1、专题部分煤矿气体充填开采法技术可行性分析摘要：本文通过分析当前煤矿充填技术发展现状，找出煤矿充填技术创新的关键问题，即充填材料的创新，从而提出采用气体作为煤矿充填开采的材料的全新充填采矿方法，煤矿气体充填开采技术。并从充填气体、装气容器材料、气体增压装置三个关键因素以及充填体的性能评估等方面分析了气体充填的技术可行性，最后采用数值模拟的方式进行了气体充填方法的地表减沉效果预计。关键词：煤矿；气体充填；技术可行性；地表减沉1 引言矿产资源所提供的矿物原料、能源和建筑材料等，是人类赖以生存和社会发展中不可缺少的前提条件。矿业开发时人类进步和社会发展活动中一个重要的组成部分，它对人类社会的发展与文明
2、进步产生着巨大的推动作用。人类在生产和生存活动中，有90%的工业产品和17%的消费品是用矿物原料生产的；我国95%的能源、80%的高空也原料以及70%以上的农业生产资料也都是取自矿产资源。随着矿业的进一步开发，特别是今年煤炭产量的不断增大，“环境与发展”成为人类所面临的一个两难的选择，矿业开发一方面促进经济发展和社会进步，而另一方面却又造成了环境污染，危机社会发展。面对能源消耗与日剧增，地球环境负荷一天天加重，某些矿产资源濒于枯竭，中国21世纪议程已明确将目标确定在“建立可持续发展的经济体系、社会体系和保持与之相适应的可持续利用的资源和环境基础”之上，形成良性循环，实行开源与节流并重的战略，变
3、害为利，变废为宝，持续利用。在煤炭开采过程中，煤层上覆岩层在采动影响下会发生变形、破裂和下沉，岩层的这种形态破坏和层位移动会由下及上传至地面，是地表产生位移和塌陷下沉。这种地面会因为地下的煤炭被运出而产生塌陷，几乎所有矿区都不可避免地面临此类问题。解决这一问题的关键因素在于煤矿开采顶板控制方法的选择。我国煤矿开采顶板控制的方法可以分为三类：长壁垮落顶板控制法、煤柱式控制顶板法、充填式顶板控制法。长壁垮落顶板控制方法便于实现机械化、实现高产，操作方便，适用于各种厚度煤层，是建国以来我国煤矿开采主导顶板控制方法。这种方法着重考虑回采中顶板灾害对于回采空间的畏寒，却少于考虑开采后岩层下沉对于环境、生
4、态、建筑物的破坏；煤柱式控制顶板法主要用于坚硬顶板和坚硬煤层，局部不正规的边角煤开采有时也采用这种方法，如房柱式、刀柱式、巷柱式开采的矿井，躲在我国北方中小煤矿中使用。这种方法的优势是简单易行，投资少，但资源采出率低，不能实现综合机械化开采，更为严重地是当达到一定的开采空间和面积时，因煤柱在大面积顶板压力作用下，强度逐渐降低，支撑能力下降，不可避免将出现大面积的冒落，产生毁灭性灾害；充填式控顶方法，很显然这种方法对于开采后地表环境的保护是有利的，也有利于减少开采所造成的工作面灾害。目前国内主导的控顶方法是长壁垮落顶板控制法。近年来随着我国经济高速发展，国民GDP不断增高，煤炭需求量和煤炭产量都
5、在不断增大，我国因煤炭开采造成的地面塌陷面积已达585万公顷，且每年新增沉陷面积4万公顷，地面塌陷在地质、环保和安全等方面的负面影响不可估量。同时，我国生产矿井“三下”压煤约为140 亿t ,可供10 个年产1 000 万t 的矿井生产140 a ,其中建筑物下压煤约为90 亿t，为寻求新的煤炭资源和高的煤炭回采率，以往不予开采的“三下”煤炭资源也已经列入了可采资源中。我国在20世纪60年代开始有煤矿使用充填采矿法，而当时落后的技术经济条件制约了充填技术的使用和发展。近年来，随着我国国民经济的持续稳定发展和我国对煤炭资源回收率要求的提高，利用充填采矿法开采“三下”煤层，减轻地表沉降，提高煤炭资
