煤炭开采技术(煤矿充填开采技术)

 

采煤引起的地表沉陷和矸石地面堆积排放是煤矿长期以来面临的环保难题。充填开采技术可实现矸石不升井，亦可消化地面矸石山充填采空区，实现充填体支撑上覆岩层，控制地表沉降，达到煤矿资源环保开采的最终目的。煤矿充填开采是随着采煤工作面的推进，通过合理的充填技术与工艺向采空区输送充填物料，达到规模化处理固体废弃物、控制地表沉陷目的的采煤方法。充填开采技术涵盖煤矿安全生产、生态环境治理和保护、废弃物再利用等多个领域，符合国家生态文明建设和保护环境的发展战略。

煤科院北京开采所很早便开展煤矿充填开采技术研究，承担完成国家七五重点攻关计划淮北矿务局袁庄煤矿风力充填条带开采研究、抚顺市区下条带充填采煤研究、粉煤灰寻求地下排灰场作水力充填料采后充填减小地表移动和防火效果的研究、太原第一热电厂粉煤灰充填西峪煤矿老采空区的可行性研究、广州二矿矸石自溜充填等多项课题研究，提出的分区隔离采后充填新工艺入编《中国采煤方法图册》。

本世纪以来，随着充填理论和技术的发展，针对矸石、粉煤灰、风积砂、炉渣等物料研发了各种类型充填材料，建立了适应房柱式开采、炮采、普采、综采等采煤工艺的多种充填方式，研发了井下高效可重复使用充填挡墙和综采充填支架，提出了地下设备池低能耗充填站布置方式，建立了倍数法计算单位长度弯管阻力损失方法，提出了细骨料料浆大倍线自流输送充填模式。在我国西北能源基地率先研发应用了风积砂似膏体机械化充填采煤技术，为西北脆弱环境规模化资源开发和生态环境保护协调发展提供了技术途径，同时该充填系统实现高浓度管道输送自流倍线14.9，为目前国内外最大。

采矿技术研究所依托国家能源充填采煤技术重点实验室开展充填材料性能测定及新型充填材料研发，已形成具有自身特色的充填理论、技术、材料、装备体系，可为客户提供矸石不升井井下处置方案设计；井下采-选-充一体化方案设计；充填开采设计及生态保护效果监测；充填开采现场技术服务及工程总承包等充填开采专业化全方位服务。

▲国家能源充填采煤技术重点实验室

1. 矸石等固体废弃物井下充填处置技术

煤炭开采过程中，伴随采出的煤矸石堆积在地表，日积月累形成庞大的矸石山，其占地面积大吞噬耕地，自燃释放大量有毒气体污染环境，雨水冲刷易形成地质灾害隐患等，带来制约煤炭资源开采利用的环境污染难题，与国家自然和谐发展主基调相悖，亟需解决煤矸石排放带来的环保问题。利用井下采煤形成的空间，采用相应的运输方式和充填工艺将矸石、粉煤灰等固体废弃物进行规模化充填处置，是一个非常适合煤炭生产企业的处置办法。

▲采煤工作面矸石膏体充填系统

工作面充填：建立充填采煤工作面，随工作面的推进及时将固体废弃物充入后方采空区，同时实现固体废弃物处置及工作面覆岩离层控制；

注浆充填：将矸石破碎成小粒径配制一定浓度浆体，通过管路加压充入垮落法老采空区冒落区或上覆岩层离层空间；

巷道充填：利用废弃巷道进行矸石的充填处置。

矸石、粉煤灰等固废处置规模最大达到100万t/a。

2. 连采充填开采技术

连采充填技术结合连采工艺分步骤进行，首先进行支巷的掘进、充填，待充填体满足强度要求后，将支巷间煤柱进行回收，根据需要对回收后的空间进行充填。

▲连采充填分阶段实施示意图

技术特点与优势：

掘、采、充三道工序分布在不同支巷，采充互不干扰，平行作业，效率高；采充生产系统简单、设备人员投入少、生产管理简单、安全程度高；适用固体、膏体、超高水等多种充填材料施工；适用于边角煤、保护煤柱等较小范围不规则煤体开采。

▲连采工作面巷道抛矸充填现场

大坝作用是拦截水流，抬高水位，形成水库，造成上下游水位差，使电站具备水力发电的基本条件

▲连采工作面第二阶段煤柱回收后两侧充填体

▲连采工作面充填体接顶效果

3. 综采充填开采技术

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综采充填工作面采用相应的充填液压支架，按照采煤-充填的循环进行，即每推进一段距离对架后空区充填一次，实现随工作面推进而充填采空区的目的。

▲综采膏体充填工作面示意图

技术特点与优势：

工作面充填结合综采工艺进行；工作面一般采用充填支架，达到隔离充填区、保护未凝固新充填体、方便安排釆煤与充填作业的作用；使用的充填材料包括固体、膏体、超高水材料等；充填采煤能力较大。

▲某矿综采工作面风积砂石膏体充填站

1-粉煤灰浆；2-添加剂；3-水泥；4-成浆；5-风积砂堆；6-受砂口；7-定量给料机；8-振动筛；9-成品砂输送皮带；10-粉煤灰库；11-地下设备池；12-办公室；13-控制室；14-提升间；15-杂物出料口；16-料浆输送管路（2条）；17-工作面充填开采支架；18-充填体

▲风积砂似膏体大倍线自流充填采煤系统（360m3/h）

4.房柱式采空区煤柱回收技术

针对房柱式采空区遗留大量煤柱的回收问题，采用煤骨料胶结充填材料对采空区进行全部充填，然后布置长壁工作面，将煤柱和充填体同时回收。

第一步：采用煤骨料胶结材料充填采空区

第二步：布置长壁工作面将煤柱回收

▲房柱式采空区煤柱回收示意

技术特点与优势：

煤骨料取材方便，成本低，且可循环利用；长壁回收时对煤质影响小。

5. 空巷充填技术

针对强矿压工作面过空巷存在的顶板控制难度大、费用高等问题，采用高水材料对空巷进行充填（全部充填或施工高强立柱），达到支撑顶板和控制围岩目的。

▲工作面过空巷全充示意图

某矿空巷充填施工图

某矿工作面通过充填空巷时揭露的充填体

▲空巷全充式工作面过空巷施工及效果图

技术特点与优势：

充填体强度高，且具有一定的塑性，抗强矿压效果好；工作面推过空巷时，采煤机割除充填体容易；相比垛式支架、密集支柱等传统支护方式，安全性好、成本低。

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