煤矿充填采煤方法的应用与分析

盖建平,孙福强

(1.中国矿业大学 (北京),北京 100083;2.冀中能源集团有限责任公司,河北邢台 054021)

综 述

煤矿充填采煤方法的应用与分析

盖建平1,2,孙福强2

(1.中国矿业大学 (北京),北京 100083;2.冀中能源集团有限责任公司,河北邢台 054021)

为充分解放“三下”压煤,冀中能源集团成功应用了多种充填采煤方法,取得了良好的经济效益和社会效益。介绍了固体充填、膏体充填、似膏体充填和高水材料充填采煤方法的应用,从施工工艺、系统组成、充填材料、充填效果等方面进行了对比分析,总结了 4种充填采煤方法的特点和适用条件,为进一步推广充填采煤技术提供了宝贵经验。

充填采煤;固体充填;膏体充填;似膏体充填;高水充填

随着煤炭企业的迅猛发展,资源储量不足和环境污染的问题越来越突出,大量的“三下”压煤不能开采,煤矸石堆积如山,既占用了大量土地,又对环境造成严重的污染。冀中能源集团作为全国大型煤炭企业,也面临着同样的问题,一方面部分矿井资源濒临枯竭,另一方面在河北矿区建筑物下压煤高达 600Mt以上,严重影响着企业的可持续发展。为此,冀中能源将充填采煤作为重大科技攻关课题,集中大批专业技术人员,积极与科研院校合作,成功应用了综合机械化固体充填采煤技术、矸石膏体充填技术、煤矸石似膏体自流充填技术和高水材料充填技术等多种充填采煤的方法,获得了巨大的经济效益和社会效益。

1 充填采煤工艺简介

1.1 固体充填采煤

固体充填采煤是利用洗煤厂的矸石和电厂的粉煤灰通过投料管直接投入到井下,用胶带机运到工作面机尾,通过充填输送机运送到工作面采空区,充填采后空间[1]。为提高对顶板的支撑强度,支架后部安装有夯实机构,使松散的充填材料形成一个整体,控制采后顶板的下沉。

1.2 矸石膏体充填采煤

矸石膏体充填采煤是先把大块矸石破碎加工,然后把矸石、粉煤灰、专用胶结料[2]和水等 4种物料按比例混合搅拌,制成膏体浆液,再通过充填泵把膏体浆液输送到井下充填工作面,充填由液压充填支架和辅助隔离措施形成的封闭采空区空间。

1.3 煤矸石似膏体自流充填采煤

似膏体充填是将煤矸石破碎后,筛选出粒度合格的矸石运送到地面制备站,在地面充填制备站将水泥、粉煤灰、煤矸石加水制成质量浓度为 72%～75%的胶结充填料浆,通过充填钻孔和井下充填管道输送至井下待充填的采场。

1.4 高水材料充填采煤

高水材料充填是将A料、B料制成浆体,通过各自的泵送系统输送到工作面副巷,以一定比例进行混合后,流入工作面采空区进行充填。

2 充填系统组成

各充填采煤方法由于使用材料、充填工艺不同,系统组成也是不同的,一般都是由制备系统、输送系统和工作面充填系统组成。

固体充填系统主要由矸石仓、粉煤灰仓、钻孔、井下储料仓、输送系统、充填输送机,充填支架等组成。采用 ZZC4800/16/32型充填液压支架,具有捣实机构;后输送机悬吊在支架后尾梁下,采用 SGB630/150C型中槽开天窗式充填输送机。

膏体充填系统主要由矸石破碎系统、配比搅拌系统、管道泵送系统、检测监控系统、钻孔、充填支架等组成。其中支架采用 ZC3800/15.5/28.5型专门的充填支架;充填泵采用德国普茨迈斯特公司生产的 KOS25100HP型充填泵。

似膏体充填系统是由煤矸石破碎系统、充填料的运输与储存系统、配比搅拌系统、检测监控系统、钻孔及井下管路等组成。

高水材料充填系统主要由上料搅拌系统、泵压管路输送系统[4]和混合系统组成。制浆系统选用国内首套NJ72-4D1200型浆体充填生产线;充填泵选用 TBW-1200/7B型充填泵。

