充填開采技術(shù)在榆陽煤礦的應(yīng)用實踐

1、充填開采技術(shù)在榆陽煤礦的應(yīng)用實踐作者：呂文宏來源：科技創(chuàng)新導(dǎo)報2013年第33期呂文宏（陜西中能煤田有限公司陜西榆林719000）摘要為了解放“三下”壓煤，改善地企關(guān)系，維護礦區(qū)和諧穩(wěn)定的秩序，在充分調(diào)研論 證的基礎(chǔ)上，榆陽煤礦引進了符合實際的充填方式。在實施充填開采的過程中，創(chuàng)造性地改進 了充填材料和工藝，突出了規(guī)?；⒈就粱?、機械化、自動化的特點。項目實踐表明經(jīng)濟效益 可觀，工藝特點突出，生態(tài)環(huán)境效益良好，區(qū)域示范和帶動作用巨大，有較好的推廣應(yīng)用價值。關(guān)鍵詞充填開采；風(fēng)積沙；似膏；料漿；密封中圖分類號：TD823.7文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2013）11（c）-000

2、0-00煤礦傳統(tǒng)的垮落法開采易造成大面積的采空塌陷，影響生態(tài)環(huán)境平衡，損壞地面建筑物， 嚴重制約礦區(qū)后續(xù)發(fā)展，而減少地表沉降的條帶開采方法將造成極大的煤炭資源浪費且不能保 證地表長期穩(wěn)定，因此，實施充填開采十分必要。1榆陽煤礦實施充填開采的背景陜西中能煤田有限公司主要從事煤炭開采、煤炭深加工、銷售等生產(chǎn)經(jīng)營活動，公司下屬 生產(chǎn)礦井一一榆陽煤礦處在陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫礦區(qū)（北區(qū)）東北部的紅石峽井田，紅石峽井 田以小紀(jì)汗井田南界為界，西南與袁大灘井田及十六臺井田相鄰，東以榆溪河為界。榆陽煤礦 行政隸屬于榆林市榆陽區(qū)小紀(jì)汗鄉(xiāng)境內(nèi)，距榆林市約12km，井田內(nèi)地物眾多，壓覆煤炭資源占 到總儲量的40%50

3、%，井田內(nèi)可布置長壁工作面的區(qū)域有限，資源損失極大，若采用短壁式回 采，資源回收率只有20%左右，還存在塌陷、礦震等新的地質(zhì)災(zāi)害。加之，近年來榆林地區(qū)經(jīng) 濟高速增長，榆林城市規(guī)劃范圍迅速擴大，城市規(guī)劃對榆陽煤礦采礦塌陷提出了更高的要求。 因此，榆陽煤礦采用充填開采減小對地面的影響和損害，已經(jīng)成為關(guān)系當(dāng)?shù)厝罕娚a(chǎn)生活和城 市長遠發(fā)展的大事，也是建設(shè)生態(tài)文明、推動科學(xué)發(fā)展的當(dāng)務(wù)之急。2充填技術(shù)方案選擇2.1基本情況榆陽煤礦所處的紅石峽井田總體構(gòu)造形態(tài)呈向北西或北西西微傾的單斜構(gòu)造，局部地段有 寬緩的波狀起伏，地層傾向305左右，傾角小于1。主采3號煤層埋深141.01201.19m， 煤層厚度穩(wěn)定

4、在2.903.99m之間，平均厚3.6m。煤層頂板巖性以中粒砂巖、細粒砂巖為主； 底板巖性以泥巖、粉砂質(zhì)泥巖為主。具備適合充填開采的優(yōu)越地質(zhì)條件。充填開采是近年研究較多的有效控制地表沉陷的一種綠色開采技術(shù)，它是指隨著采煤工作 面的推進，向采空區(qū)送入矸石、沙石、工業(yè)固體廢料等其它材料作為充填體，利用充填體減緩 頂板沉降的采空區(qū)管控技術(shù)。從充填材料來看，目前應(yīng)用的主要是矸石、粉煤灰等，按照充填 材料形態(tài)來分，主要為固體直接充填、（似）膏體充填和（超）高水充填三大類。2.2充填方式的選擇榆陽煤礦充填開采項目由陜西中能煤田有限公司組織中國煤炭科工集團天地科技股份有限 公司、西安科技大學(xué)、青島理工大學(xué)等

5、單位按產(chǎn)學(xué)研緊密結(jié)合的方式聯(lián)合研究開發(fā)。在項目可 行性研究階段，先后三次組織專家對山東省和河北省的4個不同類型充填方式的礦井進行了考 察調(diào)研，咨詢了相關(guān)大專院校、科研單位充填開采方面的專家教授。根據(jù)目前充填開采技術(shù)發(fā) 展趨勢及榆林當(dāng)?shù)乜晒┻x用材料特點，選擇風(fēng)積沙為主要充填材料；結(jié)合榆陽煤礦地質(zhì)采礦條 件，對風(fēng)積砂直接充填、以風(fēng)積砂為骨料的似膏體充填、風(fēng)積砂高水膨脹材料充填及超高水材 料充填等四種充填方式進行了綜合分析比較，風(fēng)積砂似膏體充填具有工藝簡單、膨脹適當(dāng)、流 動可控、封堵簡捷、就地取材、成本低廉等優(yōu)良特性，最終選擇風(fēng)積砂似膏體材料重力自流充 填技術(shù)為主的充填方式。3充填開采工藝設(shè)計3.1

