1 國(guó)內(nèi)充填開(kāi)采現(xiàn)狀

進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，隨著煤炭?jī)r(jià)格的回升、資源量的減少以及環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，最近幾年充填開(kāi)采在我國(guó)煤礦又逐步開(kāi)展起來(lái)，在山東、河北、河南等村莊稠密的中東部礦區(qū)，已有10余個(gè)礦井應(yīng)用了多種充填方式開(kāi)采煤柱。按照所用充填材料的分類(lèi)，主要有膏體充填和原矸石直接充填兩大類(lèi)。而按照采煤工藝、充填工藝和設(shè)備等分類(lèi)，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(yùn)輸機(jī)矸石充填、高檔普采工作面拋?lái)窓C(jī)矸石充填、履帶自行式或簡(jiǎn)易拋?lái)窓C(jī)巷道充填等多種方式。

所謂膏體充填，是一種膠結(jié)充填技術(shù)，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(dòng)性和可塑性的牙膏狀膠結(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)完成充填作業(yè)的過(guò)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(xué)材料，占5%左右。膏體充填具有5個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：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(shí)并有一定的抗壓強(qiáng)度，采空區(qū)無(wú)明顯漏風(fēng)，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(diǎn)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(guò)任何處理（或僅對(duì)大塊矸石進(jìn)行粉碎），通過(guò)礦車(chē)、膠帶或刮板輸送機(jī)輸送到采空區(qū)直接進(jìn)行充填的方式。原矸石直接充填具有3個(gè)方面的優(yōu)點(diǎn)：充填工藝和系統(tǒng)簡(jiǎn)單，易操作；充填效率高，對(duì)采煤干擾??；充填系統(tǒng)簡(jiǎn)單，初期投資小，充填成本低。缺點(diǎn)是充填顆粒物空隙率高，壓縮率大。

2 大同礦區(qū)煤柱特點(diǎn)及矸石山現(xiàn)狀

2.1 煤柱特點(diǎn)

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

（1）量大、面廣、儲(chǔ)量豐富 15個(gè)礦共有各類(lèi)煤柱197個(gè)，僅侏羅系壓煤量近650Mt，涉及村莊、鐵路、河流、工業(yè)場(chǎng)地、井筒、礦界、大巷等方面。

（2）開(kāi)采難度越來(lái)越大 由于長(zhǎng)期忽視煤柱的開(kāi)采，以致煤柱周?chē)_(kāi)采系統(tǒng)相繼報(bào)廢，煤柱成為“孤島”，開(kāi)采難度越來(lái)越大，煤柱儲(chǔ)量成為永久呆滯煤量或被小煤窯穿采、侵蝕。統(tǒng)計(jì)表明，現(xiàn)在有系統(tǒng)和將來(lái)可建系統(tǒng)能夠開(kāi)采的煤柱儲(chǔ)量占礦區(qū)煤柱總儲(chǔ)量的41.82%；現(xiàn)已無(wú)系統(tǒng)、開(kāi)采困難（包括薄煤層）和因其它原因不能開(kāi)采的煤柱儲(chǔ)量已占煤柱總儲(chǔ)量的33.87%；小煤窯越界穿采、侵蝕開(kāi)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(dá)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(dá)到19層，多數(shù)煤柱壓煤3～8層；儲(chǔ)量變化大：有的煤柱單層壓煤量只有3kt，而多者達(dá)到5.709Mt，單個(gè)煤柱（多層煤）壓煤量少的只有0.152Mt，多者達(dá)到28.095Mt；煤層間距小：最小的只有3.5m，一般為15～30m。

2.2 矸石山現(xiàn)狀

根據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(kāi)采的必要性和可行性

3.1 必要性

目前，我國(guó)村莊、鐵路、河流等煤柱，主要開(kāi)采方法是條帶法和充填法。

條帶法開(kāi)采，采出條帶寬度、留設(shè)煤柱寬度和采出率，受煤層的開(kāi)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(yīng)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(kāi)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(duì)于整個(gè)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(lèi)健康。在環(huán)保意識(shí)逐漸增強(qiáng)的今天，逐漸背離國(guó)家和社會(huì)的要求。

統(tǒng)計(jì)表明，矸石山平均每萬(wàn)平方米的容矸量為300kt，按每年新出矸石10.5671Mt計(jì)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(jì)，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(duì)環(huán)境的破壞相當(dāng)嚴(yán)重。

