淺談矸石充填綠色開(kāi)采技術(shù)

1、淺談矸石充填綠色開(kāi)采技術(shù) 摘 要：介紹了煤炭資源開(kāi)采帶來(lái)的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，分析了矸石充填開(kāi)采技術(shù)合理性與特點(diǎn)，并對(duì)矸石充填技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)闡述。最后從采充均衡理論出發(fā)，確定了采空區(qū)充填應(yīng)采用部分充填法。 關(guān)鍵詞：矸石充填，綠色開(kāi)采，采充均衡1 引言煤炭資源開(kāi)采導(dǎo)致了嚴(yán)重的塌陷破壞和生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，礦山開(kāi)采沉陷和煤矸石的露天排放是造成破壞和影響礦區(qū)環(huán)境的主要問(wèn)題根源。礦山開(kāi)采沉陷破壞了人們賴以生存的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境，對(duì)地農(nóng)及其建筑物造成了嚴(yán)重?fù)p害。煤矸石的大量露天排放不僅占用大量土地、污染上壤，而且矸石的自燃會(huì)釋放大量的SO2，H2S和CO等有毒有害氣體，威脅人們的生產(chǎn)、生活安全。利用矸石充填的綠色開(kāi)采技

2、術(shù)既可以解決煤礦生產(chǎn)矸石的井下處置問(wèn)題，避免矸石提升上井帶來(lái)的礦井運(yùn)輸緊張、地而環(huán)境污染和占地問(wèn)題，又可以實(shí)現(xiàn)對(duì)地面的有效控制，保護(hù)地面建筑物安全，使礦井開(kāi)采與生態(tài)環(huán)境相協(xié)調(diào)。2 矸石充填的背景2.1 煤礦生產(chǎn)對(duì)環(huán)境的破壞形式 礦區(qū)在開(kāi)發(fā)建設(shè)之前與周圍環(huán)境是協(xié)調(diào)一致的，而一旦開(kāi)發(fā)建設(shè)，強(qiáng)烈的人為活動(dòng)便使環(huán)境發(fā)生巨大的變化，由此形成了獨(dú)特的礦區(qū)生態(tài)環(huán)境問(wèn)題，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： 1)對(duì)土地資源的破壞和占用。煤炭開(kāi)采對(duì)土地資源的破壞損害，井工開(kāi)采以地表塌陷和矸石山壓占為主，而露天開(kāi)采則以直接挖損和外排土場(chǎng)壓占為主。 2)對(duì)水資源的破壞和污染.煤炭開(kāi)采過(guò)程中，進(jìn)行的人為疏干排水和采動(dòng)形成的導(dǎo)水裂

3、隙對(duì)煤系含水層的自然疏干，破壞了地下水資源。同時(shí)開(kāi)采還可能污染地下水資源。3)對(duì)大氣環(huán)境的污染.主要來(lái)自礦井排出的煤層瓦斯和煤礦矸石山的自燃所形成的廢氣。2.2 矸石充填的合理性我國(guó)矸石排量占原煤產(chǎn)量的15%20%。按年產(chǎn)25億t煤計(jì)算，矸石排量在4億一5億t。減少排矸和進(jìn)行矸石利用是綠色開(kāi)采技術(shù)的一大任務(wù)。我們通過(guò)優(yōu)化巷道布置，多開(kāi)煤巷少掘巖巷，開(kāi)發(fā)煤巷護(hù)巷技術(shù)，減少矸石量。另外，隨著矸石充填液壓支架、高速動(dòng)力拋?lái)窓C(jī)等關(guān)鍵設(shè)備的矸制成功，以及矸石充填開(kāi)采在邢東礦區(qū)和新汶礦區(qū)的工業(yè)性試驗(yàn)取得的初步成功，使得矸石充填開(kāi)采的成功實(shí)施成為可能。這種新的開(kāi)采方法不但可以在保證一定采出率基礎(chǔ)上有效的控制

