充填開采技術(shù)研究淺析

趙云龍　王海琳　于懷磊

摘 要：該文主要介紹了我國充填采礦方法的部分方法和應(yīng)用現(xiàn)狀。煤礦充填開采工藝以其鮮明的綠色環(huán)保及物料綜合利用的優(yōu)勢，在煤礦中得到日益廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。在我國的煤炭資源中，“三下”壓煤量約占可采煤量的63.5%，隨著資源的不斷開發(fā)，這一比例還在繼續(xù)上升?！叭隆眽好簢?yán)重制約著我國煤炭資源的開發(fā)，且其在開發(fā)過程中的危險(xiǎn)性也成為我們亟待解決的問題。

關(guān)鍵詞：綠色開采 充填開采技術(shù) 現(xiàn)狀

中圖分類號：TD823183 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）11（c）-0018-01

充填開采技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綠色開采的主要技術(shù)手段，更是解決“三下”問題的主要途徑。該技術(shù)不僅可以減少地表沉陷，提高煤炭資源的回采率，還可以完成廢棄物利用，避免出現(xiàn)“矸石山”，減少對環(huán)境的破壞，圍巖控制及巷道支護(hù)難度的降低，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)綠色開采。

1 充填開采技術(shù)分類

1.1 基于充填材料分類

地質(zhì)條件和充填方法不同，工作面充填體材料也隨之改變。根據(jù)充填體材料不同，可將充填開采技術(shù)分為膏體充填開采技術(shù)、矸石充填開采技術(shù)、高水材料充填開采技術(shù)、水砂充填開采技術(shù)。

1.1.1 膏體充填開采技術(shù)

膏體充填開采技術(shù)就是將矸石、粉煤灰、工業(yè)爐渣等固體廢棄物通過一定工藝與水、膠結(jié)料按比例優(yōu)化組合制成具有流動性、可塑性和穩(wěn)定性的牙膏狀膠結(jié)漿體，并且在外力作用下，通過特定管路輸送到采空區(qū)，進(jìn)行適時充填。

常用的膏體充填系統(tǒng)由三部分組成：充填料漿混制系統(tǒng)、充填料漿運(yùn)輸系統(tǒng)和工作面充填系統(tǒng)。充填料漿混制系統(tǒng)把矸石、粉煤灰、工業(yè)爐渣等固體廢棄物與水、膠結(jié)料按比例優(yōu)化組合制成牙膏狀膠結(jié)漿體；充填料漿運(yùn)輸系統(tǒng)利用膠結(jié)漿體的流動性采用充填泵將其通過特定管路輸送到采空區(qū)；工作面充填系統(tǒng)利用漿體的可塑性和穩(wěn)定性在采空區(qū)后方進(jìn)行適時充填。

1.1.2 矸石充填采煤技術(shù)

矸石充填采煤技術(shù)是利用外界動力將充填材料煤矸石輸入采空區(qū)的充填采煤方法。根據(jù)充填料充填采空區(qū)的動力方式來劃分，矸石充填方法包括人工充填、自溜充填、風(fēng)力充填、機(jī)械充填。普通機(jī)械化矸石充填是采用專門的機(jī)械將矸石拋向采空區(qū)直接進(jìn)行充填的方法，故多用于有一定傾角的薄及中厚煤層普采或炮采工作面回收井筒煤柱、工廣煤柱。另有綜合機(jī)械化矸石充填采煤可實(shí)現(xiàn)在同一液壓支架掩護(hù)下采煤與充填并行作業(yè)，且采煤與運(yùn)煤系統(tǒng)布置與傳統(tǒng)綜采完全相同，只在普通矸石充填系統(tǒng)基礎(chǔ)上添加充填運(yùn)輸系統(tǒng)。

1.1.3 高水材料充填采煤技術(shù)

高水材料是一種快速膠凝材料，由 A、B兩種材料構(gòu)成，主要包括高鋁水泥、石灰、石膏、速凝劑、解凝劑、懸浮劑等組分。其固水能力強(qiáng)、流動性強(qiáng)、凝固速度快、強(qiáng)度增長速度快，可以將高比例的水迅速凝固成具有一定承載能力的固體。高水材料充填系統(tǒng)相對膏體和矸石充填系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較為簡單，機(jī)械化程度較高。

1.1.4 水砂充填開采技術(shù)

