工作面充填开采技术的探索与实践

文/贺志宏 郭 炯 刘向忠 李小平

煤炭资源的地下开采易造成地表沉陷等地质灾害，外排的煤矸石露天排放不仅占用大量的土地，而且对生态环境造成严重破坏。为探索破解煤炭资源地下开采的行业性难题，山西焦煤西山煤电集团公司根据国内外各类充填开采技术，在充分调研与实地考察的基础上，引进两种完全不同工艺的充填开采技术，在所属的东曲矿和屯兰矿分别进行矸石充填开采技术和粉煤灰关键层绿色充填技术现场实验，取得了初步成效。

一、实施背景

1.矸石充填背景

煤炭开采产生的以矸石为主的固体废弃物，长期主要以地面直接排放为主，对开采区域较大范围的空气、水体和土壤造成严重污染。

东曲矿每年产出矸石约120万吨，包括初选大粒径矸石30万吨，小粒径洗矸90万吨。多年的矸石地面排放、堆积占用了大量土地，对当地生态环境造成较大影响，付出的环境治理费用逐年递增。同时，现有的排矸场地最多可维持两年，采用传统的地面堆积处理矸石的方法难以继续，需要通过技术创新来解决矸石外排问题。

2.关键层充填背景

随着矿井开采，矿井资源逐渐减少，老矿区如果不进行“三下”采煤，将面临矿井关闭的局面；新矿区如不从可持续发展的战略高度进行统筹规划、协调处理“三下”压煤开采问题，就很难保证矿区的可持续发展。

屯兰矿以22301工作面为试点，使用粉煤灰作为注浆原料，利用覆岩离层注浆充填技术，进行煤炭资源的安全合理开采，释放电厂粉煤灰皮带走廊和粉煤灰综合利用项目工厂下118万吨压煤，控制采煤沉陷，保护粉煤灰皮带走廊和工厂构筑物不被破坏，同时为后期“两河两路”下压煤开采作技术积累。

二、技术路线

1.矸石充填技术路线

矸石充填开采是将井下或地面矸石破碎成符合充填要求的粒径，运输至采空区进行充填。矸石充填需要建立地面矸石破储运系统、井下返矸运输系统，将矸石转载至充填工作面，通过充填支架下方的多孔底卸式刮板输送机将矸石充填至采空区。

东曲矿充填工作面采用单一厚煤层一次采全高倾斜长壁后退式采煤方法，用矸石充填方法控制采空区顶板。矸石充填工作面充采工艺分两部分：一是架前割煤，二是架后充填，采用“一刀一充”的作业方式，顺序是完成一刀煤后进行充填，完成一个循环。工作面割煤后必须及时充填，严禁人员在充填区空顶作业；有人进行充填作业时，严禁操作作业区域的液压支架。

矸石充填采煤总体工艺流程为：采煤机斜切进刀→割煤、装煤→移架→推前刮板输送机→顺直后部多孔底卸式输送机→开动后部多孔底卸式输送机→开动矸石转载机→开动轨道顺槽运矸皮带运矸→面后充填→运煤顺槽端头充填→（充填完毕后按相反操作）停止运矸皮带→卫生清理。

2.关键层充填技术路线

煤层覆岩赋存情况决定采空沉陷的大小和离层注浆减沉效果，只有摸清覆岩结构情况，获得准确、可靠的数据，才能够为实现“三下”压煤安全开采、粉煤灰离层注浆减沉、矿井水害防治等提供可靠的依据，最终实现安全高效开采。

关键层充填技术实施要在对注浆工作面地质、岩性充分了解和判断的基础上开展，选择一组岩层作为关键层，煤层埋深、两带高度、注浆离层充填参数设计都决定了该技术的可行性。关键层选择依据主要是有合适的埋藏深度、距离煤层的安全距离、关键层有理想的力学性质。

关键层充填减沉总体工艺流程为：注浆工作面基础资料调查→煤层上覆地层、两带高度资料收集与调查→离层注浆充填参数设计→关键层判断→注浆层位确定→工作面设计→注浆孔布置→浆液配制→注浆时机把握→注浆压力控制→注浆量预估→注浆孔施工→注浆设备选购、注浆站建设、注浆管路铺设→注浆施工→地面变形观测→充填效果检测与效果评价。

