煤矿充填法开采技术研究现状及应用前景.doc

煤矿充填法开采技术研究现状及应用前景前言我国以煤矸石为主的煤炭开采和洗选过程中的废弃物，是目前排放量最大的工业固体废弃物之一，目前已累计堆积34亿，占地约1.3万km2，而且还在以每年约1.3亿吨的速度增加。煤矸石长期堆存，占用大量土地，污染水质，且自燃后生成H2S、SO2等有害气体，污染空气、水源和土地，构成了对生态和环境的损害。同时，煤矿开采可造成地表沉陷，破坏原有的地形、地貌，对地表生态、植被破坏尤为严重，甚至形成低洼积水坑或沼泽地，使耕地变成不毛之地。目前，我国采矿业每年占用和破坏的土地约达3.4万km2 ，其中仅煤炭开采每年形成的地面塌陷就约达3万km2，累计已达50万km2。另外，我国目前建筑物下压煤94.68亿t，铁路下压煤23.91亿t，水体下压煤19.05亿t。山东省建筑物下压煤达44亿t，占可采含量的53%。长期以来，我国“建下”压煤开采主要采用条带法、村庄搬迁等方式。条带法的采出率仅为40%-60%，资源浪费严重；中厚煤层开采的75%是靠村庄搬迁来完成的。以济宁地区为例，至2020年，济宁市需搬迁1000多个压煤村庄，其中成固、赵楼矿井开采首采区一次性需搬迁12个和11个村庄。但是，村庄搬迁、土地征用困难，费用大，同时也给农民带来许多生产和生活上的不便。因此，科学合理地解决“三下”压煤开采问题，减轻采矿业对自然环境的破坏，充分回收利用有限的资源，实现煤碳资源的“绿色开采”，是当前我国矿业领域需要解决的一项重大课题。一、“三下”压煤开采技术纵观世界及我国解决“三下”压煤开采问题的新方法，主要有：（1）离层注浆采煤法其原理为：在一定的地质条件下，开采空间达到一定尺寸时，采空区上覆岩层中断裂带与弯曲带的结合部一定范围内会出现离层，通过地面钻孔向离层带内注入粉煤灰等材料，并在岩体中形成一种支撑结构来控制覆岩下沉，进而达到控制地表下沉的目的。如图1（2）充填法开采技术利用矿井（城市）固体废弃物充填采空区，抑制地表沉陷，保护矿区环境是实现煤炭企业绿色开采、节能减排的重要技术路径。矿山充填法开采管理顶板分为非胶结充填法和胶结充填法。1）非胶结充填法非胶结充填法根据充填材料和充填方法的不同，可分为水砂充填法、水力矸石充填法、风力充填法、自溜充填法、手工袋装充填法和边界充填法等。它是在煤层开采过程中向工作面后方采空区内充填河砂、山砂、工业废渣、煤矸石或粉煤灰等充填材料以支撑上覆岩层的顶板管理方法。上述充填法中，水砂充填法减沉效果最好，波兰在城镇及工业建筑物下采煤时采用水砂充填的采煤量占全国建筑物下总采煤量的80%左右。水砂充填的主要特点是要将大量的充填材料，通过水力运入采空区，充填采煤留下的空间。据抚顺、新汶等矿区的实践，水砂充填的充填能力可达200-300m3/h以上。采用水砂充填开采时，其地表下沉系数变化于0.06-0.30之间，这与充填材料的性质和水砂充填密实填满程序有关。如表1所示近年来，随着新洲、邢东等矿区矸石充填机械化设备的研制成功，矸石机械化充填作为一种新型的煤矿采空区充填方式获得了应用，并作为一种节能减排、绿色开采的措施获得了广泛的关注。实现了液压和自压式矸石(黄河沙）输送机及支架充填开采。如图2所示与膏体充填方式相比，原生矸石充填工艺相对简单，初期投入相对较少，吨煤成本较低，一般成本可控制在40元以下。