6、設(shè)計的基本原則（1）充填材料有所創(chuàng)新，基本實現(xiàn)就地取材；（2）充填開采系統(tǒng)達到機械化、自動化水平；（3）充填開采生產(chǎn)能力達到一定規(guī)模，名列國內(nèi)前茅；（4）經(jīng)濟、環(huán)境、生態(tài)效益兼顧，具備示范推廣價值。3.2充填工藝系統(tǒng)榆陽煤礦充填開采設(shè)計分為連采窄條帶和綜采長壁兩種回采充填工藝方式，每種工藝都包 括開采和充填兩大系統(tǒng)。其中連采窄條帶和綜采長壁兩種采煤工藝為常規(guī)工藝，充填系統(tǒng)包括 制漿系統(tǒng)、漿料輸送系統(tǒng)、監(jiān)測控制系統(tǒng)、采空區(qū)漿料封堵設(shè)施等。充填工藝系統(tǒng)見圖1。ei_ KAk # f *二井做小土 m榆陽煤礦風(fēng)積砂似膏體充填工藝由風(fēng)積砂高水膨脹材料充填工藝演變而來。充填制漿工藝 引山東省淄博市臨淄區(qū)

7、王莊煤礦專利技術(shù)，采用風(fēng)積砂、粉煤灰、水泥、專用輔料和水作為主 要充填材料。經(jīng)過特殊的工藝配制成充填料漿，配比中水占45%以上的料漿稱為風(fēng)積砂高水膨 脹材料，配比中水占35%以下的料漿稱為風(fēng)積砂似膏體充填材料。兩種料漿都具備自流充填到 采空區(qū)內(nèi)的特征。榆陽煤礦充填系統(tǒng)由兩套能力相同的系統(tǒng)組成，每套系統(tǒng)可單獨運行或同時運行，設(shè)計能 力為2乂180田3/4每套系統(tǒng)都由制漿系統(tǒng)和管道輸送系統(tǒng)兩大部分組成。制漿系統(tǒng)由粉煤灰、 風(fēng)積砂、輔料等儲存設(shè)施、材料定量配制、初漿制備、成漿制備和自動控制裝置組成。充填管 道輸送系統(tǒng)由輸料豎直鉆孔管道、井下巷道水平管道、泄?jié){閥、流量計、壓力傳感器、三通閥 等組成。在

8、引進專利技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究開發(fā)了風(fēng)積砂添加系統(tǒng)、粉煤灰儲存輸送系統(tǒng)和自動 化控制監(jiān)測系統(tǒng)。監(jiān)測控制屏幕見界面圖3-2。圖切充填業(yè)挖.系統(tǒng)屏.幡藕圖3.3連采面充填開采連采窄條帶充填開采工作面設(shè)計生產(chǎn)能力為40萬t/a，其采煤方法與常規(guī)的連采條帶工作 面布置相同，分兩個階段進行回采和充填，第一階段回采和充填間隔25條支巷，待第一階段 充填體強度達到設(shè)計強度后進行第二階段的回采和充填。根據(jù)連采機性能及頂板性質(zhì)，并兼顧 開采效率，選擇留設(shè)合理的支巷開采寬度和煤柱尺寸，回采和充填順序見圖3。*洌司典崖D-303.4綜采充填開采綜采充填工作面設(shè)計能力100萬t/a,工作面布置方式與普通長壁綜采工作面布置

9、形式相 同，充填工藝為推進48刀煤后集中充填一次。綜采充填工作面料漿封堵技術(shù)方面，引進了柔 模封堵的技術(shù)，利用柔模密封充填料漿，液壓支架后擋墻支撐限位柔膜，實現(xiàn)充填料漿初凝前 的封堵。在割煤移架過程中，存放在支架內(nèi)的柔模人工連續(xù)續(xù)膜，割煤達到一個充填步距，整 理柔膜、連接充填管道充填。綜采充填開采工作面封堵方法見圖4。4充填開采實踐4.1項目進展（1）榆陽煤礦地面充填制漿站建成投入運營以后，增加了粉煤灰儲存和輸送系統(tǒng)；增加了 除塵設(shè)備，完善了除塵系統(tǒng)，改善了除塵效果；優(yōu)化了風(fēng)積砂篩選系統(tǒng)，提高了風(fēng)積砂的稱篩 選能力。系統(tǒng)穩(wěn)定性、操控性、抗風(fēng)險能力達到了較高水平，單套制漿及管道輸送系統(tǒng)實際能 力

