浅谈矸石充填绿色开采技术

浅谈矸石充填绿色开采技术摘要：介绍了煤炭资源开采带来的生态环境问题，分析了矸石充填开采技术合理性与特点，并对矸石充填技术进行了系统阐述。最后从采充均衡理论出发，确定了采空区充填应采用部分充填法。关键词：矸石充填，绿色开采，采充均衡1引言煤炭资源开采导致了严重的塌陷破坏和生态环境问题，矿山开采沉陷和煤矸石的露天排放是造成破坏和影响矿区环境的主要问题根源。矿山开采沉陷破坏了人们赖以生存的矿区生态环境，对地农及其建筑物造成了严重损害。煤矸石的大量露天排放不仅占用大量土地、污染上壤，而且矸石的自燃会释放大量的SO2，H2S和CO等有毒有害气体，威胁人们的生产、生活安全。利用矸石充填的绿色开采技术既可以解决煤矿生产矸石的井下处置问题，避免矸石提升上井带来的矿井运输紧张、地而环境污染和占地问题，又可以实现对地面的有效控制，保护地面建筑物安全，使矿井开采与生态环境相协调。2矸石充填的背景2.1煤矿生产对环境的破坏形式矿区在开发建设之前与周围环境是协调一致的，而一旦开发建设，强烈的人为活动便使环境发生巨大的变化，由此形成了独特的矿区生态环境问题，主要表现在以下几个方面：1)对土地资源的破坏和占用。煤炭开采对土地资源的破坏损害，井工开采以地表塌陷和矸石山压占为主，而露天开采则以直接挖损和外排土场压占为主。2)对水资源的破坏和污染.煤炭开采过程中，进行的人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干，破坏了地下水资源。同时开采还可能污染地下水资源。3)对大气环境的污染.主要来自矿井排出的煤层瓦斯和煤矿矸石山的自燃所形成的废气。2.2矸石充填的合理性我国矸石排量占原煤产量的15%—20%。按年产25亿t煤计算，矸石排量在4亿一5亿t。减少排矸和进行矸石利用是绿色开采技术的一大任务。我们通过优化巷道布置，多开煤巷少掘岩巷，开发煤巷护巷技术，减少矸石量。另外，随着矸石充填液压支架、高速动力抛矸机等关键设备的矸制成功，以及矸石充填开采在邢东矿区和新汶矿区的工业性试验取得的初步成功，使得矸石充填开采的成功实施成为可能。这种新的开采方法不但可以在保证一定采出率基础上有效的控制岩层和地农移动、保护地表建筑物，而且还能实现矸石不升井、直接充填采空区，达到促进资源开采和环境保护协调发展的目的。2.3矸石充填的特点井下矸石直接用于采空区充填，从经济角度考虑，会增加矸石在井下运输的费用，增加工作面充填作业所需的设备和人工费用；但可以省去运出井口和运至矸石山和矸石山环保处理的费用，减少复垦费用，免去矸石山的排矸作业的费用。如果将矸石山的土地购置费用和长时期的各种污染的治理和赔偿费用计算在一起，则在多数情况下，井下充填所增加的费用将远小于后者。从理论上来说，充填开采是解决煤矿开采环境问题的理想途径，尤其在经济发达地区解决建筑物下压煤开采更应受到重视。矸石充填技术具有以下特点：减少了复杂的提矸、运矸环节和人员，相应地减少了运矸设备和工作量；在矿井全部实现矸石充填时，地面矸石山占地及其所造成的环境污染等问题，可以得到彻底解决；由于大量矸石的采空区充填，提高了回采煤工作面顶板的安全程度，而目有效地防止了由于采空区冒落所造成的地表塌陷;回采后顶板的有效控制，给无煤柱开采制造了有利条件；因为没有像其他充填方法那样的复杂环节和工艺过程，又减少了向地面运矸翻矸和没有地面堆积占林、占地，可达到保护地面建筑物的日的。由于采用了采空区充填，避免了采空区积水的安全隐患。采空区充填还可防止采空区遗煤自燃和采空区瓦斯涌出和积聚。矸石充填开采技术，取得了以矸换煤、矸石不升井、不占用耕地的洁净开采效果，不但解决了“三下”压煤问题，而且延长了矿井寿命，是一种具有广阔应用前景的绿色开采技术应大力研究和推广。3井下矸石充填技术3.1矸石充填技术的分类按矸石充填的位置不同分巷道充填或工作面充填。巷道充填系统简单，占用设备少，但缺点是矸石充填量少，不能从根本上解决矸石污染问题。工作面充填，工作面充填系统复杂，除煤炭运输系统外，还要有排矸充填系统，设备占用多，但优点是矸石处理量大，目还能多出煤。按充填量和充填范围不同分全部充填或局部充填:全部充填即在煤层采出后顶板未冒落前，对所有采空区域进行充填，充填量和充填范围与采出煤量大体一致，靠采空区充填体支撑上覆岩层控制开采沉陷。局部充填是相对全部充填而言的，其充填量和充填范围仅是采出煤量的一部分，它仅对采空区的局部或离层区或冒落区进行充填，靠覆岩关键层形成对上覆岩层的支撑结构、充填体及部分煤柱共同支撑覆岩控制开采沉陷。3.2矸石充填的输送方式矸石充填方法其位置只能是采空区，而局部充填的位置可以是采空区、离层区或冒落区。当采空区倾角较大时或在倾角较大的下山，可采用自溜来完成充填，其做法是:用单轨吊车、齿轨车或卡轨车等辅助运输工具把矸石由掘进工作面直接运输、倾卸到采空区；当采空区倾角较小或在倾角较小的下山和平巷进行矸石充填时，要用一些设备进行处理，如扒装机、胶带输送机、刮板输送机等。