只要工作面支架与运输设备配套合理，可以大规模提高充填速度，有利于提高工作面产量，但一般采用皮带机、溜子将矸石运输至综采支架后方的吊溜子上，设备占用空间较大，运输系统较为复杂。矸石充填地表下沉系数一般为0.25-0.4，其减沉效果不及水力和风力充填。2）胶结充填法由于非胶结充填法的充填材料缺乏内聚特性，不能形成稳固自立的充填体，20世纪60年代，加拿大、美国、澳大利亚、中国等国家开始试验胶结充填技术。20世纪60年代中期，普遍采用硅酸盐水泥或其它胶凝材料添加到低质量分数水砂充填料中，但该技术在使用过程中存在料浆凝固慢、离析分层、强度低等现象，而且具有井下脱水时胶凝材料及细料易流失，井下废水、细泥污染环境，排水、排泥费用高等问题。到了70年代，开始研究和探索高质量分数料浆的优越性及实现料浆高质量分数的有效途径，不少矿山采用不同措施把料浆的质量分数提高到70%-78%，靠自流或泵送实现高质量分数料浆的管道输送。高质量分数料浆不易发生离析和沉淀，还具有充填体力性能良好、强度高、采场脱水少、胶结料的用量大幅度减少等优点，得到了一定程度的发展，但生产实践中仍存在制浆技术难度大的问题，矿山在进行高质量分数料浆胶结充填试验研究的同时，又进一步改进充填材料的组成和级配，提高料浆质量分数，于是产生和发展了高水固化胶结充填、废石胶结充填、膏体和似膏体泵送胶结充填等工艺。膏体充填料为充填后不离析的物料集合体，质量分数在达到76%-85%时才能成为膏体。膏体充填技术，是一种把煤矿的矸石粉煤灰、工业炉渣、河砂等加工成不脱水的牙膏状浆体，在充填泵的作用下通过管道输送到井下，适时充填采空区，形成以膏体为主的胶结充填体，支撑上覆岩层，有效控制地表沉陷的现代采矿技术。它具有提高资源采出率，改善矿山安全生产条件，保护矿区生态环境和固体废弃物资源化利用的优点。似膏体充填是在综合分析其它充填方式的基础上，结合现代充填发展趋势而形成的一种充填技术。其特点是：采用全砂土固结剂作胶固剂，胶结强度高。实现了高质量分数料浆的管道输送。采用全砂土固结剂配以骨料制成的料浆外观像膏体，质量分数接近膏体。料浆流动性能好。似膏体料浆流动性能明显优于膏体，能实现低压泵输送充填或倍线条件较好的自流输送。似膏体料浆进入采场后只需少量脱水，充填体质量好，井下无排水排泥污染。似膏体充填既有水力充填料浆流动性能好、易于实现管道输送的优点，又具有膏体充填的充填体井下不脱水且强度高的优点，目前得到了较为广泛的应用。二、应用前景实行充填法开采不但可以实现建筑物下压煤的开采、缓解矿井辅助提升，而且可以将井下产生的矸石直接进行处理，消除矸石地面堆积对人类生存与生活环境带来的危害。中国矿业大学固体物开采技术研究课题组发明了长壁矸石充填综采技术，将地面矸石山矸石或洗选矸石、井下所有掘进或分选的矸石用于采空区充填，实现采充一体化，效率高，月产可达5万吨以上，实现了低成本、高效率、设备标准化、高效机械化连续充填开采的奋斗目标，代表了充填开采的方向，具有广泛的应用前景。因此，充填开采对解决我国“三下”压煤、城市垃城处理等问题开辟了一条新的技术选径，其科学与工程研究意义十分重大，同时研究成果能够为相关政府部门宏观规划和决策提供技术支持，具有较强的现实意义。虽然充填开采技术取得了巨大的发展，但我们也应该看到其不足之处，还