徐法奎

(天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

我國(guó)煤礦充填開(kāi)采現(xiàn)狀及發(fā)展前景

徐法奎

(天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京100013)

全國(guó)“三下”壓煤達(dá)13.7Gt，同時(shí)地面堆積的矸石達(dá)4.5Gt，如能利用矸石進(jìn)行充填開(kāi)采，則既可提高資源回收率，又能節(jié)省矸石占地、改善地面環(huán)境。當(dāng)前的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)條件為充填開(kāi)采創(chuàng)造了有利環(huán)境，使充填開(kāi)采在全國(guó)各礦區(qū)得到快速發(fā)展。文章對(duì)當(dāng)前我國(guó)煤礦充填開(kāi)采方法和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了歸納和總結(jié)，并對(duì)發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

充填開(kāi)采;現(xiàn)狀;發(fā)展前景;“三下”壓煤

我國(guó)煤礦把地表水體 (河流、水庫(kù)、湖泊、江、海等)、建(構(gòu))筑物和鐵路下壓煤統(tǒng)(俗)稱為“三下”壓煤。根據(jù)前幾年的不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)“三下”壓煤達(dá)13.7Gt。山東、河北等多數(shù)東部礦區(qū)“三下”壓煤已占現(xiàn)有可采量的50%以上。如山東省新汶礦業(yè)集團(tuán)“三下”壓煤0.267Gt，占可采儲(chǔ)量的70%以上;河北省峰峰礦業(yè)集團(tuán)13對(duì)生產(chǎn)礦井“三下”壓煤0.3588Gt，占礦區(qū)總可采儲(chǔ)量的53.4%。新老礦井都受到“三下”壓煤困擾。特別是老礦區(qū)，唯有走出“三下”壓煤困境，才能維持正常生產(chǎn)。

同時(shí)，我國(guó)現(xiàn)有矸石山1600余座，堆積量超過(guò)4.5Gt，占地超過(guò)15000hm2。目前每年產(chǎn)矸量超過(guò)0.25Gt。矸石山除了占用大量的土地資源外，還會(huì)污染地下水，自燃時(shí)嚴(yán)重污染空氣。

如果用充填法開(kāi)采“三下”壓煤，把地面的矸石、粉煤灰、尾礦等固體廢棄物充填到井下采空區(qū)，既提高了煤炭資源回收率和礦井經(jīng)濟(jì)效益，又減少固體廢棄物占?jí)和恋?，從而改善地面環(huán)境。

隨著人們環(huán)境意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)資源保護(hù)要求的提高，以及老礦區(qū)生產(chǎn)挖潛的迫切需求，各礦區(qū)對(duì)充填開(kāi)采越來(lái)越重視。當(dāng)前國(guó)內(nèi)的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和社會(huì)條件為充填開(kāi)采創(chuàng)造了有利環(huán)境，使充填開(kāi)采在全國(guó)各礦區(qū)快速發(fā)展起來(lái)。

1 充填開(kāi)采方法

目前，從充填材料組成和充填體的狀態(tài)來(lái)說(shuō)國(guó)內(nèi)煤礦充填開(kāi)采分為三大類:矸石固體密實(shí)充填、(似)膏體材料充填和 (超)高水材料充填。

(1)矸石固體密實(shí)充填 充填材料為地面矸石、井下掘進(jìn)和采煤所出矸石。只需把大塊矸石破碎到粒徑符合要求 (一般小于15mm)后，用運(yùn)輸系統(tǒng)轉(zhuǎn)運(yùn)、充填到采空區(qū)，再采用機(jī)械或其他的方法壓實(shí)處理，有時(shí)需要添加少量其他材料，增強(qiáng)其強(qiáng)度。

(2)(似)膏體材料充填 充填材料主料是矸石、粉煤灰，缺少矸石的礦區(qū) (井)主料可使用河沙或風(fēng)積沙。將主料、粉煤灰、水泥、膠凝材料與水混合，攪拌加工成為具有良好流動(dòng)性的膏狀膠結(jié)體 (膏體)，在重力或泵壓作用下，以柱塞流的形態(tài)輸送到采空區(qū)。膏狀膠結(jié)體 (膏體)在一定時(shí)間內(nèi)固結(jié)、釋水后，達(dá)到一定強(qiáng)度要求。

(3)(超)高水材料充填 充填材料主料是尾礦 (矸石、鐵礦、金礦)、粉煤灰、赤泥 (氧化鋁工業(yè)生產(chǎn)的廢料)，配料是石膏、石灰、水泥、鋁養(yǎng)熟料、膨脹劑、膠凝材料。將主料和配料與水混合，水含量達(dá)到50%(超高水材料達(dá)90%以上)，攪拌加工成為可自流輸送的材料，在重力作用下輸送到采空區(qū)。后期在化學(xué)作用下固結(jié)，并達(dá)到一定的強(qiáng)度。