选用扒装机时利用扒装机台铲和扒斗，将台铲固定在卸矸点外，回头轮固定在废弃巷道充填面上端，用扒斗将矸石扒向充填面。选用胶带输送机时用改造后的皮带机，将矸石送往充填面，输送机固定在卸矸点外，胶带机机尾可采用悬壁梁架，目可调坡度，将矸石送高或送低，机身也可加长或缩短，以保证卸矸的适应性。选用刮板输送机时同胶带输送机。在上述3种方式中，以胶带输送方式为最好。3.3矸石充填采空区条带充填技术矸石充填采空区条带充填技术，就是在煤层采出后顶板冒落前，采用矸石材料对采空区的一部分空间进行充填，构筑相间的充填条带，靠充填条带来支撑覆岩，控制地表沉陷，如图1所示。图1采空区条带充填示意图采空区条带充填技术有两种模式:其一是长壁条带充填开采模式，沿推进方向在采空区相间构筑充填条带：其一是短壁间隔条带充填开采模式(见图2)，工作面布置成短壁条带开采，隔l个工作面充填l个工作面。图2短壁间隔条带充填开采模式对于条带开采冒落区注浆充填技术则主要用来实现建筑物下压煤开采，其主要缺点是煤炭采出率偏低，一般仅为30%～50%。条带冒落区失去承载能力并将其上部岩层的载荷转移到两侧留设的煤岩柱上。条带开采冒落区注浆充填就是在建筑物压煤条带开采情况下，通过地面或井下钻孔向采出条带己冒落采空区的破碎矸石进行注浆充填，充填破碎矸石空隙，加固破碎岩石，使得采出条带冒落区重新起到承载作用，从而减缓覆岩移动往地表的传播；同时利用充填材料与冒落区内矸石形成的共同承载体来缩短留设条带的宽度，以达到提高资源回采率的目的。4从采矿均衡角度分析充填模式的选择采空区全部充填开采中，采矿和充填相互制约，不继续采矿就无处充填，不充填也就不能采矿，使得由采矿和充填这两个作业环节组成的回采作业大循环共同决定矿井的开采。因此，只有实现采矿和充填的均衡，充填技术才有生命力，才会在矿山有效应用。采充均衡问题体现在三个方面，其一，充填生产能力与采矿生产能力如何匹配才能保持与其他开采方法同样的产量；其二是充填材料供需均衡问题，如何寻找合适丰富充填材料满足回填空间的要求；其三是充填成本与采矿效益均衡问题，充填开采中因充填而增加的经济效益能否抵消充填成本。4.1充填能力无法匹配机械化的采煤生产能力煤炭开早就实现综合机械化，即落煤、装煤、运煤、支护和放顶五道工序，全部采用机械化作业，出现了工作面年单产百万吨甚至千万吨以上的地下特大型矿山，因此，煤矿的充填技术必须适应高产高效的发展。但是随采随充的充填能力一般小于40m3/h，而一个年产100万t的采煤面的生产能力超过100m3/h，因此采用采空区全部充填技术无法与高产高效采煤技术相匹配。4.2煤矿缺乏充填材料煤矿自身工业废弃物比例小，煤矿的矸石一般为煤炭开采量的15%～20%，采空区全部充填难以解决优质充填材料来源困难的问题。因此，采空区全部充填技术只局限于在能够在解决充填材料的矿区使用。4.3充填成本大于开采塌陷赔偿成本对采煤塌陷赔偿费用进行统计分析得出:采空区全部充填增加的吨煤开采成本大于开采塌陷土地破坏和村庄搬迁赔偿增加的吨煤开采成本，煤矿采用采空区全部充填开采，不能解决充填成本与采矿效益矛盾问题。由上述论证可知，煤矿如采用传统的采空区全部充填法，无法解决采充均衡问题。因此煤矿不宜选择随采随充的采空区全部充填采煤法。为此，建议选择部分充填开采模式。上面介绍的矸石充填采空区条带充填技术就是部分充填的其中一种技术。5结论1）煤炭作为主体和可靠能源，绿色开采是其可持续发展的主要内容之一，突出特点是考虑对环境的保护，形成开采与环境协调发展。2）利用矸石充填开采，在有效的控制地表沉陷、保护地面建筑物的同时，该技术还处理了煤炭生产过程中的煤矸石，实现了地而矸石的零排放。3）矸石充填开采技术，取得了以矸换煤、矸石不升井、不占用耕地的洁净开采效果，不但解决了“三下”压煤问题，而且延长了矿井寿命，是一种具有广阔应用前景的绿色开采技术应大力研究和推广。4）从采充均衡角度分析得到，采空区全部充填开采无法解决采充均衡问题，建议才用部分充填方法。参考文献[1]缪协兴,钱鸣高.中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望.采矿与安全工程学报,2009,3.[2]谢中强.浅析煤炭绿色开采技术.中州煤炭,2009.[3]李兴尚,许家林,朱卫兵等.从采充均衡论煤矿部分充填开采模式的选择.辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2008,4.[4]柳西学.矸石井下充填绿色开采沉陷控制研究.矿业天地,2008.[5]钱鸣高,许家林.煤炭工业发展面临几个问题的讨论.采矿与安全工程学报,2006,6.[6]徐开宇,田取珍.减少矸石排放量的洁净开采技术与方法.山西煤炭,2009,3.[7]曲金田.新型高产高效矿井模式的研究.辽宁工程技术大学,2002.[8]许家林,朱卫兵,李兴尚等.控制煤矿开采沉陷的部分充填开采技术研究.采矿与安全工程学报,2006,3.