绿色充填开采技术

1、浅谈绿色充填开采技术铜川矿业公司金华山煤矿 许刘晓 宁文卫大家知道，煤炭资源是不可再生的资源，如何充分回采和提高煤 炭回收率，是煤炭人多年来的梦想，“三下一上”（建筑物下、铁路下、 水体下，承压水上）采煤技术就应运而生，经过半世纪的努力，传统 的“三下一上”（建筑物下、铁路下、水体下，承压水上）采煤技术， 包括条带开采、离层区注浆、水砂充填、风力充填、村庄搬迁等采煤 方法，在实际运用中存在着煤炭采出率低、控制地面沉陷难、搬迁村 庄难度大等突出问题。因此，迫切需要开发新的采煤技术，把固体废 弃物利用与采动破坏、地表沉陷控制有机结合起来，做到地表破坏程 度低、资源利用率高、废弃物排放少。从2003

2、年开始，中国矿业大学与多家企业（山东济宁市太平煤 矿、冀中能源邯矿集团）合作开展绿色开采技术即“三下”（建筑物 下、铁路下、水体下）厚煤层高采出率膏体充填开采技术研究。所谓 膏体充填开采技术，就是利用固体废弃物（河砂、电厂粉煤灰专用 胶结料、煤矸石、黄土）和水配制成膏状料浆，用大型充填运料系统 运至工作面采空区，开放式的充填全部采空区，形成以膏体充填为主 体的支撑体系，控制地表采动沉陷。膏体充填采矿技术是将固体废弃 物配制成无需脱水的膏状浆体，通过材料运输系统运送到井下采空 区，开放式的适时适量充填采空区。试验表明，这种充填材料质量浓 度达80%以上，料浆不沉淀、不泌水、不离析，流动性能好，凝

3、结时 间短，凝结后强度高。经过多年时间的研究，此技术完成工业性试验， 目前该项技术以开始转入大面积推广阶段。这种技术特别适用于“三 下一上”采煤、保水开采、坚硬顶板管理等。膏体充填采矿技术具有以下优点：一是保护安全，提高矿井开采 安全保障度。通过充填开采，大大减少采煤过程中带来的顶板破坏、 围岩松动和瓦斯压力的变化，从而降低顶板、瓦斯、水害等自然灾害 的发生机率。二是保护资源，提高煤炭资源采出率。据即将承担工业 性试验的山东济宁太平煤矿介绍，9米厚煤层不迁村分4层膏体充填 开采，预计煤炭回收率提高到80%。三是保护环境，减少煤炭开采对 地表的破坏程度。一方面，可以控制开采带来的地表沉陷，保护水

4、资 源，减少对土地资源的破坏与占用；另一方面，可以实现煤矿副产品 及城镇固体垃圾等资源化利用，减少矿山固体废弃物的排放。我们认为，膏体充填采矿技术的开发应用，是煤炭工业贯彻落实 科学发展观、实现绿色采矿的重要举措，具有“高安全性、高采出率、 保护（改良）环境”的基本特征，是一种新的绿色采矿技术，也是 21世纪采矿技术的重要发展方向。膏体充填采矿技术的应用，是煤 炭开采史上的一次技术的革命，将为煤炭工业健康发展注入新的活 力。我国部分衰老矿井，一方面随着开采深度下延灾害严重，煤炭开 采成本加大,越来越不适合开采;另一方面“三下”压着大量适合开 采的优质煤炭资源，需要安全高效地回采出来;出于环保的

5、需要，大量 矸石和城市垃圾需要处理；在安全方面,传统开采带来的采空区自然 发火、出水、上隅角瓦斯超限以及采空区大面积垮落带来的瓦斯大 量涌出等突出问题急需解决。我矿+440水平红土镇压煤以上所有问 题，通过采用合理的充填开采技术都可以得到很好的解决。充填开采 技术必将成为煤炭企业新的经济增长点是我国煤矿开采技术史上的 一次革命。为此,以超高水材料充填、膏体充填、固体物充填为代表 的充填技术在我国正在大面积推广技术逐步成熟。充填开采技术的发展方向将以低成本、高效率、设备标准化为目 标。低成本的技术思路体现在充填材料提倡变废为宝降低充填成本。 未来充填材料将以煤矸石、粉煤灰、山沙、河沙、海沙、戈壁

