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山 西 省 煤 炭

優(yōu) 秀 學 術 論 文 評 審 表

 

論文題目 大同礦區(qū)“三下”煤柱充填開采可行性分析

 

申報學科組             學科組代碼       

 

作者姓名  郭永長   職稱 高級工程師 年齡  42歲 

 

工作單位 同煤集團同生煤礦生產(chǎn)管理公司生產(chǎn)技術部

職務 科長

 

通訊地址 大同市礦區(qū)新平旺同煤大廈1012房間 

郵編 037003

 

聯(lián)系電話  03527018247（辦）  13509728207 

 

推薦單位  大同煤礦集團公司科協(xié)              

 

                 2011年12月20日

 

表一   論文摘要（由作者本人填寫） 大同煤礦集團有限責任公司直管的15座礦井中，村莊、鐵路、河流等各類煤柱176個，僅侏羅系壓煤量即達650Mt。各礦煤柱具有埋藏淺、煤層多、層間距小、第四系薄的特點，是“三下”采煤的不利因素。但各礦地面都積存有大量矸石，充填材料充足，且煤層頂板堅硬，又是充填開采的有利條件。從充填的必要性和有利條件來看，都應當考慮采用充填法開采煤柱。
所報學術會議 及報送年月
在何種刊物 上發(fā)表過	《煤礦開采》2011年第4期（總第95期）

表二   申報單位初評意見                 申報單位負責人簽字 申報單位蓋章 年  月  日

表三   省學會評委會專家意見             審閱人簽字 年  月  日

 

大同礦區(qū)“三下”煤柱充填開采可行性分析

郭永長，于 斌，徐發(fā)奎

 

［摘 要］ 大同煤礦集團有限責任公司直管的15對礦井中，村莊、鐵路、河流等各類煤柱176個，僅侏羅系壓煤量即達650Mt。各礦煤柱具有埋藏淺、煤層多、層間距小、第四系薄的特點，是“三下”采煤的不利因素。但各礦地面都積存有大量矸石，充填材料充足，且煤層頂板堅硬，又是充填開采的有利條件。從充填的必要性和有利條件來看，都應當考慮采用充填法開采煤柱。

［關鍵詞］  煤柱；充填；開采；可行性

 

1 國內(nèi)充填開采現(xiàn)狀

進入21世紀以來，隨著煤炭價格的回升、資源量的減少以及環(huán)保意識的增強，最近幾年充填開采在我國煤礦又逐步開展起來，在山東、河北、河南等村莊稠密的中東部礦區(qū)，已有10余個礦井應用了多種充填方式開采煤柱。按照所用充填材料的分類，主要有膏體充填和原矸石直接充填兩大類。而按照采煤工藝、充填工藝和設備等分類，又分為綜采工作面綜采支架后膏體充填、高檔普采工作面膏體充填、綜采工作面綜采支架后刮板運輸機矸石充填、高檔普采工作面拋矸機矸石充填、履帶自行式或簡易拋矸機巷道充填等多種方式。

所謂膏體充填，是一種膠結充填技術，是將骨料、惰性材料、膠凝材料與水混合，攪拌加工成為具有良好穩(wěn)定性、流動性和可塑性的牙膏狀膠結體（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)完成充填作業(yè)的過程。膏體充填的骨料是粉碎的煤矸石，占70%左右，矸石粒度一般小于25mm；添加的惰性材料為水泥、粉煤灰，一般占25%左右；膠凝材料是一種化學材料，占5%左右。膏體充填具有5個方面的優(yōu)點：充填體壓縮率最低，減沉效果最好；煤炭采出率高，適用范圍廣；充填體密實并有一定的抗壓強度，采空區(qū)無明顯漏風，十分有利于防治采空區(qū)自燃發(fā)火；輸送管道占據(jù)空間小，布置方便，管道輸送效率高；充填材料不沉淀、不泌水、不離析，管道輸送可靠。缺點是初期投資大，充填成本高。

所謂原矸石直接充填，就是把地面堆積或井下新出的矸石，不經(jīng)過任何處理（或僅對大塊矸石進行粉碎），通過礦車、膠帶或刮板輸送機輸送到采空區(qū)直接進行充填的方式。原矸石直接充填具有3個方面的優(yōu)點：充填工藝和系統(tǒng)簡單，易操作；充填效率高，對采煤干擾?。怀涮钕到y(tǒng)簡單，初期投資小，充填成本低。缺點是充填顆粒物空隙率高，壓縮率大。