10、可以達到200 m3/h以上，為充填開采實現(xiàn)年產(chǎn)百萬噸以上規(guī)模化生產(chǎn)提供了充填保障。（2）連采充填面目前共充填50條支巷，充填料漿約52000 m3，充填體強度及穩(wěn)定性等各 項指標(biāo)均達到設(shè)計要求；綜采充填面截止目前，累計推進200多m，出煤約13萬t，充填料漿 約10萬m3。充填體實際強度的檢測曲線見圖5。（3）建立了地表移動觀測站及井下礦壓監(jiān)測系統(tǒng)，對實施充填開采的巖層移動控制效果和 地面保護效果形成了較完善的反饋體系。為充填開采研究成果的總結(jié)及推廣應(yīng)用收集數(shù)據(jù)和積 累技術(shù)資料。4.2階段性成果（1）基本掌握了充填材料管路輸送規(guī)律，掌握了充填材料的各項指標(biāo)及性能，大幅度提高 了風(fēng)積砂在充填材

11、料中的比重，對充填材料的配比進行了優(yōu)化，實現(xiàn)了就地取材，大量使用風(fēng) 積砂作為充填材料的骨料，大幅降低了充填材料成本。（2）研發(fā)了連采充填面充填高效支架擋墻，制定了提高充填接頂率的技術(shù)措施，形成了榆 陽煤礦特色的綜采架后充填密閉技術(shù)，綜采充填的充填體接頂率滿足工藝及頂板控制的要求。 連采、綜采充填開采工藝已逐步成熟，制定了連采、綜采充填質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)化標(biāo)準(zhǔn)及考核評分辦法。（3）掌握了井下充填體的溫度變化規(guī)律及其對煤層的影響，對充填體發(fā)熱和釋放氣體成分 進行了監(jiān)控，掌握充填體對井下環(huán)境的影響，各項指標(biāo)均在相關(guān)規(guī)程安全許可范圍之內(nèi)。（4）在綜采充填工作面應(yīng)用了沿空留巷技術(shù)，在充填的同時預(yù)留了下一個工作面的

12、順槽巷 道，增加了對充填體、礦壓觀測的空間和深度，加快了試驗的各項進程；實現(xiàn)無煤柱開采，減 少了巷道掘進量，提高煤炭回收率。（5）對榆陽煤礦充填所用風(fēng)積砂、粉煤灰、石膏、生石灰、添加劑以及充填膠凝體泌出的 水分進行了全面的檢測，均不含污染水質(zhì)和土壤的成分，對地下水和土壤無污染。4.3核心技術(shù)經(jīng)過聯(lián)合攻關(guān)和實踐驗證，已經(jīng)取得擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的材料配方及相關(guān)工藝技術(shù)，具備 充填技術(shù)示范和對外輸出的條件。（1）經(jīng)過一系列的實驗室試驗和工業(yè)試驗，利用榆林當(dāng)?shù)氐脑牧献灾餮邪l(fā)了充填輔料和 外加劑，具備了充填輔料及外加劑本地化生產(chǎn)的條件，目前正在申請相關(guān)專利。（2）研發(fā)了具有榆陽煤礦特色連采充填面充填高效

13、支架擋墻及綜采架后充填密閉技術(shù)，解 決了料漿流動性強，不易封閉的難題，已申請充填材料密閉及工藝的相關(guān)專利。（3）經(jīng)過深入的研究和大量實驗，摸索出了大量利用當(dāng)?shù)亓畠r風(fēng)積砂的材料配合比，體現(xiàn) 了因地制宜利用廣泛存在的風(fēng)積沙作為充填材料的區(qū)域特點，從成本控制方面提升了充填開采 的經(jīng)濟效益。5充填技術(shù)特點經(jīng)過連采和綜采的充填試驗，榆陽煤礦的充填開采項目的主要特點有：（1）充填材料本土化；（2）充填制漿工藝連續(xù)，在線自動控制；（3）充填漿液流動性、穩(wěn)定性適合長距離管道輸送，管道輸送系統(tǒng)在線自動監(jiān)控，輸送能 力大，經(jīng)濟可靠；（4）充填開采機械化、自動化程度高；（5）充填開采生產(chǎn)能力大，規(guī)模效益顯著。6充填效果分析榆陽煤礦通過實施充填開采，榆陽煤礦可多解放呆滯煤炭資源（“三下”壓煤）1793.5萬 t，可回收資源1280萬t，以280元/t計算，增加產(chǎn)值358400萬元。充填開采可以減少或防止 覆巖破壞及地表沉陷，能夠大幅度的減少對生態(tài)環(huán)境的影響，有效維持當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境的持續(xù)好 轉(zhuǎn)。充填開采不僅利于中能公司與地方經(jīng)濟的和諧發(fā)展，而且還是解決煤礦采空區(qū)治理、煤礦 防治水、防滅火和其它災(zāi)害的一個重要技術(shù)途徑，具有重要的推廣示范意義。參考文獻陳佩佩.榆林地區(qū)煤礦開采環(huán)境影響分析J.煤礦開采，2008, 13（3）： 3941.崔鋒，張華興，劉鵬亮，等.沙漠邊緣