6、沙、碎 石、块石、废石、劣质土、城市固体垃圾、矿山分级尾沙或全尾沙等 多种材料为主。中国矿业大学固体物充填开采技术研究课题组发明了 长壁综采开采采空区开放式充填技术可以将地面矸石山矸石或洗选 矸石、井下所有掘进或分选矸石用于采空区充填技术成本相对较彳氐 实现架前采煤架后充填采充一体化，效率高，月产可达5万t以上， 实现了高效机械化连续充填开采,具有广泛的应用前景，代表了充填 开采的方向。参考文献：张吉雄，缪协兴.煤矿矸石井下处理的研究J.中国矿业大学学报,2006, 35 (2)王有俊.煤矿矸石井下处理技术J.矿山压力与顶板管理,2005, 22 (1)日前，在由中国煤炭工业协会组织召开的20

7、09年度科技进步奖评审大会上，河北 邢台煤矿参与的建筑物下综合机械化充填采煤技术获得科技进步一等奖。日前，在由中国煤炭工业协会组织召开的2009年度科技进步奖评审大会 上，河北邢台煤矿参与的建筑物下综合机械化充填采煤技术获得科技进步一等 奖。这是国内煤炭行业科技领域的最高奖项。据了解，邢台煤矿充填开采技术可 以帮助开采建筑物下压煤2000多万吨，延长矿井寿命20年，经济效益达百亿 元。同时，每年消灭砰石和粉煤灰60多万吨，对建设绿色矿山、发展循环经济、 打造和谐矿区意义重大。21世纪绿色开采新技术：膏体充填采矿技术8月4日，国家发展改革委能源局吴吟和高技术产业司有关同志到徐州中国矿业 大学，调

8、研膏体充填采矿技术实验室研发情况。调研组听取了中国矿业大学的汇报， 考察了膏体充填采矿技术实验室，观看了整个工艺流程和操作演示。传统的“三下一上”（建筑物下、铁路下、水体下，承压水上）采煤技术，包括条 带开采、离层区注浆、水砂充填、风力充填、村庄搬迁等采煤方法，在实际运用中 存在着煤炭采出率低、控制地面沉陷难、搬迁村庄难度大等突出问题。因此，迫切 需要开发新的采煤技术，把固体废弃物利用与采动破坏、地表沉陷控制有机结合起 来，做到地表破坏程度低、资源利用率高、废弃物排放少。膏体充填采矿技术是将固体废弃物配制成无需脱水的膏状浆体，通过泵压或重力 作用，经过管道输送到井下，适时适量充填采空区。试验表

9、明，这种充填材料质量 浓度达80%以上，料浆不沉淀、不泌水、不离析，流动性能好，凝结时间短，凝结 后强度高。目前，膏体充填采矿技术已完成实验室试验，即将开展工业性试验。这 种技术特别适用于“三下一上”采煤、保水开采、坚硬顶板管理等。膏体充填采矿技术具有以下优点：一是保护安全，提高矿井开采安全保障度。通 过充填开采，大大减少采煤过程中带来的顶板破坏、围岩松动和瓦斯压力的变化， 从而降低顶板、瓦斯、水害等自然灾害的发生机率。二是保护资源，提高煤炭资源 采出率。据即将承担工业性试验的山东济宁太平煤矿介绍，9米厚煤层不迁村分4 层膏体充填开采，预计煤炭回收率提高到80%。三是保护环境，减少煤炭开采对地