2 大同礦區(qū)煤柱特點及矸石山現(xiàn)狀

2.1 煤柱特點

根據(jù)對大同礦區(qū)各礦煤柱情況的調(diào)查、分析，有如下特點：

（1）量大、面廣、儲量豐富 15個礦共有各類煤柱197個，僅侏羅系壓煤量近650Mt，涉及村莊、鐵路、河流、工業(yè)場地、井筒、礦界、大巷等方面。

（2）開采難度越來越大 由于長期忽視煤柱的開采，以致煤柱周圍開采系統(tǒng)相繼報廢，煤柱成為“孤島”，開采難度越來越大，煤柱儲量成為永久呆滯煤量或被小煤窯穿采、侵蝕。統(tǒng)計表明，現(xiàn)在有系統(tǒng)和將來可建系統(tǒng)能夠開采的煤柱儲量占礦區(qū)煤柱總儲量的41.82%；現(xiàn)已無系統(tǒng)、開采困難（包括薄煤層）和因其它原因不能開采的煤柱儲量已占煤柱總儲量的33.87%；小煤窯越界穿采、侵蝕開采情況不明，資料不全等占24.31%。

（3）煤柱賦存情況多種多樣 埋藏深度變化大：埋藏深度淺的只有20m，埋藏深度大的達到380m，一般為100～250m；壓煤層數(shù)變化大：少數(shù)煤柱壓煤只有1層，層數(shù)多者達到19層，多數(shù)煤柱壓煤3～8層；儲量變化大：有的煤柱單層壓煤量只有3kt，而多者達到5.709Mt，單個煤柱（多層煤）壓煤量少的只有0.152Mt，多者達到28.095Mt；煤層間距?。鹤钚〉闹挥?/span>3.5m，一般為15～30m。

2.2 矸石山現(xiàn)狀

根據(jù)統(tǒng)計，大同礦區(qū)15座直屬礦井共有37座矸石山，占地總面積331.5hm²，堆存矸石97.8234Mt，每年新出矸石10.5671Mt。

3 大同礦區(qū)煤柱充填開采的必要性和可行性

3.1 必要性

目前，我國村莊、鐵路、河流等煤柱，主要開采方法是條帶法和充填法。

條帶法開采，采出條帶寬度、留設煤柱寬度和采出率，受煤層的開采厚度、采深、煤層上覆巖層的厚度和巖性等多方面因素制約。采出條帶的寬度應小于1/3的采深，一般為采深的1/4～1/10，采出率一般為50%左右。

大同礦區(qū)各礦煤柱普遍埋藏淺、煤層多，在這種條件下采用條帶法開采，單層煤采出率小于50%，多層煤（一般只能采出2～3層）采出率小于30%，相對于整個煤柱的壓煤量而言，總采出率是很低的，大量煤炭資源仍然不能采出。

另外，舊矸石山的治理和新矸石的排放成為大同礦區(qū)各礦的難題。大量矸石露天存放，破壞環(huán)境，污染空氣，威脅人類健康。在環(huán)保意識逐漸增強的今天，逐漸背離國家和社會的要求。

統(tǒng)計表明，矸石山平均每萬平方米的容矸量為300kt，按每年新出矸石10.5671Mt計算，則每年新占土地35.22hm²。如采取覆土治理措施，以土厚0.5m計，每年用土1.761×10⁵m³。大同礦區(qū)本身就是山多地少、土層較薄、植被稀疏、生態(tài)脆弱的地方，每年大量取土治理矸石山、新占土地，對環(huán)境的破壞相當嚴重。

因此，采用充填方法開采，既可以提高資源采出率，延長礦井服務年限，增加煤礦企業(yè)經(jīng)濟效益，又消納矸石，節(jié)約土地，節(jié)省治理費，改善環(huán)節(jié)，一舉多得。所以，在大同礦區(qū)各井應用充填法開采煤柱，有其必要性。

3.2 可行性

充填法開采，一般受3個因素制約：充填材料、充填成本和煤層賦存條件。首先，充填材料是主要因素。在華東多數(shù)礦區(qū)，充填法開采主要是受充填材料不足的困擾，只能根據(jù)矸石量安排采煤能力和進度。大同礦區(qū)地面有97.8234Mt矸石存量，每年新出矸石10.5671Mt，充足的矸石能夠保證充填開采持久進行。

其次，充填成本也是一個重要因素。根據(jù)新汶、棗莊、淄博、邢臺、邯鄲及焦作等礦區(qū)對充填開采的經(jīng)濟核算，一般膏體充填開采的成本增加約70元/t，原矸石充填開采的成本增加約30元/t，這在大同礦區(qū)是可以接受的，經(jīng)濟上是合理的。

第三，大同礦區(qū)煤層頂板為堅硬頂板，不易垮落或垮落步距較大，這無疑為充填作業(yè)提供了充裕的空間和時間，是充填開采的有利條件。

所以，在大同礦區(qū)各礦應用充填法開采煤柱，從充填材料、充填成本和煤層賦存條件等方面是可行的。

4 充填方法分析與選擇

充填開采的目的有3個：以支撐煤層頂板、減小地面下沉和變形、保護地面受護體；矸石不出井、減少矸石占地、減小環(huán)境污染；消納地面矸石山、減少矸石占地、減小環(huán)境污染。