4、巖層和地農(nóng)移動(dòng)、保護(hù)地表建筑物，而且還能實(shí)現(xiàn)矸石不升井、直接充填采空區(qū)，達(dá)到促進(jìn)資源開(kāi)采和環(huán)境保護(hù)協(xié)調(diào)發(fā)展的目的。2.3 矸石充填的特點(diǎn) 井下矸石直接用于采空區(qū)充填，從經(jīng)濟(jì)角度考慮，會(huì)增加矸石在井下運(yùn)輸?shù)馁M(fèi)用，增加工作面充填作業(yè)所需的設(shè)備和人工費(fèi)用；但可以省去運(yùn)出井口和運(yùn)至矸石山和矸石山環(huán)保處理的費(fèi)用，減少?gòu)?fù)墾費(fèi)用，免去矸石山的排矸作業(yè)的費(fèi)用。如果將矸石山的土地購(gòu)置費(fèi)用和長(zhǎng)時(shí)期的各種污染的治理和賠償費(fèi)用計(jì)算在一起，則在多數(shù)情況下，井下充填所增加的費(fèi)用將遠(yuǎn)小于后者。 從理論上來(lái)說(shuō)，充填開(kāi)采是解決煤礦開(kāi)采環(huán)境問(wèn)題的理想途徑，尤其在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)解決建筑物下壓煤開(kāi)采更應(yīng)受到重視。 矸石充填技術(shù)具有以下

5、特點(diǎn)：減少了復(fù)雜的提矸、運(yùn)矸環(huán)節(jié)和人員，相應(yīng)地減少了運(yùn)矸設(shè)備和工作量；在礦井全部實(shí)現(xiàn)矸石充填時(shí)，地面矸石山占地及其所造成的環(huán)境污染等問(wèn)題，可以得到徹底解決；由于大量矸石的采空區(qū)充填，提高了回采煤工作面頂板的安全程度，而目有效地防止了由于采空區(qū)冒落所造成的地表塌陷;回采后頂板的有效控制，給無(wú)煤柱開(kāi)采制造了有利條件；因?yàn)闆](méi)有像其他充填方法那樣的復(fù)雜環(huán)節(jié)和工藝過(guò)程，又減少了向地面運(yùn)矸翻矸和沒(méi)有地面堆積占林、占地，可達(dá)到保護(hù)地面建筑物的日的。由于采用了采空區(qū)充填，避免了采空區(qū)積水的安全隱患。采空區(qū)充填還可防止采空區(qū)遺煤自燃和采空區(qū)瓦斯涌出和積聚。 矸石充填開(kāi)采技術(shù)，取得了以矸換煤、矸石不升井、不占用耕

6、地的潔凈開(kāi)采效果，不但解決了“三下”壓煤?jiǎn)栴}，而且延長(zhǎng)了礦井壽命，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的綠色開(kāi)采技術(shù)應(yīng)大力研究和推廣。3 井下矸石充填技術(shù)3.1 矸石充填技術(shù)的分類 按矸石充填的位置不同分巷道充填或工作面充填。巷道充填系統(tǒng)簡(jiǎn)單，占用設(shè)備少，但缺點(diǎn)是矸石充填量少，不能從根本上解決矸石污染問(wèn)題。工作面充填，工作面充填系統(tǒng)復(fù)雜，除煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)外，還要有排矸充填系統(tǒng)，設(shè)備占用多，但優(yōu)點(diǎn)是矸石處理量大，目還能多出煤。 按充填量和充填范圍不同分全部充填或局部充填:全部充填即在煤層采出后頂板未冒落前，對(duì)所有采空區(qū)域進(jìn)行充填，充填量和充填范圍與采出煤量大體一致，靠采空區(qū)充填體支撐上覆巖層控制開(kāi)采沉陷。局部充

