煤礦充填采煤方法的應用與分析

蓋建平,孫福強

(1.中國礦業大學 (北京),北京 100083;2.冀中能源集團有限責任公司,河北邢臺 054021)

綜 述

煤礦充填采煤方法的應用與分析

蓋建平1,2,孫福強2

(1.中國礦業大學 (北京),北京 100083;2.冀中能源集團有限責任公司,河北邢臺 054021)

為充分解放“三下”壓煤,冀中能源集團成功應用了多種充填采煤方法,取得了良好的經濟效益和社會效益。介紹了固體充填、膏體充填、似膏體充填和高水材料充填采煤方法的應用,從施工工藝、系統組成、充填材料、充填效果等方面進行了對比分析,總結了 4種充填采煤方法的特點和適用條件,為進一步推廣充填采煤技術提供了寶貴經驗。

充填采煤;固體充填;膏體充填;似膏體充填;高水充填

隨著煤炭企業的迅猛發展,資源儲量不足和環境污染的問題越來越突出,大量的“三下”壓煤不能開采,煤矸石堆積如山,既占用了大量土地,又對環境造成嚴重的污染。冀中能源集團作為全國大型煤炭企業,也面臨著同樣的問題,一方面部分礦井資源瀕臨枯竭,另一方面在河北礦區建筑物下壓煤高達 600Mt以上,嚴重影響著企業的可持續發展。為此,冀中能源將充填采煤作為重大科技攻關課題,集中大批專業技術人員,積極與科研院校合作,成功應用了綜合機械化固體充填采煤技術、矸石膏體充填技術、煤矸石似膏體自流充填技術和高水材料充填技術等多種充填采煤的方法,獲得了巨大的經濟效益和社會效益。

1 充填采煤工藝簡介

1.1 固體充填采煤

固體充填采煤是利用洗煤廠的矸石和電廠的粉煤灰通過投料管直接投入到井下,用膠帶機運到工作面機尾,通過充填輸送機運送到工作面采空區,充填采后空間[1]。為提高對頂板的支撐強度,支架后部安裝有夯實機構,使松散的充填材料形成一個整體,控制采后頂板的下沉。

1.2 矸石膏體充填采煤

矸石膏體充填采煤是先把大塊矸石破碎加工,然后把矸石、粉煤灰、專用膠結料[2]和水等 4種物料按比例混合攪拌,制成膏體漿液,再通過充填泵把膏體漿液輸送到井下充填工作面,充填由液壓充填支架和輔助隔離措施形成的封閉采空區空間。

1.3 煤矸石似膏體自流充填采煤

似膏體充填是將煤矸石破碎后,篩選出粒度合格的矸石運送到地面制備站,在地面充填制備站將水泥、粉煤灰、煤矸石加水制成質量濃度為 72%～75%的膠結充填料漿,通過充填鉆孔和井下充填管道輸送至井下待充填的采場。

1.4 高水材料充填采煤

高水材料充填是將A料、B料制成漿體,通過各自的泵送系統輸送到工作面副巷,以一定比例進行混合后,流入工作面采空區進行充填。

2 充填系統組成

各充填采煤方法由于使用材料、充填工藝不同,系統組成也是不同的,一般都是由制備系統、輸送系統和工作面充填系統組成。

固體充填系統主要由矸石倉、粉煤灰倉、鉆孔、井下儲料倉、輸送系統、充填輸送機,充填支架等組成。采用 ZZC4800/16/32型充填液壓支架,具有搗實機構;后輸送機懸吊在支架后尾梁下,采用 SGB630/150C型中槽開天窗式充填輸送機。

膏體充填系統主要由矸石破碎系統、配比攪拌系統、管道泵送系統、檢測監控系統、鉆孔、充填支架等組成。其中支架采用 ZC3800/15.5/28.5型專門的充填支架;充填泵采用德國普茨邁斯特公司生產的 KOS25100HP型充填泵。

似膏體充填系統是由煤矸石破碎系統、充填料的運輸與儲存系統、配比攪拌系統、檢測監控系統、鉆孔及井下管路等組成。

高水材料充填系統主要由上料攪拌系統、泵壓管路輸送系統[4]和混合系統組成。制漿系統選用國內首套NJ72-4D1200型漿體充填生產線;充填泵選用 TBW-1200/7B型充填泵。

由不同充填系統的組成可以看出,高水材料充填不需要在地面建筑專門的制備站,不需專門打鉆孔,其他 3種方式均需在地面建筑充填制備站,用于充填料的加工,但需要有兩套制漿系統;固體充填不需要專門泵送系統,支架和后運輸機是專門制作設備;膏體充填與似膏體充填從系統上相近,只是似膏體自流充填不需要充填泵。