水砂充填開采方法是通過水力作用把充填尾砂送入采空區(qū)的充填方法。它主要將水與尾砂通過一定作用，形成水砂懸浮溶劑，送達(dá)采空區(qū)后脫水，尾砂形成充填體，水通過井底水倉到達(dá)地面貯水池，循環(huán)利用，從而達(dá)到充填的目的。

水砂充填開采的實(shí)施過程較為簡單，但是其實(shí)施的內(nèi)容較為困難，當(dāng)充填漿液制備完成之后，只要通過管道直接將漿液運(yùn)輸?shù)匠涮畹攸c(diǎn)，就可直接充填，但是，采空區(qū)需要筑專門的護(hù)壁和隔墻，并且漿液在運(yùn)輸過程中容易污染，因此，實(shí)施過程中必須嚴(yán)格注意。

1.2 基于充填技術(shù)分類

按照充填體充填量占采出煤量的百分比，充填開采方法可以分為全部充填開采技術(shù)和部分充填開采技術(shù)。

1.2.1 全部充填開采技術(shù)

全部充填采煤技術(shù)可以分為干式充填技術(shù)和膠結(jié)充填技術(shù)。其中，干式充填技術(shù)可以分為采空區(qū)架后輸送機(jī)漏矸充填技術(shù)和巷道迎頭拋矸膠帶充填技術(shù)兩種。膠結(jié)充填技術(shù)可以分為泵送膏體充填技術(shù)、泵送高濃度膠結(jié)材料充填技術(shù)和煤矸石似膏體充填技術(shù)。

全部充填開采是在煤層采出后頂板未冒落之前對采空區(qū)全部充填，用充填體全部置換煤，充填體充填量占采出煤量的百分比大約為100%。

1.2.2 部分充填開采技術(shù)

部分充填技術(shù)可以分為采空區(qū)條帶充填開采技術(shù)、冒落區(qū)注漿充填開采技術(shù)、離層區(qū)注漿充填開采技術(shù)、覆巖離層分區(qū)隔離注漿充填開采技術(shù)。部分充填技術(shù)相對于全部充填技術(shù)而言，僅用部分充填體置換相同量的煤，對采空區(qū)、離層區(qū)及冒落區(qū)進(jìn)行充填，靠關(guān)鍵層及煤柱共同承載上覆巖層壓力。

2 充填開采技術(shù)的現(xiàn)狀

2012年6月，冀中能源邯礦集團(tuán)陶一礦在12706工作面依靠充填開采，用“礦井水”置換出了“三下”優(yōu)質(zhì)壓煤，產(chǎn)量完成5.068萬 t，超高水材料充填開采技術(shù)實(shí)現(xiàn)了向規(guī)模生產(chǎn)的轉(zhuǎn)變。2013年11月，首屆中國膏體充填采礦國際學(xué)術(shù)研討會成功召開，這標(biāo)志著具有“綠色、安全、高效”的膏體充填采礦技術(shù)正在逐步成為全球礦業(yè)領(lǐng)域的技術(shù)熱點(diǎn)和發(fā)展新動向。2014年2月，山東能源淄礦集團(tuán)許廠煤礦第二個膏體充填開采工作面成功實(shí)現(xiàn)一次性聯(lián)合試運(yùn)行，進(jìn)入面前及兩巷充填階段。

3 結(jié)語

相比之下，膏體充填技術(shù)成熟系統(tǒng)；矸石充填直接將井下采出煤矸石充填采空區(qū)，初期投資少，機(jī)械化程度高，系統(tǒng)簡單；高水材料充填水比例高，固體材料少，克服適應(yīng)煤礦充填技術(shù)的材料短缺的問題，并且充填系統(tǒng)簡單，設(shè)備投資少，材料消耗少，不影響礦井的輔助運(yùn)輸，但缺點(diǎn)是高水材料抗風(fēng)化和抗高溫性能差，長期穩(wěn)定性差；而水砂充填設(shè)備復(fù)雜，材料消耗多，機(jī)械化程度低，限制較多，水砂充填開采技術(shù)逐漸在我國被淘汰。

全部充填法充填百分比大，更高效，而部分充填需要進(jìn)一步研究煤巖力學(xué)性質(zhì)等，還需進(jìn)行深入研究。煤礦充填開采是提高煤炭回采率，資源利用率的一項(xiàng)革命性創(chuàng)新。充填開采技術(shù)不僅可以解決壓煤問題，而且還為矸石、粉煤灰等固體廢棄物的回收利用開辟了新的途徑，有效推進(jìn)綠色開采技術(shù)的試行，具有廣闊的應(yīng)用前景。

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