10、 表的破坏程度。一方面，可以控制开采带来的地表沉陷，保护水资源，减少对土地 资源的破坏与占用；另一方面，可以实现煤矿副产品及城镇固体垃圾等资源化利用， 减少矿山固体废弃物的排放。调研组认为，膏体充填采矿技术的开发应用，是煤炭工业贯彻落实科学发展观、 实现绿色采矿的重要举措，具有“高安全性、高采出率、环境友好”的基本特征，是 一种新的绿色采矿技术，也是21世纪采矿技术的重要发展方向。膏体充填采矿技术 的应用，是煤炭开采技术的革新，将为煤炭工业健康发展注入新的活力。调研组还对这项技术应用的经济性、便利性和可推广性提出了一些建设性的意 见，并要求加快推进示范工程。1、保护环境，不产生新的垃圾2、改良

11、环境，消耗矿井原有的垃圾3、解放矿井资源，延长矿井寿命4、水土保值，防止矿井水患中国煤炭工业协会在北京邀请中国工程院院士钱鸣高等专家组成鉴定委员会，对冀中能源邯 矿集团与中国矿业大学共同完成的超高水材料矿山充填开采技术研究与应用成果进行了 评审鉴定。认为，超高水材料充填技术属国内外首创，达到国际领先水平，是“三下一上”煤 炭资源安全有效开采和实现绿色开采、生态环保开采的新方法，具有显著的经济和社会效益， 广泛推广应用的前景。鉴定委员会对该成果给予了较高评价，一致认为，与其他充填方法相比，超高水材料 矿山充填开采技术初期投入低，操作简单，易推广，且自动化程度高。该项技术研究应用的 开放式充填工艺

12、，还具有充填与回采互不影响，采空区充填效率高等特点。该充填技术可消 耗大量矿井水，减少排水对地面的污染，大大降低排水费用，经济和环境效益明显。从某种 意义上讲，该项技术是实现“三下”煤炭绿色开采的一项“技术革命”。该充填开采技术除可用于“三下”煤炭开采外，还可用于承压水体上煤炭的开采。该项技 术的实施成功，对于解放呆滞煤炭资源，减少矿区环境污染和生态破坏有着重大意义，为今 后在我国煤矿采空区充填提供了新途径、新方法，具有深远的社会效益。据冀中能源邯矿集 团总工程师孙春东介绍，自2008年以来，陶一矿已在三个工作面进行了超高水材料充填开 采实验，并累计采出建下煤炭20多万吨。充填开采后地表观测表

13、明，充填工作面对应的地 表未受到明显影响。邯矿集团所属八个矿井普遍存在煤炭资源紧张状况，截至2008年底， 全公司所辖矿井建下压煤量达亿吨以上。4月29日，山东济宁市太平煤矿“三下”厚煤层高采出率膏体充填开采技术开始试产，利用此技 术开采地下煤炭可实现采煤后土地不塌陷、村庄不搬迁，减少环境污染和生态破坏。据了解，这 是我国煤矿企业首次使用这一绿色开采技术。从2003年开始，太平煤矿与中国矿业大学合作开展绿色开采技术即“三下”（建筑物下、铁路下、 水体下）厚煤层高采出率膏体充填开采技术研究。所谓膏体充填开采技术，就是利用泗河河砂、 电厂粉煤灰、专用胶结料和水配制成膏状料浆，用大型充填泵通过管道输

14、送到井下，充填全部采 空区，形成以膏体充填为主体的支撑体系，控制地表采动沉陷。经过 3年时间的研究，此技术 由试验阶段开始在太平煤矿转入工业试用。我国因煤炭开采造成的土地塌陷面积已达58.5万公顷，且每年新增沉陷面积4万公顷，造成 了严重的环境污染和生态破坏，而塌陷地治理复垦成本高，生态恢复十分艰难。太平煤矿矿长技 术顾问陈德俊告诉笔者：“这一技术的应用，是煤炭开采技术的革新，能够成功解决因采煤所造 成的土地塌陷这个困扰全国煤矿企业多年的难题，可实现不迁村采煤和土地不塌陷，进而有效保 护地下水资源和土地资源。企业可以节省巨额的村庄搬迁费和土地塌陷补偿金，提高企业经济效 益。还能够防止溃砂溃水和