目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用充填方法開(kāi)采的礦井，根據(jù)采煤工藝、工作面充填設(shè)備和充填地點(diǎn)等，又可分為綜采工作面矸石固體密實(shí)充填、普采工作面拋?lái)窓C(jī)矸石固體密實(shí)充填、綜采工作面 (似)膏體充填或(超)高水充填、普采工作面 (似)膏體充填或(超)高水充填、煤巷履帶自行式拋?lái)窓C(jī)矸石密實(shí)充填等多種充填形式。

2 應(yīng)用現(xiàn)狀

2.1 應(yīng)用情況

(1)矸石固體密實(shí)充填 矸石固體充填具有系統(tǒng)、設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單，初期投資少，充填成本低，壓縮率大等特點(diǎn)。目前全國(guó)應(yīng)用此法的礦區(qū)主要是山東省新汶集團(tuán)的盛泉、翟鎮(zhèn)和泉溝礦，河北省邢臺(tái)的邢東礦等，矸石不出井與“三下”壓煤相結(jié)合，節(jié)省提升矸石費(fèi)用，不占用土地，提高資源回收率。

為提高減沉效果，邢臺(tái)礦利用支架后部壓實(shí)系統(tǒng)，進(jìn)行矸石固體 (密實(shí))充填，并在固體材料內(nèi)添加一定輔料以增加強(qiáng)度，其減沉效果得到較大提升。同時(shí)也提高了充填系統(tǒng)的難度和初期投資。

(2)(似)膏體材料充填 雖然(似)膏體材料充填的成本比矸石固體密實(shí)充填高，但因減沉效果好而得到礦區(qū)的普遍認(rèn)同。山東省濟(jì)寧太平礦以河沙為主料進(jìn)行膏體充填，淄博岱莊礦以煤矸石為主料進(jìn)行膏體充填;其他還有新汶、棗莊、邢臺(tái)、峰峰、焦作、鐵法等10多個(gè)礦井采用此法進(jìn)行充填開(kāi)采。 (似)膏體材料充填由于采用泵送(個(gè)別礦區(qū)倍線較小的采用自流，如新汶孫村礦)，充填初期投資相對(duì)較大。

(3)(超)高水材料充填 (超)高水材料充填主要采用自流方式，充填系統(tǒng)相對(duì)簡(jiǎn)單。淄博礦業(yè)集團(tuán)王莊礦采用的高水材料，除具有良好的流動(dòng)性外，還有一定的膨脹性、較高的抗壓強(qiáng)度，以及主動(dòng)接頂?shù)膬?yōu)點(diǎn)，已得到多個(gè)礦區(qū)的認(rèn)可。除此之外，中國(guó)礦業(yè)大學(xué)馮光明教授的超高水材料充填也在多個(gè)煤礦進(jìn)行了應(yīng)用，如邯鄲礦業(yè)集團(tuán)陶一煤礦和臨沂集團(tuán)的田莊煤礦。應(yīng)用 (超)高水材料充填方法的還有淄博礦業(yè)集團(tuán)埠村煤礦、阜新礦業(yè)集團(tuán)艾友煤礦和彩屯煤礦，榆林市榆陽(yáng)礦應(yīng)用高水材料充填的籌備工作面已經(jīng)完成，即將進(jìn)行充填開(kāi)采，充填主料是風(fēng)積沙。

2.2 充填效果

衡量充填效果好壞的重要指標(biāo)是充填開(kāi)采后地表的下沉和變形情況。即使采用最好的充填方法，開(kāi)采后地表仍有一定量的下沉和變形，下沉包括充填前頂板的下沉量、充填未接頂量 (未充滿量)和充填體壓縮量3部分。根據(jù)實(shí)際觀測(cè)，矸石固體密實(shí)充填的下沉系數(shù)一般大于0.2，(似)膏體材料充填和高水材料充填的下沉系數(shù)一般為0.05～0.15，而超高水材料充填的減沉效果略差一些。

3 存在的問(wèn)題

充填開(kāi)采主要受3個(gè)條件的制約，即充填材料、充填效率和充填成本。其中充填材料是關(guān)鍵的制約因素。

(1)充填材料 我國(guó)矸石堆積量的分布和“三下”壓煤的分布呈相反情況:中、東部礦區(qū)“三下”壓煤量大，但矸石堆積量少，有些礦井地面已基本沒(méi)有矸石;有的礦井地面矸石看似存量很多，但也只夠充填使用。西部礦區(qū)“三下”壓煤量小，但矸石堆積量較大，年產(chǎn)矸石量也大。垮區(qū)、長(zhǎng)途運(yùn)輸矸石用于充填開(kāi)采，目前還不可行。所以，一些矸石量較少的礦井，所在地附近有大宗其他材料的，也可作為替代品，如濟(jì)寧太平煤礦利用泗河的泥沙，榆林榆陽(yáng)礦煤利用當(dāng)?shù)爻渑娴娘L(fēng)積沙。