3 充填材料

充填材料及配比的選擇對充填開采來說是至關重要的,充填材料的就近取材可以大大降低成本,減少礦井固體廢棄物的排放,改善礦區生態環境,實現綠色開采;合理的配比可以有效地保證充填體的強度,滿足采礦工藝要求,同時也便于加工、輸送,簡化施工工藝。

固體充填主要由矸石、粉煤灰、水 3部分組成,充填材料的含水率為 13%,充填體的強度可以達到24MPa。

矸石膏體充填材料由膠結料、粉煤灰、煤矸石和水組成,質量濃度控制在 80%以上。通過對固化劑的不斷改進,目前已經做到可泵時間 2.5h,初凝時間 4h,很好地滿足了工作面采充循環作業的需要。

似膏體充填材料[3]主要由煤矸石、粉煤灰、普通硅酸鹽水泥和復合減水劑組成,質量濃度為72%～75%。經過充填料坍落度、坍落擴散度、稠度試驗表明,似膏體膠結充填除了具有膏體充填固有的高懸浮性、低脫水率、低管道磨損等優點外,還具有良好的流動性,滿足管道自流輸送要求。

高水充填材料由 A,B兩種物料組成[5-6]。A料主要以鋁土礦石膏等獨立煉制并復合超緩凝分散劑構成;B料由石膏、石灰與復合速凝劑構成,水占體積比的 95%～97%,強度可根據需要進行調整,以滿足井下充填要求。

從充填材料上來分析,固體充填材料簡單,不使用水泥,所以施工工藝簡單,成本較低;膏體充填與似膏體充填材料相差不多,只是膏體充填使用了水淬爐渣作膠結料,而似膏體充填直接使用水泥,膏體充填料漿的質量濃度比似膏體充填料漿的濃度更高,所以必須使用大功率充填泵輸送,而似膏體充填技術實現了自流充填,不必使用專門充填泵,設備更少;高水充填易于輸送,井下充填工藝簡單,但需要專門購進充填料,價格較高,配比要求嚴格,混合工藝復雜,充填體在干燥條件下易失水粉化。

4 地表變形分析

充填采煤的目的是控制地表變形在允許范圍內,成功采出煤炭資源,既要保持較高的采出率和生產規模,又要最大限度地減少覆巖和地表沉陷變形,使建筑物得以完好地保存和使用。一般都要求建筑物損壞程度控制在 I級范圍以內,使得地表幾乎不變形或者變形十分微小,對當地住戶的房屋和工礦企業產生輕微影響、甚至不影響,以獲得最大的經濟效益和社會效益。

建筑物受開采影響的損害程度取決于地表變形值的大小和建筑物本身的抵抗采動變形的能力。從觀測結果來看,4種充填方式均達到了《建筑物、水體、鐵路及其主要井巷煤柱留設與壓煤開采規程》對磚混結構房屋 I級損壞變形值的要求:水平變形≤2.0mm/m,傾斜變形≤3.0mm/m,曲率值≤0.3×10-3/m,房屋損壞總體控制在 I級損壞范圍內,充填效果良好。

5 投資資金概算

從初期投資情況來看,固體充填、膏體充填和似膏體充填 3種方式,由于均需要建造地面充填制備站、打鉆孔,初期投資都在兩千萬元以上;尤其是膏體充填基建工程復雜,設備較多,初期投資較大。高水充填因沒有地面充填站,不用打鉆孔,初期投資最少。

6 充填成本比較

實行充填開采的目的是為了提高資源采出率,為企業創造更大的經濟效益。從應用情況來看,充填采煤給各礦帶來了豐厚的利潤,由于煤炭價格、采煤成本、充填成本的不同使取得的效益不同。

由于受煤炭價格的限制,充填采煤最近幾年才得以推廣應用,所以充填成本是決定充填采煤方法應用的關鍵因素。充填成本包括充填材料費用、充填系統固定資產折舊費用、人工費、電費和其他費用,從冀中能源各礦井的應用情況來看,固體充填的成本最低,只有 55元/t;膏體充填的成本最高,為 105元/t;高水材料充填由于充填材料均為外購,后期成本較高,為 67元/t;似膏體充填的成本為 73元/t。

7 各種充填方法的特點

各種充填采煤方法都有其鮮明的特點,礦井要根據自身實際情況選擇應用,以追求更大的經濟效益和社會效益。

固體充填的特點 充填材料取自本礦的煤矸石和粉煤灰,不使用水泥等膠結料,價格便宜,配料簡單,成本較低;充填體強度較高;充填率較高,可達 95%以上;需專門制作充填支架和后輸送機;機械化作業,勞動強度低,操作簡單。