15、顶板事故，防止煤矿企业重特大事故的发生；可以大大提高煤炭采出 率，采区回收率由我国目前条带开采法的50%左右提高到90%以上。”据了解，太平煤矿膏体充填工作面设计生产能力60万吨/年，地面充填站核心设备、充填泵 和控制系统全部从德国引进。目前已投入资金6000万元，开采一吨煤增加成本45元左右。此 项目已被列入省科技厅技术创新计划，正在申报国家发改委可持续发展重点工程。枣矿集团蒋庄煤矿村下膏体充填开采技术研究取得突破性进展膏体充填技术是在开采过程中将膏体充填材料输送到采空区，以最大限度地提高村庄 下、建筑物下、水体下压煤的资源回收率，属世界性技术难题，仍处于试验研究阶段。蒋庄 矿作为承担此项技

16、术研究的责任单位，历经一年多的调研、论证，高质量地完成了不迁村 膏体充填开采技术方案论证报告课题研究，目前，试验研究阶段工作已基本完成，即将进 入工程设计与系统建设阶段，预计6月中旬可形成系统。该项目具有广阔的应用前景和很 大的社会、经济效益。一是提高资源回收率。采用条带配合充填开采，回采率可提高近50%。 据调查，枣庄集团“三下”总体压煤6.23亿吨,占矿区地质总储量的49.5%，如果能够广泛利 用膏体充填工艺把“三下”压煤开采出来，可以大大延长企业生命周期。二是工业废料的二次 开发利用。该项目属绿色技术，实施充填开采后，煤矸石可以作为填充膏体的原料使用，不 仅能避免矸石上井后造成的二次污染

17、，而且还能减少耕地占用。三是经济效益可观。充填后 不影响地表，可减少村庄搬迁等费用。仅蒋庄矿北六采区实施膏体充填就可增加效益近亿元。充填采煤法是减少地表下沉效果最好的方法。期刊文章分类查询，尽在期刊图书馆摘要：开采沉陷是造成矿区环境地质灾害的直接原因，有效控制和减轻地面沉陷程度是避免 开采沉陷环境灾害的基本途径。充填采煤法是减少地表下沉效果最好的方法。开采沉陷对土地资 源的影响和破坏是难以避免的，所以各个煤矿应该应用根据自己的实际情况和条件合理应用防止 和控制开采沉陷技术和土地复垦技术，矿区生态复垦技术等多学科知识，对地表塌陷进行综合治 理和开发利用，才能更好地保护地表、矿区的环境、农民的利益

18、。文章针对煤矿开采对矿区环境、 地表破坏的影响，以减轻危害程度为目标，提出合理的采矿方法和工艺。关键词：煤矿沉陷控制方法院研究0引言煤炭的开发为经济快速持续发展提供了基本保证，然而煤炭的大规模开采对矿山及其周围环境 造成了严重的破坏日益突出，开采沉陷造成的矿区环境灾害主要有土地塌陷或积水，农田减产或 绝产、道路塌陷、房屋变形破坏等，这都是开采引起的岩层移动，是造成矿区塌陷灾害和区域变 形的根源，有效控制和减轻地面塌陷程度是解决此问题的根本之路。随着煤炭形式的好转，各集 团公司都加大了环境的防治和治理，对煤炭事业来说，功在当代，利在千秋。1煤矿开采中如何防止地表的沉降沉陷破坏的防治技术途径可以从

19、两方面考虑；对开采沉陷的控制，即通过合理选择采矿 方法和工艺、合理布置开采工作面、采取井下充填法、覆岩离层带空间充填等措施，来减少地表 下沉，控制地表下沉速度和范围，达到保护地表和地面建、构筑物与耕地的目的。开采沉陷破 坏的恢复和整治，运用土地复垦技术和建筑物抗采动变形技术，对开采沉陷破坏的土地进行整治 和利用。1.1全部充填开采在煤炭采出后顶板尚未冒落之前，用固体材料对采空区进行密实 充填 使顶板岩层仅产生少量下沉，以减少地表的下沉和变形，达到保护地面建、构筑物或农田的目的。 其中水沙充填是充填采煤法中减少地表下沉效果作好的方法，其次是风力 充填和矸石自溜充填 但充填采矿法需要专门的充填设备