7、填是相對(duì)全部充填而言的，其充填量和充填范圍僅是采出煤量的一部分，它僅對(duì)采空區(qū)的局部或離層區(qū)或冒落區(qū)進(jìn)行充填，靠覆巖關(guān)鍵層形成對(duì)上覆巖層的支撐結(jié)構(gòu)、充填體及部分煤柱共同支撐覆巖控制開(kāi)采沉陷。3.2 矸石充填的輸送方式矸石充填方法其位置只能是采空區(qū)，而局部充填的位置可以是采空區(qū)、離層區(qū)或冒落區(qū)。當(dāng)采空區(qū)傾角較大時(shí)或在傾角較大的下山，可采用自溜來(lái)完成充填，其做法是:用單軌吊車、齒軌車或卡軌車等輔助運(yùn)輸工具把矸石由掘進(jìn)工作面直接運(yùn)輸、傾卸到采空區(qū)；當(dāng)采空區(qū)傾角較小或在傾角較小的下山和平巷進(jìn)行矸石充填時(shí)，要用一些設(shè)備進(jìn)行處理，如扒裝機(jī)、膠帶輸送機(jī)、刮板輸送機(jī)等。選用扒裝機(jī)時(shí)利用扒裝機(jī)臺(tái)鏟和扒斗，將臺(tái)鏟固

8、定在卸矸點(diǎn)外，回頭輪固定在廢棄巷道充填面上端，用扒斗將矸石扒向充填面。選用膠帶輸送機(jī)時(shí)用改造后的皮帶機(jī)，將矸石送往充填面，輸送機(jī)固定在卸矸點(diǎn)外，膠帶機(jī)機(jī)尾可采用懸壁梁架，目可調(diào)坡度，將矸石送高或送低，機(jī)身也可加長(zhǎng)或縮短，以保證卸矸的適應(yīng)性。選用刮板輸送機(jī)時(shí)同膠帶輸送機(jī)。在上述3種方式中，以膠帶輸送方式為最好。3.3 矸石充填采空區(qū)條帶充填技術(shù)矸石充填采空區(qū)條帶充填技術(shù)，就是在煤層采出后頂板冒落前，采用矸石材料對(duì)采空區(qū)的一部分空間進(jìn)行充填，構(gòu)筑相間的充填條帶，靠充填條帶來(lái)支撐覆巖，控制地表沉陷，如圖1所示。圖1 采空區(qū)條帶充填示意圖采空區(qū)條帶充填技術(shù)有兩種模式:其一是長(zhǎng)壁條帶充填開(kāi)采模式，沿推進(jìn)

9、方向在采空區(qū)相間構(gòu)筑充填條帶：其一是短壁間隔條帶充填開(kāi)采模式(見(jiàn)圖2)，工作面布置成短壁條帶開(kāi)采，隔l個(gè)工作面充填l個(gè)工作面。圖2 短壁間隔條帶充填開(kāi)采模式對(duì)于條帶開(kāi)采冒落區(qū)注漿充填技術(shù)則主要用來(lái)實(shí)現(xiàn)建筑物下壓煤開(kāi)采，其主要缺點(diǎn)是煤炭采出率偏低，一般僅為30%50%。條帶冒落區(qū)失去承載能力并將其上部巖層的載荷轉(zhuǎn)移到兩側(cè)留設(shè)的煤巖柱上。條帶開(kāi)采冒落區(qū)注漿充填就是在建筑物壓煤條帶開(kāi)采情況下，通過(guò)地面或井下鉆孔向采出條帶己冒落采空區(qū)的破碎矸石進(jìn)行注漿充填，充填破碎矸石空隙，加固破碎巖石，使得采出條帶冒落區(qū)重新起到承載作用，從而減緩覆巖移動(dòng)往地表的傳播；同時(shí)利用充填材料與冒落區(qū)內(nèi)矸石形成的共同承載體來(lái)

10、縮短留設(shè)條帶的寬度，以達(dá)到提高資源回采率的目的。4 從采礦均衡角度分析充填模式的選擇 采空區(qū)全部充填開(kāi)采中，采礦和充填相互制約，不繼續(xù)采礦就無(wú)處充填，不充填也就不能采礦，使得由采礦和充填這兩個(gè)作業(yè)環(huán)節(jié)組成的回采作業(yè)大循環(huán)共同決定礦井的開(kāi)采。因此，只有實(shí)現(xiàn)采礦和充填的均衡，充填技術(shù)才有生命力，才會(huì)在礦山有效應(yīng)用。采充均衡問(wèn)題體現(xiàn)在三個(gè)方面，其一，充填生產(chǎn)能力與采礦生產(chǎn)能力如何匹配才能保持與其他開(kāi)采方法同樣的產(chǎn)量；其二是充填材料供需均衡問(wèn)題，如何尋找合適豐富充填材料滿足回填空間的要求；其三是充填成本與采礦效益均衡問(wèn)題，充填開(kāi)采中因充填而增加的經(jīng)濟(jì)效益能否抵消充填成本。4.1 充填能力無(wú)法匹配機(jī)械化