6、源回采率已经越来越受到重视。然而，目前我国煤矿充填采矿法普遍存在充填成本高、充填材料来源不广、充填工艺复杂等缺点。因此，笔者从充填材料上进行革新，提出一种全新的煤矿充填采矿法煤矿气体充填开采技术，并由本文对其进行技术方面可行性的探讨。2 充填技术发展现状介绍充填开采在金属矿应用较多，技术相对成熟，可以为煤矿的充填开采提供借鉴，但煤系地层属于层状岩层，与一般金属矿岩层产状不尽相同，采后岩层移动与破坏规律也不尽一致，充填的目的也不完全一样。因此，煤矿充填开采技术的研究与发展必须适应煤系岩层活动规律与控制要求,形成符合煤矿开采特点的充填开采理论与技术。煤矿采空区充填开采技术在波兰、德国应用较多，充填
7、材料通常是河砂、煤矸石和电厂粉煤灰。其中以水砂充填技术应用最多。正常情况下长壁工作面使用水砂充填后地表下沉系数为0. 100. 20。波兰采用水砂充填条带法，已经成功地开采了多座城市下的煤炭资源。我国煤矿充填采矿法按照充填动力可分为人力充填、水力充填、风力充填等。其中水力充填应用最为广泛。水力充填式采用水力输送方式，通过充填管路将充填料浆送入采空区进行充填的煤矿采空区充填工艺。水力充填材料由于采用管道输送，故对充填料的最大粒径有所限制，否则管道易被堵塞。同时要求充填材料遇水后不发生崩解、能够迅速沉淀、细料不能过多。常用的常用的水力充填材料有碎石、砂卵石、山砂、河砂和工业废渣等。后来随着技术的不
8、断更新发展，出现了充填材料融含胶结剂的胶结充填，并使充填体的浓度逐步提高。逐步发展到高浓度的似膏体充填、膏体充填。下面对目前国内较流行的几种充填开采方法的技术特点进行介绍。2.1 膏体充填开采技术在水砂充填基础上发展起来的膏体充填技术，在国内煤矿应用还不是很多，在德国Monopol、Walsum等煤矿得到应用。但膏体充填技术因其特有的技术优势在金属矿山得到了快速发展，并已成为21世纪金属矿山充填技术的一个重要发展方向。煤矿膏体充填就是把煤矿就近的煤矸石、粉煤灰、工业炉渣等固体废弃物制作成不需要脱水的膏状浆体，通过泵压或重力作用，经过管道输送到井下，适时充填采空区的方法。根据煤层赋存条件的不同，
9、对采空区充填程度的要求也不同，煤矿膏体充填可分为全部充填、短壁间隔充填、长壁部分充填、离层区充填、冒落采空区充填等方法。煤矿膏体充填工艺流程分为材料准备、配料制浆、管道泵送、工作面充填等四大部分。材料准备：煤矿膏体充填材料主要为煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、城市固体垃圾、劣质砂等固体废弃物。对于粒度较小的材料经过简单处理就可进入料仓备用，对于煤矸石等粒度较大的材料，还需要对其进行适当的破碎处理。为了降低胶结料用量，还需对部分粉煤灰采用机械磨细和碱性激发等手段激发粉煤灰的化学活性。配料制浆：煤矿膏体充填材料中胶结料掺量极少，按照一般混凝土的概念，是一种“极贫”混凝土，必须按照设计的浓度，以及各种材料
10、的配比准确制备充填浆体，并充分混合均匀，才能够保证充填材料流动性能、凝结固化性能，井下回采工作面充填才能达到预期的地表沉陷控制目标。管道泵送：膏体充填料浆采用混凝土泵加压管道输送。搅拌机搅拌好的料将先进入浆体缓冲斗，再靠浆体自重向充填泵进料斗加料，经充填泵加压后的膏体料浆通过充填管，经过充填站附近的充填钻孔下井，再沿在巷道布设的充填管输送到充填工作面，在充填工作面采用液压转换阀控制采空区充填顺序。充填泵和充填管的选择应根据充填能力、充填管线长度、膏体料浆特性、流速等综合确定，膏体充填料浆在管道输送中的一个重要特点是无临界流速，流速不能太高，也不能太低，一般膏体充填系统设计流速0.7 1.0 m
11、/s。2.2 覆岩离层注浆充填技术覆岩离层注浆充填是利用岩移过程中覆岩内形成的离层空洞，从钻孔向离层空洞充填外来材料来支撑覆岩，从而减缓覆岩移动往地表的传播。采动覆岩离层位置、离层量和动态发育规律的研究是离层注浆充填技术的理论基础。研究表明，覆岩离层主要出现在关键层下。当相邻两层关键层复合破断时，两关键层间将不出现离层.关键层初次破断前的离层区发育、离层量大,易于注浆充填;而一旦关键层初次破断后，关键层下离层量明显变小，仅为关键层初次破断前的25 %33 %，注浆难度增加。因此，离层注浆必须在主关键层临初次破断前进行。钻孔布置及最佳的注浆减沉效果应保证关键层始终不发生初次破断。该技术具有以下突