20、和设施，还需要有充足的充填材料。矿井初期投资大，吨煤成 本相应的增加。1.2条带开采根据煤层和上覆岩层组合条件，按一定的采留比，在被 开采的煤层中采出一 条，保留一条。由于条带开采仅是部分地采出地下煤炭资源，保留了一部分煤炭以煤柱形支撑上 覆岩层。从而减少覆岩移动，控制地表的移动和变形，实现对地面建、构筑物的保护。但该方法 采出率低、巷道掘进多，工作面效率低。1.3覆岩离层带充填根据采空区上方覆岩移动形成三带的岩移特性，在煤炭采出后一定时 间间隔内，用钻孔往离层带空间高压注浆，充填，加固离层带空间，将采动的砌体梁结构加固为 稳定性较好的连续梁结构，使离层带的下沉空间不再向地表传递，以减少或减缓

21、地表下沉，保护 地面建、构筑物或农田。但该技术难度大，再近一步研究。1.4限厚开采根据矿区地形、水文地质条件和建、构筑物抗变形能力，以不产生地表积水 和满足建筑物所要求的保护等级为依据，确定可开采的煤层厚度，开采是仅回采这一厚度的煤， 其余各煤层均不开采，以实现减少下沉保护地面建、构筑物及土地的目的。但该 技术采出率低， 仅在薄煤层中应用有一定的使用价值。1.5协调开采厚煤层分层开采时，合理设计各工作面的开采间距，相互位置与开采顺序， 使开采一个煤层（工作面）所产生的地表变形和开采另一个煤层（工作面）所产生的地表变形相 互抵消或抵消一部分，以减少采动引起的地表变形，保护地面建、构筑物。但该技术

22、要保持一定 的错距，因此组织生产难度较大。我国尚未开展这种工业性实验。1.6 ”采-注-采三步法开采充分利用覆岩结构对岩层移动的控制作用，应用荷载置换的原 理，进行小条带开采-注浆充填固结采空区-剩余条带开采的三步法开采，有效的对岩层移动和地 表沉陷的控制，解决了大面积开采地表沉陷控制、提高了煤炭的回采率，保护了地面建、构筑物， 但也存在工艺复杂，成本较大等缺点。2将矿山地表恢复成耕地2.1煤矸石充填复垦和粉煤灰充填复垦地下开采产生的大量煤矸石运到地表排放，既占地 有污染环境。利用煤矸石作为充填材料，即可使采煤破坏的土地得到恢复，又能减少矸石的额占 地。2.2平地和修建梯田复垦 对积水沉陷区、

23、潜水位较低的边坡地带，可采取平整土地、改造 成梯田的方法复垦利用。梯田的水平宽度和梯坎高度，应根据地面坡度抖缓、土层薄厚、工程量 大小、作物种类、耕种机械化程度综合考虑确定，田间坡度的大小和坡向，应根据原始坡度的大 小、有无灌溉条件、复垦土地用途来决定。2.3输排法复垦开挖排水渠道，将沉陷区浅积水引入河流、湖泊、坑塘、水库等，作为蓄水用，是沉陷水淹地重新得到耕种。2.4深挖垫浅复垦运用人工或机械方法，将局部积水或季节性积水沉陷区下沉大区域挖深，适合养鱼、蓄水灌溉等，用挖出的泥土充填开采沉陷较小的地区，使其成为可种植的耕地。2.5积水区综合利用技术对地面大面积积水和积水深度很大的沉陷区，科学的综