(2)充填效率 矸石固體密實(shí)充填、(似)膏體材料充填和 (超)高水材料充填，都是在同一個(gè)控頂空間下前采后充的格局，存在著采煤等待充填完成，并且充填體具有支撐頂板的能力后才能進(jìn)行下一個(gè)開(kāi)采循環(huán)的現(xiàn)象。例如，(似)膏體材料充填一個(gè)循環(huán)的充填時(shí)間需要4～8h，充填體凝固時(shí)間需要4h以上，在加上設(shè)備、人員的互相干擾，生產(chǎn)效率低在所難免。目前，各礦井 (區(qū))充填開(kāi)采的能力理論上可達(dá)到 1Mt/a，實(shí)際一般在0.5Mt/a左右。

(3)充填成本 充填開(kāi)采必然要增加一定的成本，一般矸石固體密實(shí)充填增加的成本小于50元/t，(似)膏體充填、(超)高水充填增加的成本在100元/t左右，在當(dāng)前煤炭?jī)r(jià)格形勢(shì)下，大多數(shù)礦井能夠承受。但西部礦區(qū)的利潤(rùn)一般較低，充填增加的成本使利潤(rùn)空間變小甚至為負(fù)，這也是西部礦井 (區(qū))充填開(kāi)采積極性不高的一個(gè)原因。

(4)缺乏約束機(jī)制和激勵(lì)政策 國(guó)家目前還缺乏充填開(kāi)采“三下”壓煤的約束機(jī)制和激勵(lì)政策，礦井進(jìn)行充填開(kāi)采基本是迫不得已的行為;還有煤可采的礦井，則根本不考慮充填開(kāi)采，使資源白白閑置造成浪費(fèi)。國(guó)家現(xiàn)也正在制定相應(yīng)的約束制度和激勵(lì)政策，強(qiáng)制煤礦企業(yè)必須在條件許可的情況下進(jìn)行充填開(kāi)采，同時(shí)對(duì)充填開(kāi)采給予一定的獎(jiǎng)勵(lì)。

4 發(fā)展前景

綜上所述，充填開(kāi)采主要受充填材料來(lái)源、充填效率和充填成本的限制，對(duì)于充填開(kāi)采積極性不高的礦區(qū) (井)來(lái)說(shuō)這3個(gè)方面的原因都存在。目前條件下，選擇充填開(kāi)采“三下”壓煤的礦井，都是迫不得已被動(dòng)采用的。迄今為止，全國(guó)充填開(kāi)采的工作面約30個(gè)，充填開(kāi)采的年總產(chǎn)量超過(guò)10Mt。按照目前的發(fā)展趨勢(shì)，充填開(kāi)采可望得到較快地發(fā)展，在今后3～5a內(nèi)，充填開(kāi)采的工作面有可能增加到60個(gè)左右，年產(chǎn)量30Mt左右。較之13.7Gt的“三下”壓煤總量和4Gt的年總產(chǎn)量，充填開(kāi)采“三下”壓煤的比例仍很小。

5 結(jié)束語(yǔ)

目前，充填開(kāi)采“三下”壓煤技術(shù)上可行、經(jīng)濟(jì)上合理，全國(guó)應(yīng)用的礦井 (區(qū))越來(lái)越多，呈方興未艾之勢(shì);但因客觀條件的制約，充填開(kāi)采的總產(chǎn)量比重仍很小。一方面，被“三下”壓煤困擾的新老礦井應(yīng)積極采用充填開(kāi)采方法，作為煤礦企業(yè)緩解困難的途徑之一;另一方面，充填與減沉的關(guān)系、充填材料強(qiáng)度與推進(jìn)速度的關(guān)系等一系列問(wèn)題也有待進(jìn)一步地研究，充填材料的研究將是重點(diǎn)。

［1］天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部.大同煤礦集團(tuán)有限責(zé)任公司“三下”壓煤開(kāi)采可行性研究報(bào)告［R］.北京:天地科技股份有限公司開(kāi)采設(shè)計(jì)事業(yè)部，2004.

［2］郭永長(zhǎng)，于 斌，徐法奎.大同礦區(qū)“三下”煤柱充填開(kāi)采可行性分析［J］.煤礦開(kāi)采，2010，15(4):40－42.

［3］國(guó)家煤炭工業(yè)局.建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開(kāi)采規(guī)程［M］.北京:煤炭工業(yè)出版社，2000.

［責(zé)任編輯:李 青］

Current Status of Stowing Mining and Its Development Prospect in China

XU Fa-kui

(Coal Mining＆Designing Department，Tiandi Science＆Technology Co.，Ltd.，Beijing 100013，China)

At present，coal resource under railway，building and waterbody reaches 13.7Gt in China and waste rock piled on surface reaches 4.5Gt.Applying waste rock to stowing mining can improve resource recovery ratio and save occupation land of waste rock and perfect surface environment.Current technology，economic and society condition create favorable environment for stowing mining and make it developed fast in China.This paper concluded stowing mining method and its application status and look far ahead its develop prospect.

stowing mining;current status;development prospect;coal under railway，building and waterbody

TD823.7

A

1006-6225(2012)04-0006-02

2012－05－22

徐法奎 (1962－)，男，山東嘉祥人，高級(jí)工程師，主要從事“三下”壓煤開(kāi)采工作。