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

3.2 可行性

充填法開(kāi)采，一般受3個(gè)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(kāi)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(jìn)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(kāi)采持久進(jìn)行。

其次，充填成本也是一個(gè)重要因素。根據(jù)新汶、棗莊、淄博、邢臺(tái)、邯鄲及焦作等礦區(qū)對(duì)充填開(kāi)采的經(jīng)濟(jì)核算，一般膏體充填開(kāi)采的成本增加約70元/t，原矸石充填開(kāi)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(jì)上是合理的。

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

所以，在大同礦區(qū)各礦應(yīng)用充填法開(kāi)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(kāi)采的目的有3個(gè)：以支撐煤層頂板、減小地面下沉和變形、保護(hù)地面受護(hù)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(lèi)型多樣，埋深、層數(shù)、壓煤量等差別較大，應(yīng)該根據(jù)各煤柱情況、充填目的等選擇合適的充填開(kāi)采方法。

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

充填泵為德國(guó)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(hào)的F 219mm′10mm規(guī)格無(wú)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(hào)為ZC3800/15.5/28.5。

充填系統(tǒng)設(shè)備多，初期充填系統(tǒng)建設(shè)約5000萬(wàn)元，材料是運(yùn)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(zhuān)用充填支架，多一套單體支護(hù)設(shè)備；運(yùn)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(shè)備搬家靈活方便，工作面長(zhǎng)度可長(zhǎng)可短，對(duì)于儲(chǔ)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(zhǎng)（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(kāi)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(shè)置煤矸分離設(shè)備，分離后的矸石由矸石運(yùn)輸系統(tǒng)（一般為皮帶輸送機(jī)）輸送至綜采工作面充填支架后方懸掛的刮板機(jī)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(zhuǎn)載點(diǎn)→巷道膠帶輸送機(jī)→充填工作面拋?lái)窓C(jī)→采空區(qū)。充填系統(tǒng)簡(jiǎn)單、設(shè)備少，初期投入少，成本低，工作面和井下充填設(shè)備搬家靈活方便。對(duì)于儲(chǔ)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(yùn)煤，上平巷運(yùn)矸，工作面鋪設(shè)一部運(yùn)煤溜子和一部矸石充填高速動(dòng)力拋?lái)窓C(jī)，運(yùn)煤溜子隨工作面推進(jìn)前移，充填高速動(dòng)力拋?lái)窓C(jī)（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(jiàn)七充四控頂方式，每推進(jìn)4m進(jìn)行1次矸石充填，按充填量確定推采時(shí)間。在矸石充填完畢前，工作面推采4m，以實(shí)現(xiàn)間斷開(kāi)采，連續(xù)充填。工作面單體液壓支柱配金屬鉸接頂梁支護(hù)頂板，排距1.0m，柱距0.8m。

（5）履帶自行式或簡(jiǎn)易拋?lái)窓C(jī)巷道充填 這種方法一般用于巷式充填，充填地點(diǎn)是煤巷迎頭。所需設(shè)備少，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，初期投入小，成本低。對(duì)于儲(chǔ)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(kāi)采的煤柱，可以采用該方法。

4 結(jié)束語(yǔ)

（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(kāi)展充填開(kāi)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(jiān)硬不易垮落，充填作業(yè)的時(shí)間和空間條件便利，在全國(guó)各礦區(qū)中，是開(kāi)展充填少有的的有利條件。

（3）根據(jù)國(guó)內(nèi)其它礦區(qū)目前應(yīng)用充填開(kāi)采的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，在大同礦區(qū)開(kāi)展多種方式的充填開(kāi)采，技術(shù)上是可行的。雖增加了一定的充填成本，但總體經(jīng)濟(jì)效益是合理的。

（4）大同礦區(qū)各礦應(yīng)積極開(kāi)展充填開(kāi)采研究，加大充填開(kāi)采推廣力度，尤其是新建礦井和石炭系延深礦井應(yīng)進(jìn)行“三下”壓煤統(tǒng)一開(kāi)采規(guī)劃和矸石回填系統(tǒng)設(shè)計(jì)，在礦井設(shè)計(jì)初期，應(yīng)完成矸石回填系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

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