煤矿柱区高水膨胀充填开采技术现状与展望

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【摘 要】本文结合前人的研究，对充填开采进行阐述。高水膨胀充填开采是对煤矿“三下”压煤进行充填开采，利用工业废料进行充填的采煤方法；既可以减轻开采时的沉陷灾害，又利用了大量的工业废料，解放了工业废料占用的大量土地，提高了矿井资源的回收率，是实现煤矿绿色开采的关键技术之一。

【关键词】绿色开采；顶板控制；高水充填；新工艺

一、引言

中国是世界上最大的煤炭生产国和消费国，长期以来，煤炭开采是以破坏环境的方式为经济发展做贡献，加上煤炭资源分布不合理，大部分东部矿井煤炭资源接近枯竭，多数已为“三下”，“三下”压煤直接影响矿井接替，缩短矿井服务年限。目前我国煤矿企业在大多数情况下还是采用垮落法管理顶板，根据开采沉陷学原理，这样的采后地面沉陷将达到煤层采出厚度的65%～95%。正是这种不加控制的开采方式，直接导致地面建筑物破坏、河流断流、地下水位下降、井下安全失控等一系列“黑色灾难”的发生。因此，我国学者提出了发展绿色开采技术的科学采煤理念。

我国现行的“三下”压煤的开采技术，存在的突出问题是：或资源的回收率低，或地面发生明显沉降。据文献报道，条带开采方式虽然能保证地面不发生明显沉降，但其资源回收率不到50%。水砂、矸石、膏体和似膏体等充填开采方式的回收率虽能提高到65%左右，但不能保证地面不发生明显沉降和不能保护地上建筑物不受破坏。

而高水膨胀充填可以从根本上解决以上的问题，所谓高水膨胀充填就是把矸石、粉煤灰、工业炉渣等工业废料在地面，加入水泥、石膏、膨胀剂等辅料，加工制作成浆体，采用充填泵或重力加压，通过管道输送到井下，利用浆体流动性好的特点适时充填采空区，形成以高水膨胀充填体为主的支撑体系。

二、高水膨胀充填材料的特点

1、具有良好的流动性。料浆在2小时以内呈液体状态，可实现自流输送。

2、适度的膨胀性。料浆2小时以后开始固化并伴随30%以下的体积膨胀。体积膨胀可使固化后的充填体实现与顶板的主动接触，可有效的控制围岩移动。

3、足够的稳定性。固化后的充填体是基料中的二氧化硅、三氧化二铝与辅料中的碱土氢氧化物发生化学反应而生成的具有水硬胶凝性能的含水硅酸钙和含水铝酸钙。这两种化合物的化学性质非常稳定，可以长期控制围岩移动。

4、较强的抗压性。固化后，充填体的单向抗压强度表现：12小时达到0.5Mpa；24小时达到1.2Mpa；2个月达到15Mpa；19个月达到30Mpa。控制地表无明显沉降。可以实现“三下”资源的高回收率开采。

5、基料和辅料的来源充足而且丰富，适合推广的地域相对广泛。

6、大量消耗固体废弃物和污染物，可以有效促进生态环境的保护与治理。

三、高水膨胀充填开采应用现状和取得的成果

煤矿一直受到“三下”压煤和地表“沉降”两大难题的困扰：一是不断增加的地面建筑物使近千万吨的储量变为“三下”压煤而无法采出；二是垮落法采煤导致的地表沉降使周边村庄的房屋建筑和良田受到较大破坏。也正是由于这两大难题的存在，一些煤炭资源丰富煤田的开发被放弃，以及一些开采时间较长的矿井煤炭资源濒临枯竭。

以阜矿集团艾友煤矿为例，截止到2011年末，剩余地质储量5150万吨，其中“三下”占2918万吨，占地质储量的50%以上。为提高矿井煤炭资源回收率、延长矿井服务年限，稳定职工队伍，实现企业的可持续发展，经过反复论证，决定使用高水膨胀材料，采用开放式自流充填，综采倾斜长壁后退式采煤工艺对煤柱区进行开采。

从近一年的开采来看，通过对采空区进行充填，充填体有效控制了采煤工作面的顶板及围岩的移动，地表岩移观测显示无明显沉陷，达到了预计的效果，从而延长了矿井的服务年限。

四、高水膨胀充填开采发展前景

（一）高水膨胀充填材料有效的控制了工作面采空区的围岩移动，使得工作面两顺的周期压和超前压不明显，两顺维护工程量大大减少，降低劳动成本。由于高水膨胀充填材料强度较高，可使开采过程中比较容易实现留巷，为下一接续面减少了准备工程量，降低了开采成本。

（二）充填材料利用了大量的工业废料，解放了工业废料占用的大量空间，缓解对环境的污染，符合绿色煤矿开采的理念。

（三）高水膨胀充填开采可以有效控制岩层的运动，保护矿区的地面不发生明显沉降，对地面建筑物不构成破坏，可解决回采期间工业及居民建筑的搬迁问题，实现经济效益与社会效益的双盈。

（四）高水膨胀充填开采也适用于其他非煤矿“三下”开采。

五、结束语

高水膨胀充填开采既减轻了开采时的沉陷灾害，又利用大量的工业废料，提高了矿井煤炭资源的回收，为煤矿“三下”采煤提供了新的途径，将成为煤炭企业新的经济增长点。同时也是煤炭企业今后实现绿色环保开采发展的大趋势。势必在将来的煤炭企业开采过程中得到充分的利用，发挥出此项新技术的先进性、科学性。

作者简介

王春哲，男，1967年8月出生，辽宁阜新人 ，工程师，现任阜新矿业集团公司艾友煤矿副总工程师。

李俊杰，男，1970年11月出生，辽宁阜新人，助理工程师，现任阜新矿业集团公司艾友煤矿设计科科长。