12、出优点： a、不在井下采取措施，不影响现有井下开拓布置与回采工艺； b、井下开采与地面注浆同步进行，互不干扰，工作面回采率不变； c、设备简易，便于操作； d、减沉与环境保护相结合，一举两得。该技术的核心内容可以概括为以下四个方面： 采动覆岩体中的离层是客观存在的，相邻两岩层之间能形成可充离层空间； 覆岩离层分布的空间和时间规律是确定可注浆离层的关键所在，也是离层充填技术的重要理论基础； 影响离层分布的主要因素有岩性、地层结构、煤层采出厚度、开采深度、开采尺寸、开采速度等。由于离层区充填为非固结充填材料，浆液浓度稀，关键层下离层随采面推进不断扩展，浆液随之向前流动，关键层初次破断前其下离层空间
13、很难被充填满。因而，充填浆液不能对初次破断前的关键层进行支撑，因而不能阻止关键层的初次破断，从而影响后续离层注浆和注浆减沉效果。这是我国一些矿井离层注浆减沉试验未达到预想效果的主要原因之一。覆岩离层注浆采矿法示意图如图1图1 覆岩离层注浆充填采矿法示意图2.3 矸石充填开采技术多年多年来的高强度开采，我国已累计排放煤矸石4650亿t，形成煤矸石山2800余座，积存煤矸石36亿t，占地615万ha，另外，露天矿挖损土地1125万亩，总计占全国耕地保有面积的6.79%。煤矸石充填是煤矸石综合利用的一个重要途径。煤矸石充填技术不仅可以将煤矸石作为充填料使用，从而减少了矸石山的占地面积；而且可以控制采
14、空区顶板下沉，减少地表沉降。煤矸石回填技术包括采空区回填、低洼地充填、煤矿塌陷区复垦、路基充填等。煤矸石回填方式主要有三种：全部充填开采、覆岩离层带充填、采注采三步法开采。煤矸石回填采空区的填充方法主要有水力充填、风力充填和机械充填等方式，其中主要采用水力充填和风力充填。其中水力充填是最常用的方法之一，其工艺流程如图2；应当注意的是，当填充用煤矸石主要为为砂岩和石灰岩时，需要向充填材料加入适量粘土、粉煤灰等粘结材料，以增强填充料的粘结性和惰性。当煤矸石主要为泥岩和碳质岩类时，需要添加适量沙子，以增强充填料的骨架结构强度和惰性。然而，煤矿采用矸石充填也存在一些问题，例如煤矿矸石采出量为煤炭采出量
15、的10%20%，这些矸石对于矿井充填来说是不够的，必须从它处输送更多的矸石到充填空间；矸石的输送也是矸石充填的一个问题，矸石输送难度较大，输送线路和其他工作线路相互干扰，部分煤矿还开掘由专门的矸石输送巷道，这些使得矸石充填工艺系统复杂。图 2 煤矸石水力充填采空区流程图2.4 冒落矸石空隙注浆充填技术该技术利用冒落带岩石的碎胀性注入胶结材料对采空区矸石进行固结,现在尚处于研究阶段，现以条带开采冒落区注浆充填技术为例进行介绍。目前,我国主要采用条带开采技术来实现建筑物下压煤开采，其主要缺点是煤炭采出率偏低，一般仅为30 %50 %。条带开采导致地表下沉的主要原因是条带采出后包括采空区及其上部一定
16、范围岩层内形成冒落区。条带冒落区失去承载能力，并将其上部岩层的载荷转移到两侧留设的煤岩柱上。留设煤柱及其上方一定范围内岩柱上所承受的载荷增加导致煤岩柱压缩变形，压缩变形累积导致地表沉陷。条带开采冒落区注浆充填就是在建筑物压煤条带开采情况下，通过地面或井下钻孔向采出条带已冒落采空区的破碎矸石进行注浆充填，见图3，充填破碎矸石空隙，加固破碎岩石，使得采出条带冒落区重新起到承载作用，有效减轻留设煤柱及其上方一定范围内岩柱上所承受的载荷，使得煤岩柱的压缩变形减小，从而减缓覆岩移动往地表的传播；同时利用充填材料与冒落区内矸石形成的共同承载体来缩短留设条带的宽度，以达到提高资源回采率的目的。条采开采冒落区注浆充填的加固作用主要体现在以下3个方面：充填体提供条带煤柱侧限力作用，提高煤柱强度，减少煤柱宽度；充填体摩擦效应和点柱作用可分担煤柱的载荷，减少煤岩
