煤矿胶结充填开采新工艺探讨

刘惠平

(山西焦煤集团公司安监局，山西 太原 030024)

近年来，我国煤炭产量一直呈增长态势，导致煤矸石等井下固体废弃物在地面的大量堆积、煤矸石风化、煤炭颗粒扬尘等诸多问题。特别是随着我国部分大中城市出现雾霾等极端天气后，环境保护越来越受到关注，煤炭企业在关注生产的同时，也要考虑环境因素，尽量减小煤炭开采对环境造成的破坏。但实际上，由于中小型矿井产量有限，开采装备落后，安全形势严峻。因此，我国的煤炭企业应逐渐重组做大。随着单个矿井产量的增加，在以垮落法这种传统工艺为主，处理采空区顶板时，必然造成地表下沉情况更加严重。同时，长期堆积的煤矸石、电厂粉煤灰等废物无法得到及时有效的解决，也制约了绿色矿井、和谐矿山的建设。

充填开采是解决地表下沉问题的重要手段之一，特别是采用全采全充，能够很好地保护地面建筑物，实现降低环境损害开采［1－2］。而且，充填开采可以采用以煤矸石、粉煤灰等为主要原材料的胶结充填技术，减少地表固体废弃物的数量。但现有的充填技术存在诸多弊端，本文结合充填开采技术，对煤矿胶结充填开采新工艺进行了探讨。

1 煤矿胶结充填开采的现状

1.1 煤矿胶结充填开采

一般认为，胶结充填采矿法是指使用河砂、碎石、石块或尾矿等固体块状物为骨料，经加工到一定粒径后与胶结材料(一般可使用水泥或石灰类等具有胶结性质的材料)混合制浆，制备好的浆体通过钻孔或管道进入到充填区域，实现对目标区域的充填［3］。在具体运输上，一般都是由地面制备好浆体，利用由上向下的通道以管道泵输送或重力自流的方式将料浆送到充填区。因此，当浆体的浓度适宜时，能够很快到达充填区。总的说来，胶结充填采矿法充填速度快、充填量大、工艺简单，料浆所形成的充填体强度大，能够有效地控制地表塌陷，保护地表建筑物。在我国最初应用在金属矿山的胶结充填技术，近年来，在煤矿也得到了应用，取得了良好的经济和社会效益。

1.2 现有煤矿胶结充填存在的问题

煤矿充填效率低下是影响煤矿充填开采技术发展的重要原因。因为充填开采增加了企业的运营成本，虽然采出了部分地下呆滞煤炭，但如果不能通过产量实现有效盈利，煤企对于应用充填开采技术还是保持观望态度。分析我国当前充填开采的具体情况，制约煤矿充填开采能力的原因主要在于［4］:

1)充填系统能力有限。

目前，国内能够在生产实践中可靠运行的充填系统能力可以达到150 m3/h，国外则能够达到250 m3/h。因此，研究开发适合煤矿充填开采需要，充填能力大的充填系统势在必行。

2)充填料浆凝固较耗时。

煤矿胶结充填料浆凝固时间一般控制在4 h，凝固时间太长会影响工作面的生产;时间太短，则一旦发生故障，维修时间不足，并且充填材料的成本过高。如果按“四六”制安排生产作业，即1天的作业循环为:采煤—充填与凝固—采煤—充填与凝固，1天的纯充填时间最多为4 h，充填能力按150 m3/h，煤的容重按1.4 t/m3计算，则工作面日产最高为560 t，年产最高为18.13万t。如果按“三八”制安排生产作业，即1天的作业循环为:采煤—充填—凝固，1天的纯充填时间可以达到8 h。但由于只有1个采煤班，受到控顶距的限制，工作面进尺按2.4 m，工作面长度按100 m计算，假设煤层厚度为3 m，煤的容重按1.4 t/m3计算，则工作面日产为1080 t，充填时间为7.2 h，工作面年产量可达 33.26 万 t。

3)采煤与充填无法平行作业。

目前，实施充填开采的矿山都没有实现采煤与充填凝固的平行作业，大多数采用的工艺流程为“采煤—充填与凝固—采煤—充填与凝固”。无论工作制度是“四六”制还是“三八”制，采煤达到1个充填步距后，接着进行充填，然后等待充填料浆的凝固，充填和凝固占据了较长的工作时间，纯生产时间较短，导致工作面生产能力偏低。

2 煤矿充填开采新工艺的提出

从以上分析可以看出，提高现有充填开采的能力，必须从提高充填系统能力、改善充填工艺角度出发。但充填系统的能力需要大量设备的投入，单纯依靠机械数量的增加，并不能从根本上解决充填效率低下的问题。而且即使设备增加了，充填与煤炭开采还是不能实现平行作业。因此，可以通过实施工作面采煤与充填凝固的平行作业来实现。思路是设法将充填材料的充填与凝固时间与工作面采煤时间重合，从而大大缩短现有工艺中充填与凝固所占用的时间，大幅度增加采煤时间，以达到提高工作面生产能力的目的，该思路可以通过新的充填工艺来实现。

新的充填工艺可以通过在煤层的老顶中掘进专门的充填巷道，并利用充填巷道底板的钻孔从采空区的上方进行充填。即在工作面的上方老顶中掘进一条走向岩巷，井下的充填设备安装在老顶岩巷中，通过底板向下方的采空区打钻孔，利用钻孔向采空区注浆充填，实现采空区的充填和工作面的回采互不影响［5］。

