煤礦充填法开采技术研究现状及应用前景.docVIP

煤矿充填法开采技术研究现状及应用前景 前言 我国以煤矸石为主的煤炭开采和洗选过程中的废弃物，是目前排放量最大的工业固体废弃物之一，目前已累计堆积34亿，占地约1.3万km2，而且还在以每年约1.3亿吨的速度增加。煤矸石长期堆存，占用大量土地，污染水质，且自燃后生成H2S、SO2等有害气体，污染空气、水源和土地，构成了对生态和环境的损害。同时，煤矿开采可造成地表沉陷，破坏原有的地形、地貌，对地表生态、植被破坏尤为严重，甚至形成低洼积水坑或沼泽地，使耕地变成不毛之地。目前，我国采矿业每年占用和破坏的土地约达3.4万km2 ，其中仅煤炭开采每年形成的地面塌陷就约达3万km2，累计已达50万km2。 另外，我国目前建筑物下压煤94.68亿t，铁路下压煤23.91亿t，水体下压煤19.05亿t。山东省建筑物下压煤达44亿t，占可采含量的53%。长期以来，我国“建下”压煤开采主要采用条带法、村庄搬迁等方式。条带法的采出率仅为40%-60%，资源浪费严重；中厚煤层开采的75%是靠村庄搬迁来完成的。以济宁地区为例，至2020年，济宁市需搬迁1000多个压煤村庄，其中成固、赵楼矿井开采首采区一次性需搬迁12个和11个村庄。但是，村庄搬迁、土地征用困难，费用大，同时也给农民带来许多生产和生活上的不便。 因此，科学合理地解决“三下”压煤开采问题，减轻采矿业对自然环境的破坏，充分回收利用有限的资源，实现煤碳资源的“绿色开采”，是当前我国矿业领域需要解决的一项重大课题。 一、“三下”压煤开采技术 纵观世界及我国解决“三下”压煤开采问题的新方法，主要有： （1）离层注浆采煤法 其原理为：在一定的地质条件下，开采空间达到一定尺寸时，采空区上覆岩层中断裂带与弯曲带的结合部一定范围内会出现离层，通过地面钻孔向离层带内注入粉煤灰等材料，并在岩体中形成一种支撑结构来控制覆岩下沉，进而达到控制地表下沉的目的。如图1 （2）充填法开采技术 利用矿井（城市）固体废弃物充填采空区，抑制地表沉陷，保护矿区环境是实现煤炭企业绿色开采、节能减排的重要技术路径。矿山充填法开采管理顶板分为非胶结充填法和胶结充填法。 1）非胶结充填法 非胶结充填法根据充填材料和充填方法的不同，可分为水砂充填法、水力矸石充填法、风力充填法、自溜充填法、手工袋装充填法和边界充填法等。它是在煤层开采过程中向工作面后方采空区内充填河砂、山砂、工业废渣、煤矸石或粉煤灰等充填材料以支撑上覆岩层的顶板管理方法。上述充填法中，水砂充填法减沉效果最好，波兰在城镇及工业建筑物下采煤时采用水砂充填的采煤量占全国建筑物下总采煤量的80%左右。 水砂充填的主要特点是要将大量的充填材料，通过水力运入采空区，充填采煤留下的空间。据抚顺、新汶等矿区的实践，水砂充填的充填能力可达200-300m3/h以上。采用水砂充填开采时，其地表下沉系数变化于0.06-0.30之间，这与充填材料的性质和水砂充填密实填满程序有关。如表1所示 近年来，随着新洲、邢东等矿区矸石充填机械化设备的研制成功，矸石机械化充填作为一种新型的煤矿采空区充填方式获得了应用，并作为一种节能减排、绿色开采的措施获得了广泛的关注。实现了液压和自压式矸石(黄河沙）输送机及支架充填开采。 如图2所示 与膏体充填方式相比，原生矸石充填工艺相对简单，初期投入相对较少，吨煤成本较低，一般成本可控制在40元以下。只要工作面支架与运输设备配套合理，可以大规模提高充填速度，有利于提高工作面产量，但一般采用皮带机、溜子将矸石运输至综采支架后方的吊溜子上，设备占用空间较大，运输系统较为复杂。矸石充填地表下沉系数一般为0.25-0.4，其减沉效果不及水力和风力充填。 2）胶结充填法 由于非胶结充填法的充填材料缺乏内聚特性，不能形成稳固自立的充填体，20世纪60年代，加拿大、美国、澳大利亚、中国等国家开始试验胶结充填技术。20世纪60年代中期，普遍采用硅酸盐水泥或其它胶凝材料添加到低质量分数水砂充填料中，但该技术在使用过程中存在料浆凝固慢、离析分层、强度低等现象，而且具有井下脱水时胶凝材料及细料易流失，井下废水、细泥污染环境，排水、排泥费用高等问题。到了70年代，开始研究和探索高质量分数料浆的优越性及实现料浆高质量分数的有效途径，不少矿山采用不同措施把料浆的质量分数提高到70%-78%，靠自流或泵送实现高质量分数料浆的管道输送。高质量分数料浆不易发生离析和沉淀，还具有充填体力性能良好、强度高、采场脱水少、胶结料的用量大幅度减少等优点，得到了一定程度的发展，但生产实践中仍存在制浆技术难度大的问题，矿山在进行高质量分数料浆胶结充填试验研究的同时，又进一步改进充填材料的组成和级配，提高料浆质量分数，于是产生和发展了高水固化胶结充填、废石胶结充填、膏体和似膏体泵送胶结充填等工艺。 膏体充填