由不同充填系统的组成可以看出,高水材料充填不需要在地面建筑专门的制备站,不需专门打钻孔,其他 3种方式均需在地面建筑充填制备站,用于充填料的加工,但需要有两套制浆系统;固体充填不需要专门泵送系统,支架和后运输机是专门制作设备;膏体充填与似膏体充填从系统上相近,只是似膏体自流充填不需要充填泵。

3 充填材料

充填材料及配比的选择对充填开采来说是至关重要的,充填材料的就近取材可以大大降低成本,减少矿井固体废弃物的排放,改善矿区生态环境,实现绿色开采;合理的配比可以有效地保证充填体的强度,满足采矿工艺要求,同时也便于加工、输送,简化施工工艺。

固体充填主要由矸石、粉煤灰、水 3部分组成,充填材料的含水率为 13%,充填体的强度可以达到24MPa。

矸石膏体充填材料由胶结料、粉煤灰、煤矸石和水组成,质量浓度控制在 80%以上。通过对固化剂的不断改进,目前已经做到可泵时间 2.5h,初凝时间 4h,很好地满足了工作面采充循环作业的需要。

似膏体充填材料[3]主要由煤矸石、粉煤灰、普通硅酸盐水泥和复合减水剂组成,质量浓度为72%～75%。经过充填料坍落度、坍落扩散度、稠度试验表明,似膏体胶结充填除了具有膏体充填固有的高悬浮性、低脱水率、低管道磨损等优点外,还具有良好的流动性,满足管道自流输送要求。

高水充填材料由 A,B两种物料组成[5-6]。A料主要以铝土矿石膏等独立炼制并复合超缓凝分散剂构成;B料由石膏、石灰与复合速凝剂构成,水占体积比的 95%～97%,强度可根据需要进行调整,以满足井下充填要求。

从充填材料上来分析,固体充填材料简单,不使用水泥,所以施工工艺简单,成本较低;膏体充填与似膏体充填材料相差不多,只是膏体充填使用了水淬炉渣作胶结料,而似膏体充填直接使用水泥,膏体充填料浆的质量浓度比似膏体充填料浆的浓度更高,所以必须使用大功率充填泵输送,而似膏体充填技术实现了自流充填,不必使用专门充填泵,设备更少;高水充填易于输送,井下充填工艺简单,但需要专门购进充填料,价格较高,配比要求严格,混合工艺复杂,充填体在干燥条件下易失水粉化。

4 地表变形分析

充填采煤的目的是控制地表变形在允许范围内,成功采出煤炭资源,既要保持较高的采出率和生产规模,又要最大限度地减少覆岩和地表沉陷变形,使建筑物得以完好地保存和使用。一般都要求建筑物损坏程度控制在 I级范围以内,使得地表几乎不变形或者变形十分微小,对当地住户的房屋和工矿企业产生轻微影响、甚至不影响,以获得最大的经济效益和社会效益。

建筑物受开采影响的损害程度取决于地表变形值的大小和建筑物本身的抵抗采动变形的能力。从观测结果来看,4种充填方式均达到了《建筑物、水体、铁路及其主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》对砖混结构房屋 I级损坏变形值的要求:水平变形≤2.0mm/m,倾斜变形≤3.0mm/m,曲率值≤0.3×10-3/m,房屋损坏总体控制在 I级损坏范围内,充填效果良好。

5 投资资金概算

从初期投资情况来看,固体充填、膏体充填和似膏体充填 3种方式,由于均需要建造地面充填制备站、打钻孔,初期投资都在两千万元以上;尤其是膏体充填基建工程复杂,设备较多,初期投资较大。高水充填因没有地面充填站,不用打钻孔,初期投资最少。

6 充填成本比较

实行充填开采的目的是为了提高资源采出率,为企业创造更大的经济效益。从应用情况来看,充填采煤给各矿带来了丰厚的利润,由于煤炭价格、采煤成本、充填成本的不同使取得的效益不同。

由于受煤炭价格的限制,充填采煤最近几年才得以推广应用,所以充填成本是决定充填采煤方法应用的关键因素。充填成本包括充填材料费用、充填系统固定资产折旧费用、人工费、电费和其他费用,从冀中能源各矿井的应用情况来看,固体充填的成本最低,只有 55元/t;膏体充填的成本最高,为 105元/t;高水材料充填由于充填材料均为外购,后期成本较高,为 67元/t;似膏体充填的成本为 73元/t。