地面注浆站、注浆系统建设要与所需注入粉煤灰量匹配，注浆初始阶段通过压水方式判断离层是否产生，注浆过程中保证饱和注浆状态，注浆量与离层空间发育阶段保持一致，在注浆过程中可以通过调整注浆量、浆液密度、注浆压力等参数达到动态平衡。

三、经验及改进

1.矸石充填

矸石充填工艺相较传统综采工艺复杂，在矿井原有生产系统的基础上需新增建立地面矸石破储运系统、井下返矸运输系统，并且由于充填与开采工艺不能平行进行，工作面推进速度较慢，产能相对较低；对矿井煤层赋存条件要求较高，在煤层稳定、倾角小，且顶板条件较好的情况下才能适用；该工艺存在充填工作面机头机尾两端各5×1.5m范围充填矸石接顶效果不佳，需采用人工辅助攉矸至落山接顶，工作量大、安全性低、耗时较长，需进一步实现两端头的机械化充填。

在实际充填过程中，需人工操作液压支架压实装置8～10次，才能将矸石充填接顶压实，耗时耗力，而且易造成充填不实导致液压支架拉移困难。工作面采煤及充填需进一步探索实现自动化、甚至智能化，促进充填开采工艺高效发展。

2.关键层充填

采用关键层充填技术存在通过地质钻孔、瓦斯抽采孔等钻孔封堵质量不合格及地质结构（断层）出现漏浆、跑浆风险。地质钻孔和瓦斯抽放钻孔需进行封孔质量调查，必要时进行重新封孔。对于跑浆事故处理，首先暂停注浆，并通过注浆孔卸压，同时暂停井下采面推进工作；其次对跑浆孔用高密度水泥浆灌注封堵。对通过断层跑浆处理可以通过高密度、小压力、间歇式注浆来封堵，然后通过压水法检查封堵效果，合格后恢复注浆及工作面推进工作。

四、经济效益

1.矸石充填经济效益

东曲矿在使用矸石井下充填技术后，工作面日推进3刀煤，月均推进约45米，每月可处理矿井及选煤厂生产的10万吨矸石，减少固体废弃物地面堆积对环境的污染，实现了资源开发利用最优化和生态环境影响最小化。同时，大大降低了工作面瓦斯治理费用及矸石运输和治理费用，并能享受相关资源税减免和充填开采产能置换政策。按照充填面年产量35万吨、矸石充填量50万吨计算，充填面全年增加成本约为6390万元，单耗增加159.75元/吨，节省矸石地面排放费用990万元，减少资源税357万元。

2.关键层充填经济效益

屯兰矿采用关键层注浆技术，仅一个工作面释放优质主焦煤118万吨，洗选精煤81万吨，处理粉煤灰84.6万吨，节约处置费用2749.5万元，处理矿井水53万立方米，节约处置费287万元，采出煤炭实现销售收入23.8亿元。通过该技术，取得了节约成本、防止地表塌陷、减少废物污染等节能、减排、增效的多重叠加效益。屯兰矿受地表河流、铁路、高速等影响，造成8000余万吨优质焦煤采用原有方法无法开采，今后利用关键层充填开采技术，能多采出原煤5000万吨，煤矿服务年限可延长12年以上，将产生可观的经济效益和社会效益。

五、结论

矸石井下充填既减轻了矸石治理过程中带来的村企纠纷和扬尘污染，又消除了采空区的地质灾害，推进了煤炭开采利用方式变革，开创了矿区高质量转型发展的新模式，符合国家推行煤炭绿色开采政策要求，为矿区生态文明建设起到了积极推动作用，将有力缓解矿井资源开采受限难题，能够改善矿山安全生产条件。下一步，需要进一步研究自动化、信息化、智能化的矸石充填开采工艺及适用技术。

关键层充填技术是“三下”压煤开采新方法，通过地面钻孔对采动覆岩高压注浆充填在工作面中部形成一定宽度的压实支撑区，利用压实区与隔离煤柱联合控制覆岩关键层结构的稳定性，从而减小地表下沉、实现建筑物下压煤开采，并且最大程度的释放矿井所压覆优质资源。下一步，结合山西焦煤西山煤电所属煤矿的实际，提升自主创新能力和水平，制定完善关键层开采技术规范，利用好技术创新和能源革命的相关政策，将此项技术逐步应用至所属矿区“三下”压煤开采中，为保障能源安全发挥积极作用。