根據(jù)前面的分析，大同礦區(qū)各礦煤柱類型多樣，埋深、層數(shù)、壓煤量等差別較大，應該根據(jù)各煤柱情況、充填目的等選擇合適的充填開采方法。

（1）綜采工作面綜采支架后膏體充填 充填工藝與設備為：矸石粉碎機→攪拌站→管道系統(tǒng)→專用充填支架→采空區(qū)。

充填泵為德國普茨邁斯特公司制造的KOS 25100 HP型充填泵；充填管道采用雙層耐磨金屬管，外層為Q345號的F 219mm′10mm規(guī)格無縫鋼管，耐磨層厚度為8mm，內(nèi)徑為183mm。工作面膏體充填液壓支架型號為ZC3800/15.5/28.5。

充填系統(tǒng)設備多，初期充填系統(tǒng)建設約5000萬元，材料是運行成本的主要部分，充填總成本約70元/t。

（2）高檔普采工作面膏體充填 與第（1）種充填法相比，充填系統(tǒng)少一套專用充填支架，多一套單體支護設備；運行期間材料成本相同，總成本稍低?；夭珊统涮罟ぷ髅婵刹贾脼槿鐖D1所示的方式。由于工作面和井下充填設備搬家靈活方便，工作面長度可長可短，對于儲量較大、層數(shù)多、埋藏深度適中（小于150～250m）、面積較大、可以布置為長（或短）壁工作面的煤柱，可以采用該方法。大同礦區(qū)各礦多數(shù)煤柱可以用這種方法開采。

 

圖1  高檔普采工作面膏體充填布置方式示意圖

（3）綜采工作面矸石充填 塔山礦矸石產(chǎn)量大、處理困難，以處理井下矸石（矸石不出井）為目的，不追求充滿率和充填效果，可以采用該方法。在井下設置煤矸分離設備，分離后的矸石由矸石運輸系統(tǒng)（一般為皮帶輸送機）輸送至綜采工作面充填支架后方懸掛的刮板機充填到采空區(qū)。矸石充填支架和充填支架后方矸石如圖2所示。

 

 

圖2  綜采矸石充填支架和架后矸石體

（4）高檔普采工作面矸石充填 充填系統(tǒng)為地面矸石山或井下矸石轉載點→巷道膠帶輸送機→充填工作面拋矸機→采空區(qū)。充填系統(tǒng)簡單、設備少，初期投入少，成本低，工作面和井下充填設備搬家靈活方便。對于儲量較小、層數(shù)較少、埋藏較淺、可以布置短壁工作面的煤柱，宜采用該方法。

工作面下平巷運煤，上平巷運矸，工作面鋪設一部運煤溜子和一部矸石充填高速動力拋矸機，運煤溜子隨工作面推進前移，充填高速動力拋矸機（小型快速皮帶，帶速7.5m/s）隨充填隨縮短。從切眼起，工作面采用見七充四控頂方式，每推進4m進行1次矸石充填，按充填量確定推采時間。在矸石充填完畢前，工作面推采4m，以實現(xiàn)間斷開采，連續(xù)充填。工作面單體液壓支柱配金屬鉸接頂梁支護頂板，排距1.0m，柱距0.8m。

（5）履帶自行式或簡易拋矸機巷道充填 這種方法一般用于巷式充填，充填地點是煤巷迎頭。所需設備少，系統(tǒng)簡單，初期投入小，成本低。對于儲量小、層數(shù)少、埋藏極淺、地面有河流、不能布置短壁工作面只能用巷式開采的煤柱，可以采用該方法。

4 結束語

（1）大同礦區(qū)煤柱具有埋藏淺、煤層多、層間距小、第四系薄等不利因素；地面又積存有大量矸石，存放比較困難，開展充填開采很有必要，既提高了采出率，又消納矸石和粉煤灰。

（2）大同礦區(qū)各礦地面積存有大量矸石，充填材料充足；煤層頂板堅硬不易垮落，充填作業(yè)的時間和空間條件便利，在全國各礦區(qū)中，是開展充填少有的的有利條件。

（3）根據(jù)國內(nèi)其它礦區(qū)目前應用充填開采的實踐經(jīng)驗，在大同礦區(qū)開展多種方式的充填開采，技術上是可行的。雖增加了一定的充填成本，但總體經(jīng)濟效益是合理的。

（4）大同礦區(qū)各礦應積極開展充填開采研究，加大充填開采推廣力度，尤其是新建礦井和石炭系延深礦井應進行“三下”壓煤統(tǒng)一開采規(guī)劃和矸石回填系統(tǒng)設計，在礦井設計初期，應完成矸石回填系統(tǒng)設計。

（5）大同礦區(qū)應制定一個15～20a的充填開采規(guī)劃，有關礦建立一個年產(chǎn)600kt左右的充填開采采煤區(qū)隊，則基本能采完煤柱所壓的能夠開采的部分資源，消納新產(chǎn)的矸石和部分舊矸石。

 

 

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