密实充填充填材料为地面矸石、井下掘进和采煤所出矸石。只需把大块矸石破碎到粒径符合要求（一般小于15mm)后，用运输系统转运、充填到采空区，再采用机械或其他的方法压实处理，有时需要添加少量其他材料，增强其强度。 （2）（似）膏体材料充填充填材料主料是矸 石、粉煤灰，缺少矸石的矿区（井）主料可使用河沙或风积沙。将主料、粉煤灰、水泥、胶凝材料与水混合，搅拌加工成为具有良好流动性的膏状胶结体（膏体），在重力或泵压作用下，以柱塞流的形态输送到采空区。膏状胶结体（膏体）在一定时间内固结、释水后，达到一定强度要求。（3）（超）高水材料充填充填
13、材料主料是尾矿（矸石、铁矿、金矿）、粉煤灰、赤泥（氧化铝工业生产的废料），配料是石膏、石灰、水泥、铝 养熟料、膨胀剂、胶凝材料。将主料和配料与水混 合，水含量达到50%（超高水材料达90%以上）， 搅拌加工成为可自流输送的材料，在重力作用下输送到采空区。后期在化学作用下固结，并达到一定的强度。目前国内应用充填方法开采的矿井，根据采煤工艺、工作面充填设备和充填地点等，又可分为综采工作面矸石固体密实充填、普采工作面抛矸机矸 石固体密实充填、综采工作面（似)膏体充填或（超)高水充填、普采工作面（似）膏体充填或（超）高水充填、煤巷履带自行式抛矸机矸石密实充填等多种充填形式。图1膏体充填支架及其尾梁和隔
14、离板结构示意图2巷道矸石充填系统工艺流程3 应用现状 3.1 应用情况（1）矸石固体密实充填矸石固体充填具有系统、设备和工艺简单，初期投资少，充填成本 低，压缩率大等特点。目前全国应用此法的矿区主要是山东省新汶集团的盛泉、翟镇和泉沟矿，河北省邢台的邢东矿等，矸石不出井与 “三下”压煤相结合，节省提升矸石费用，不占用土地，提高资源回收率。为提高减沉效果，邢台矿利用支架后部压实系统，进行矸石固体（密实）充填，并在固体材料内添加一定辅料以增加强度，其减沉效果得到较大提升。同时也提高了充填系统的难度和初期投资。（2）（似）膏体材料充填虽然（似）膏体材料充填的成本比矸石固体密实充填高，但因减沉 效果好而
15、得到矿区的普遍认同。山东省济宁太平矿以河沙为主料进行膏体充填，淄博岱庄矿以煤矸石为主料进行膏体充填；其他还有新汶、枣庄、邢 台、峰峰、焦作、铁法等10多个矿井采用此法进行充填开采。（似）膏体材料充填由于采用泵送（个别矿区倍线较小的采用自流，如新汶孙村矿），充填初期投资相对较大。（3）（超）高水材料充填（超）高水材料充填主要采用自流方式，充填系统相对简单。淄博矿业集团王庄矿采用的高水材料，除具有良好的流动性外，还有一定的膨胀性、较高的抗压强度，以及主动接顶的优点，已得到多个矿区的认可。除此之外，中国矿业大学冯光明教授的超高水材料充填也在多个煤矿进行了应用，如邯郸矿业集团陶一煤矿和临沂集团的田庄煤
16、矿。应用（超）高水材料充填方法的还有淄博矿业集团埠村煤矿、阜新矿业集团艾友煤矿和彩屯煤矿，榆林市榆阳矿应用高水材料充填的筹备工作面已经完成，即将进行充填开采，充填主料是风积沙。3.2 充填效果衡量充填效果好坏的重要指标是充填开采后地表的下沉和变形情况。即使采用最好的充填方法，开采后地表仍有一定量的下沉和变形，下沉包括充填前顶板的下沉量、充填未接顶量 （未充满量）和充填体压缩量3部分。根据实际观测，矸石固体密实充填的下沉系数一般大于0.2，（似）膏体材料充填和高水材料充填的下沉系数一般为0.050.15，而超高水材料充填的减沉效果略差一些。 4 存在的问题及发展方向 4.1 存在问题充填开采主要受3个条件的制约，即充填材料、充填效率和充填成本。其中充填材料是关键的制约因素。（1）充填材料我国矸石堆积量的分布和 “三下”压煤的分布呈相反情况：中、东部矿区“三下”压煤量大，但矸石堆积量少，有些