24、合利用，发展网箱养鱼、围栏养鱼、蓄洪作灌溉水源、建造水上公园等。2.6固体微生物复垦技术煤矸石添加适量微生物活化剂，经过一个植物生长期（约6个月）就可建立起稳固的植物生长层，形成熟化的土壤。3小结开采沉陷是造成矿区环境地质灾害的直接原因，有效控制和减轻地面沉陷程度是避免开采 沉陷环境灾害的基本途径。充填采煤法是减少地表下沉效果作好的方法，近年在山东有些矿区正 在做膏体充填的实验，这种方法可使采场没有或减少垮落带，能更好的减少地表下沉。但它的技 术含量很大，输送倍线大，管路易阻塞，如果成功那将是煤矿开采的一次技术革命。开采沉陷对土地资源的影响和破坏是难以避免的，所以各个煤矿应该应用根据自己的实际

25、情况和条件合理应用防止和控制开采沉陷技术和土地复垦技术，矿区生态复垦技术等多学科知识，对地表塌陷进行综合治理和开发利用，才能更好地保护地表、矿区的环境、农民的利益。充填开采是用来防止地面塌陷的基本开采技术，近几年，随着煤炭价格的复苏以及国家对环 境保护的进一步要求，充填式开采技术推行良好。中能榆阳煤矿地处我市水资源保护区，且 煤矿所处区域地物众多。充填开采可将煤矿开采率由过去的40%至50%提升到90%以上， 减少或防止覆岩破坏及地表沉陷，减少环境污染和生态破坏，解放呆滞煤炭资源，提高资源 回收率，减少地面排水。中能榆阳煤矿实施充填开采条件成熟、可行性强，计划采用高水膨 胀材料进行充填，从而形

26、成从百姓取沙-充填-平垦-恢复植被-还百姓良田的良好循环。1.关于我国煤矿充填开采技术与发展趋势本文作者：赵友君斜开采，只需要管路、搅拌与泵送等设备就可以形成完整的充填系统;而对于水平开采和俯斜 开采，还需用充填袋,效率相对较低，月产一般在500010000t ,目前在综采机械化充填方面还 没有取得突破。图1高水材料充填上艺流程2、充填开采对安全生产的影响分析一般来说,全部充填工艺可以有效提高安全开采程度，解决目前我省煤矿生产过程中存在的 部分隐患。具体体现在以下方面：全部充填工艺可以有效缓解采煤引起的矿山压力显现，有利于回采巷道和工作面的支 护，有效防止顶板和#地压事故的发生。达到“应力分散

27、，地压不冲”的目的。#地压的产 生主要受两方面的因素影响，即煤岩体特性和煤岩体应力。而煤岩体的特性通常是不可改变 的。因此，预防#地压的发生，主要通过消除或减小煤岩体应力这一途径来实现。而影响煤 岩体应力的主要因素包括：开采深度和地质构造等地质因素;采掘巷道布置、煤柱留设、 采空区范围等开采技术因素。全部充填工艺可以有效改变煤体、围岩的受力状态，将其所受的采动压力由四周煤岩体承担 改为充填物和四周煤岩体共同承担，有效分散采动影响压力，减少应力集中。同时，充填体将承 受和转移顶板的大部分压力，有效抑制顶板下沉和底板隆起。一般情况下，采用全部充填工艺 的采煤工作面，其初次来压和周期来压都不明显，有的几乎观测不到，工作面和回采巷道的矿 山压力显著减小，对于减小回采区域的煤岩体应力和采煤工作面、回采巷道的顶板维护非常 有利。而在某一区域连续采用全部充填工艺,可以使该区域不留孤岛煤柱，可以有效消除回采 区域的应力集中，预防#地压的发生。全部充填工艺可以减少采动影响造成的顶板导水裂隙高度和底板的破坏深度;同时采 空区已基本全部充实，不存在老空积水威胁。达到“无空无水，顶底不突”的目的全部垮落法管 理顶板的采煤方式，其上覆岩层遭到破坏程度随采厚的增加而增加。据矿压观测资料统计，我 省煤炭主采区的济宁矿区采用综放工艺开采