煤矸石充填置换技术存在的问题及分析

李洁莹

(中国矿业大学安全工程学院，江苏 徐州 221008)

煤矸石充填采空区的采煤方法是实现煤矿绿色开采的关键技术之一［1］。该技术解决了煤矸石固体废弃物露天堆积和因采煤造成的地表塌陷等问题，减少了矿区环境污染和采区地表沉降。同时用矸石置换预留煤柱，提高了煤炭资源回收率。据统计，我国“三下”压煤达137亿t，如果采用国内应用较为普遍的条带开采方法回收“三下”压煤，那么采出率也只有30%。此外作为固体废弃物的矸石因其排放量比较大并且要提升至地面，不仅费时费力，而且占用土地，污染环境。而采用矸石填充置换技术就可以就地处理煤矸石，在井下实现煤与矸石分离，然后将矸石充填到采空区或者置换“三下”压煤，这样就可以提高煤炭资源回收率，实现废弃资源的再利用，优化矿区环境。当前矸石充填置换技术已经在全国多数矿区普及，相关技术已趋成熟。该技术在新汶矿业集团已得到成功应用并且取得了巨大的经济效益。新汶矿业集团下属翟镇煤矿与北京煤科院共同设计开发了ZZ2600/13/20．5BXI型充填支架和专用充矸设备，实现了前方采煤后方填充的连续机械化作业要求，达到矸不升井的目标［2］。此外在大兴煤矿2212炮采工作面倾斜煤层也成功利用了矸石充填技术。由于煤矿开采所依赖的地质构造、水文、瓦斯等条件较为复杂，相关技术的使用必须符合矿井的开采条件。煤矸石充填置换技术在高瓦斯矿井中使用会存在一定的问题和受一定条件限制。

1 充填置换技术存在的问题

高瓦斯矿井中煤层的瓦斯含量较普通矿井大，掘进和回采过程中瓦斯涌出量大，并且存在采空区积聚瓦斯的问题。高瓦斯矿井中使用局部瓦斯治理措施实行煤层瓦斯抽采和采空区瓦斯抽放，在使用煤矸石充填采空区会对使本来已经卸压邻近煤层造成一定影响。使用煤矸石置换煤柱，可以减少煤柱和浮煤释放的残余瓦斯，但在封堵不严存在漏风的情况仍然会导致瓦斯积聚。煤矸石的产量占原煤的比例较低，不可能对所有采空区进行充填，对所有煤柱进行置换。也就是掘进中产生的煤岩和回采中分离出来的煤矸石，在煤炭开采的后期是短缺的。况且对采空区进行填充，即便是压实了矸石，但是由于煤矸石的块状结构必然对瓦斯和空气有较高的渗透率，在封堵不严的情况下容易产生局部高温点造成采空区自燃火灾。这些问题在矸石充填和置换技术在高瓦斯矿井中的使用要加以考虑。

2 存在的问题分析

2．1 充填对瓦斯抽采的影响

我国多数高瓦斯矿井的煤层透气性低，瓦斯抽采和抽放困难。高瓦斯矿井进行开采前要进行瓦斯抽采或抽放，煤层的渗透率低，一般需要先进行卸压，然后进行抽采。在上邻近层的煤层回采完毕的情况下，下层煤卸压区内煤层膨胀变形，透气性系数显著增加，有利于瓦斯抽采。在高瓦斯矿井中使用充填置换技术把煤矸石运送至采空区，势必对下邻近层重新加压，不利于开采过程中瓦斯的抽采和抽放，容易导致回采过程中瓦斯涌出、煤与瓦斯突出等灾害事故发生。在高瓦斯矿井中，使用煤矸石充填技术时，要考虑充填后对开采煤层的影响，可以采用先开采下层煤，后采上层煤;或者是在充填过程中就对下邻近煤层进行瓦斯抽采或抽放;也可以考虑采用间隔充填法，隔一段距离进行充填，这样可以减小对下邻近层的压力，在下层煤回采完毕后，用注浆充填空隙，防止瓦斯积聚。