7 各种充填方法的特点

各种充填采煤方法都有其鲜明的特点,矿井要根据自身实际情况选择应用,以追求更大的经济效益和社会效益。

固体充填的特点 充填材料取自本矿的煤矸石和粉煤灰,不使用水泥等胶结料,价格便宜,配料简单,成本较低;充填体强度较高;充填率较高,可达 95%以上;需专门制作充填支架和后输送机;机械化作业,劳动强度低,操作简单。

膏体充填的特点 质量浓度高,可达 80%以上;料浆基本上不沉淀、不沁水、不离析,降低凝结前的隔离要求,无需复杂的过滤排水设施,节省了排水费用,降低了矿井水的污染;充填体强度较高;易于接顶,有利于作业安全;充填体压缩率低;充填系统复杂,初期投资较高;充填成本较高;设备较多,需要大功率充填泵输送浆体;容易堵管;施工工序复杂。

似膏体自流充填特点 浆体流动性好,无需专门泵送,实现了自流充填;料浆充填后脱水量小;充填体强度高且消耗水泥量少;施工工艺简单;充填成本较低;质量浓度低于膏体,脱水量比膏体大。

高水材料充填的特点 充填系统相对简单,无需井上充填站和钻孔,初期投资较低;充填料浆以水为主,输送方便;充填与回采互不影响,充填速度快;充填工艺简单,劳动强度低;充填体在干燥环境下易失水粉化;高水材料配比要求严格;充填材料成本较高,不能消化矿井的煤矸石和粉煤灰。

固体充填、膏体充填和似膏体充填都使用大量的煤矸石、粉煤灰作为骨料,适于产生大量煤矸石和粉煤灰的矿井;膏体充填使用了水淬炉渣作为胶结料,适于附近有钢厂的矿井;高水充填适于没有矸石粉煤灰、水源充足、地面占地困难的矿井,要求煤层倾角在 15°以上,尤其适于大体积隐蔽空间的充填。

8 充填采煤的社会效益

充填采煤技术的成功应用,引发了煤炭开采工艺新的变革,有着深远的社会意义。采用充填开采,通过完全接顶将采空区充实,能有效解决原来的顶板垮落、采空区回风、超前压力、底板突水等问题,作业环境的安全程度得到极大提高;充填以后形成的以充填体为主的覆岩支控体系,能够有效控制地表开采沉陷在建筑物允许值范围内,提高煤炭资源采出率,实现不搬迁采煤,充分解放村庄建筑物下、铁路下、水体上下煤炭资源,延长矿井服务年限;充填开采消耗了大量的煤矸石、粉煤灰等工业废弃物,减少了占地和对环境的污染,促进了煤炭工业的循环发展。

总之,充填开采为煤矿企业创造了巨大的经济效益和社会效益,将进一步引领煤炭开采工艺的变革,推进煤矿科技进步,实现煤矿企业的健康、可持续发展,开创绿色开采、生态开采的新局面。

[1]缪协兴,张吉雄,郭广礼 .综合机械化固体充填采煤方法与技术研究 [J].煤炭学报,2010(1).

[2]周华强,侯朝炯,孙希奎,等 .固体废弃物膏体充填不迁村采煤 [J].中国矿业大学学报,2004(2).

[3]黄玉诚,孙恒虎,时召兵,等 .似膏体充填建筑物下采煤可行性探讨 [J].煤炭科学技术,2003(10).

[4]华心祝 .高水速凝材料泵送充填技术在我国煤矿的应用[J].矿业安全与环保,1996(3).

[5]李乃梁,冯光明,李宗国 .复合固结体巷式充填全采技术应用研究 [J].煤矿开采,2010,15(1):50-53.

[6]孙恒虎 .高水速凝材料及其应用 [M].徐州:中国矿业大学出版社,1994.

[责任编辑:邹正立]

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

盖建平 (1967-),男,河北平山人,工商管理硕士,高级工程师,在读博士生,冀中能源集团有限公司生产部部长。