假设近水平工作面的长度为100 m，工作面的周期来压步距为25 m，设计充填步距为15 m，工作面采用高浓度的胶结充填。在工作面的上方倾向中央掘一条走向方向的巷道，巷道位于煤层的老顶中，在巷道底板走向方向布置3个钻孔，每个钻孔的方向不同，使每个钻孔的方向在工作面倾向方向上平均分布，在地面建立充填站，把砂子、粉煤灰、胶结料和水配制成膏体充填料浆，采用充填泵把膏体充填料浆通过充填管路由地面输送到井下工作面上方老顶巷道中，在直接顶尚未垮落前，通过钻孔及时充填满采空区，实现有效控制地表沉陷，使充填的效果最佳。其工作巷道及钻孔的布置示意图见图1。

3 煤矿充填开采新工艺的可行性及优缺点

3.1 新工艺的可行性

该工艺是针对现有充填开采生产能力较低提出的，但从理论上分析具有较大可行性。

由假设可知，工作面的周期来压步距为25 m，采空区的充填步距取15 m，充填步距为周期来压步距的60%，这样就可以实现在老顶及直接顶没有垮落之前就完成采空区的充填，充填体对顶板起到了支护的作用，控制了岩层的移动及向地表的延伸，同时也保证了充填巷道的完整性。在实际应用中，工作面的充填步距随着工作面周期来压步距的变化而改变，基本保持充填步距为周期来压步距的60%左右，理论上能达到良好的充填效果。

由图1可知，充填浆料在钻孔中的输送为重力自流输送，相比砂泵加压输送，竖直钻孔中流体的阻力变小，且由于重力的作用，钻孔中的充填料更容易流动。充填料的出料口在采空区的上方，若要完全充满采空区，必须保证前后两次的充填范围有交叉，即要求从每个钻孔流出的充填料的流动范围约为15 m。根据现场经验及图1中钻孔的布置情况可知，新的充填系统可以充满采空区。

图1为近水平煤层钻孔布置方式，实际应用中，可以根据煤层的倾角及工作面的长度等情况，适当的调整钻孔的数量和钻孔的方向，使新的充填工艺适用于不同的开采条件。

3.2 新工艺的优点

采用顶板巷道加钻孔的充填工艺，其最大的优点是充填不影响工作面的回采，达到了采煤和充填的完全平行作业。无论工作面采用“四六”制作业还是“三八”制作业，与已有的充填方式(采煤—充填—采煤)相比，充填时间不占用采煤时间，充填时间与采煤时间完全重合，生产时间的增加，使得工作面生产能力可以得到显著提高。

新工艺可大幅度提高充填时间，在现有系统的充填能力条件下，有利于提高充填开采工作面产能。由于新工艺可实现平行作业，增加了工作时间中净充填的时间，尽管目前国内能够在生产实践中可靠运行的充填系统最大能力仅150 m3/h，在现行的工艺中能力偏低，由于新工艺充填时间的增加，弥补了充填系统能力的不足，有利于提高工作面产能。

充填采空区采用高浓度充填料，充填料浆的脱水控制在3%以内，减少了充填体沉缩、料浆离析和脱水，脱水量小，可以减少工作面的排水量，保证了工作面的生产环境。

实践证明，厚煤层分层胶结充填开采在技术上是可行的，但是，目前还没有应用于放顶煤开采。新工艺的提出，为解决厚煤层充填开采提供了新的途径［6］。

采用新工艺能够提高现有充填系统的充填能力和煤炭采出率。因此，该工艺是值得研究的充填开采新方向。

3.3 新工艺的缺点

与原有的充填工艺相比，新的充填工艺中需要在煤层的老顶岩层中掘进一条岩石巷道，增加了工作面准备的工程量，且在巷道围岩不稳定时需要对巷道进行支护，增加了巷道的维护费用及钻孔的费用。对于软弱易垮落顶板，该工艺在实际充填中还要解决钻孔被堵死等问题。同时，采用新的充填工艺实现采煤与充填的平行作业，需要增加上部巷道工作人员和下部充填效果监测人员间的相互配合及通信工作，施工现场的组织管理比较复杂、协调工作量加大。

4 结论

充填开采是利于环境保护的开采方式，具有广阔的应用前景。在生产实践中以高浓度胶结充填技术为代表的胶结充填技术，能够很好地实现料浆输送、控制地表沉降，代表了胶结充填开采的发展方向。在加强充填工作面的顶板管理质量，改善胶结充填料浆的性能等基础上，通过在煤层的老顶中掘进巷道，沿巷道的底板布置钻孔，利用钻孔从采空区的上方进行充填的技术，能够使工作面的回采与采空区的充填平行作业，提高工作面的生产效率。新的充填系统有很多优点，在理论上是可行的，同时也存在一些不足。寻找克服缺点的方法，以促进该新工艺尽早应用于实际生产，推动充填开采技术的发展，是我们今后工作的主要方向。

［1］杨宝贵，王俊涛，李永亮，等.煤矿井下高浓度胶结充填开采技术［J］.煤炭科学技术，2013，41(08):22－26.

［2］李 杨，杨宝贵.我国现代煤矿充填技术发展及其分类［J］.煤矿开采，2011，16(5):1－4.

［3］孙恒虎，黄玉诚，杨宝贵.当代胶结充填技术［M］.北京:冶金工业出版社，2002:65－67.

［4］武青林，杨宝贵，赵立华，等.提高充填开采的生产能力研究［J］.中国煤炭，2011(1):53－55.

［5］杨宝贵，孙恒虎，崔希民，等.采空区胶结充填与矿山可持续发展［G］.中国煤炭学会第六届青年科技学术研讨会论文集，2000:232－235.

［6］杜学领，杨宝贵.厚煤层高瓦斯矿井高效充填井下钻孔布置［J］.煤矿开采，2013，18(6):74－77.