2．2 煤矸石充填置换对采空区漏风影响

对开采过程中的预留煤柱用煤矸石进行置换可以提高煤炭回收率，减少煤炭开采损失，有利于提高矿井开采年限。对于“三下”压煤采用煤矸石充填置换技术可以减少地表塌陷，并且使用煤矸石置换煤柱可以减少煤柱和浮煤解析的残余瓦斯，减少采空区的瓦斯来源。通过充填矸石达到使矸石支撑顶板，减少巷道变形量，保证巷道的完整性，替代以单体支架、木垛支护为主的传统支护方式，节约大量的留巷支护材料和支护费用［3］。但由于煤矸石堆积的密度和强度较小，使其在地应力作用下造成顶板下沉量加大，而煤体支撑属于刚性支撑，顶板下沉量较小［2］，并且煤矸石置换煤柱以后还要采用二次支护来加强顶板控制，维护工作量较大。对采空区密封之后，由于煤矸石本身的块状结构和顶板下沉容易造成采空区内漏风加大，邻近层的瓦斯进入采空区，造成采空区瓦斯涌出。此外如果煤层易自燃，在存在漏风的情况下容易导致浮煤的自燃。所以，针对上述问题要加强采空区的密闭防止漏风，也可以从地面注浆，将采空区充填解决漏风问题。

2．3 煤矸石短缺问题

全部充填技术可以减少矿井冲击地压对巷道的影响，在充填及时、足量的情况下可以做到不形成垮落带，导水裂隙带的高度也大大减少，减少因采动引起的煤层上覆岩层破坏造成的裂隙导水。同时完全充填采空区可以减少瓦斯积聚，减少全部垮落法采煤造成的采空区漏风对预防煤自燃发火效果明显［4］。但煤矸石在原煤中占很少的比例，尤其是含矸量少的矿井，在充填的前期矸石主要来源于掘进工作面、洗煤厂和地面矸石山回填，随着采空区面积的加大完全充填所需的矸石量是不够的，不足以完全充填采空区。同样置换预留煤柱，矸石量也不能满足需求。全部充填工艺在应用中吨煤会增加近百元的直接成本，如果矸石短缺从地面运送充填材料(粉煤灰、沙土、建筑垃圾等)，将增加吨煤成本。考虑到矸石短缺，对于高瓦斯矿井可以采取间隔充填，每隔一段距离充填一段，这样既可以对下邻近层卸压，又可以防治冲击地压、地表塌陷。同时做好每段充填矸石的密封和顶板管理，防止裂隙出现导致漏风。对于置换煤柱应该保留一部分煤柱，即置换部分煤柱，这样一方面可以提高回采率，另一方面可以减少顶板下沉和后期维护。此外要加强采空区瓦斯治理，对高瓦斯矿井要保留部分煤柱以预防采空区瓦斯积聚，加强回风隅角的瓦斯抽放。

3 结论

本文讨论了煤矸石充填技术在高瓦斯矿井中使用存在的问题。1)在高瓦斯矿井中使用充填技术要考虑对下邻近煤层的影响，使用间隔充填，减少对下层煤层的压力，有利于煤层的瓦斯抽采和抽放。2)在置换煤柱方面，要保留部分煤柱，置换一部分煤柱，这样有利于顶板支护，减少顶板下沉。3)应加强采空区的漏风管理、顶板管理和通风管理，防治瓦斯涌出。此外完全充填存在煤矸石的短缺问题，其它充填材料的回填以及后期管理维护问题增加了吨煤的成本，需要加以综合考虑。

［1］ 刘元明，丁 瑞，田 伟，等．煤矸石井下充填置换技术的研究与应用［J］．煤炭加工与综合利用，2009(5)：50－52．

［2］ 李钱坤，张 忠，华兴斌．综采矸石充填技术在翟镇煤矿的应用［J］．山东煤炭科技，2008(6)：24－25．

［3］ 宋 博，苏成林．浅析矸石充填技术在倾斜煤层的应用［J］．山东煤炭科技，2009(3)：5－6．

［4］ 公茂泉．推广矸石充填技术 实现煤矿绿色开采［J］．山东煤炭科技，2010(1)：2－4．