11、的采煤生產(chǎn)能力 煤炭開(kāi)早就實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化，即落煤、裝煤、運(yùn)煤、支護(hù)和放頂五道工序，全部采用機(jī)械化作業(yè)，出現(xiàn)了工作面年單產(chǎn)百萬(wàn)噸甚至千萬(wàn)噸以上的地下特大型礦山，因此，煤礦的充填技術(shù)必須適應(yīng)高產(chǎn)高效的發(fā)展。但是隨采隨充的充填能力一般小于40m3/h，而一個(gè)年產(chǎn)100萬(wàn)t的采煤面的生產(chǎn)能力超過(guò)100m3/h，因此采用采空區(qū)全部充填技術(shù)無(wú)法與高產(chǎn)高效采煤技術(shù)相匹配。4.2 煤礦缺乏充填材料 煤礦自身工業(yè)廢棄物比例小，煤礦的矸石一般為煤炭開(kāi)采量的15%20%，采空區(qū)全部充填難以解決優(yōu)質(zhì)充填材料來(lái)源困難的問(wèn)題。因此，采空區(qū)全部充填技術(shù)只局限于在能夠在解決充填材料的礦區(qū)使用。4.3 充填成本大于開(kāi)采塌陷賠償

12、成本 對(duì)采煤塌陷賠償費(fèi)用進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析得出:采空區(qū)全部充填增加的噸煤開(kāi)采成本大于開(kāi)采塌陷土地破壞和村莊搬遷賠償增加的噸煤開(kāi)采成本，煤礦采用采空區(qū)全部充填開(kāi)采，不能解決充填成本與采礦效益矛盾問(wèn)題。 由上述論證可知，煤礦如采用傳統(tǒng)的采空區(qū)全部充填法，無(wú)法解決采充均衡問(wèn)題。因此煤礦不宜選擇隨采隨充的采空區(qū)全部充填采煤法。為此，建議選擇部分充填開(kāi)采模式。上面介紹的矸石充填采空區(qū)條帶充填技術(shù)就是部分充填的其中一種技術(shù)。5 結(jié)論 1）煤炭作為主體和可靠能源，綠色開(kāi)采是其可持續(xù)發(fā)展的主要內(nèi)容之一，突出特點(diǎn)是考慮對(duì)環(huán)境的保護(hù)，形成開(kāi)采與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展。2）利用矸石充填開(kāi)采，在有效的控制地表沉陷、保護(hù)地面建筑物的同

13、時(shí)，該技術(shù)還處理了煤炭生產(chǎn)過(guò)程中的煤矸石，實(shí)現(xiàn)了地而矸石的零排放。3）矸石充填開(kāi)采技術(shù)，取得了以矸換煤、矸石不升井、不占用耕地的潔凈開(kāi)采效果，不但解決了“三下”壓煤?jiǎn)栴}，而且延長(zhǎng)了礦井壽命，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的綠色開(kāi)采技術(shù)應(yīng)大力研究和推廣。4）從采充均衡角度分析得到，采空區(qū)全部充填開(kāi)采無(wú)法解決采充均衡問(wèn)題，建議才用部分充填方法。參考文獻(xiàn)1 繆協(xié)興,錢鳴高.中國(guó)煤炭資源綠色開(kāi)采研究現(xiàn)狀與展望.采礦與安全工程學(xué)報(bào),2009,3.2 謝中強(qiáng).淺析煤炭綠色開(kāi)采技術(shù).中州煤炭,2009.3 李興尚,許家林,朱衛(wèi)兵等.從采充均衡論煤礦部分充填開(kāi)采模式的選擇. 遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2008