膏體充填的特點 質量濃度高,可達 80%以上;料漿基本上不沉淀、不沁水、不離析,降低凝結前的隔離要求,無需復雜的過濾排水設施,節省了排水費用,降低了礦井水的污染;充填體強度較高;易于接頂,有利于作業安全;充填體壓縮率低;充填系統復雜,初期投資較高;充填成本較高;設備較多,需要大功率充填泵輸送漿體;容易堵管;施工工序復雜。

似膏體自流充填特點 漿體流動性好,無需專門泵送,實現了自流充填;料漿充填后脫水量小;充填體強度高且消耗水泥量少;施工工藝簡單;充填成本較低;質量濃度低于膏體,脫水量比膏體大。

高水材料充填的特點 充填系統相對簡單,無需井上充填站和鉆孔,初期投資較低;充填料漿以水為主,輸送方便;充填與回采互不影響,充填速度快;充填工藝簡單,勞動強度低;充填體在干燥環境下易失水粉化;高水材料配比要求嚴格;充填材料成本較高,不能消化礦井的煤矸石和粉煤灰。

固體充填、膏體充填和似膏體充填都使用大量的煤矸石、粉煤灰作為骨料,適于產生大量煤矸石和粉煤灰的礦井;膏體充填使用了水淬爐渣作為膠結料,適于附近有鋼廠的礦井;高水充填適于沒有矸石粉煤灰、水源充足、地面占地困難的礦井,要求煤層傾角在 15°以上,尤其適于大體積隱蔽空間的充填。

8 充填采煤的社會效益

充填采煤技術的成功應用,引發了煤炭開采工藝新的變革,有著深遠的社會意義。采用充填開采,通過完全接頂將采空區充實,能有效解決原來的頂板垮落、采空區回風、超前壓力、底板突水等問題,作業環境的安全程度得到極大提高;充填以后形成的以充填體為主的覆巖支控體系,能夠有效控制地表開采沉陷在建筑物允許值范圍內,提高煤炭資源采出率,實現不搬遷采煤,充分解放村莊建筑物下、鐵路下、水體上下煤炭資源,延長礦井服務年限;充填開采消耗了大量的煤矸石、粉煤灰等工業廢棄物,減少了占地和對環境的污染,促進了煤炭工業的循環發展。

總之,充填開采為煤礦企業創造了巨大的經濟效益和社會效益,將進一步引領煤炭開采工藝的變革,推進煤礦科技進步,實現煤礦企業的健康、可持續發展,開創綠色開采、生態開采的新局面。

[1]繆協興,張吉雄,郭廣禮 .綜合機械化固體充填采煤方法與技術研究 [J].煤炭學報,2010(1).

[2]周華強,侯朝炯,孫?？?等 .固體廢棄物膏體充填不遷村采煤 [J].中國礦業大學學報,2004(2).

[3]黃玉誠,孫恒虎,時召兵,等 .似膏體充填建筑物下采煤可行性探討 [J].煤炭科學技術,2003(10).

[4]華心祝 .高水速凝材料泵送充填技術在我國煤礦的應用[J].礦業安全與環保,1996(3).

[5]李乃梁,馮光明,李宗國 .復合固結體巷式充填全采技術應用研究 [J].煤礦開采,2010,15(1):50-53.

[6]孫恒虎 .高水速凝材料及其應用 [M].徐州:中國礦業大學出版社,1994.

[責任編輯:鄒正立]

Application and Analysis of CoalM in ingM ethod with Stowing

GA IJian-ping1,2,SUN Fu-qiang2

(1.China University ofMining&Technology(Beijing)Beijing 100083,China;2.Jizhong Energy Group Co.,Ltd,Xingtai 054021,China)

Jizhong Energy Group has applied successfully several stowing mining methods to liberating coal resource under railway, buildings and water body.Excellent economic and social profit has been made.This paper introduced application of several stowing methods including solid stowing,paste stowing,paste-like stowing and high-water stowing and compared these methods from construction technique,system component,stowing material and stowing effect.Based on this,it concluded the characteristic and adaptable condition of 4 methods,which provided reference for further popularization of stowingmining technology.

coalmining by stowing;solid stowing;paste stowing;paste-like stowing;high-water stowing

TD823.6

A

1006-6225(2010)06-0001-03

2010-07-09

蓋建平 (1967-),男,河北平山人,工商管理碩士,高級工程師,在讀博士生,冀中能源集團有限公司生產部部長。