矸石充填技术在煤矿三下开采中的应用
王东1,2，刘长武1,2，周杰斌 1,2，李晓迪 1,2
（1.四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 610065；2.四川大学水利水电学院，四川 成都 610065)
摘要：为了缓解煤炭资源日趋紧张的局面，解放和安全开采“三下”压煤，协调煤炭资源的回收与地面沉降，处理井下矸石造成的环境问题，邢东煤矿采用了条带式矸石充填置换技术。文章介绍和比较了煤炭井工开采中的4种顶板控制技术，总结了充填开采在“三下”压煤中应用的优势及其发展。最后，将此技术应用到邢东矿的建下压煤的开采中，有效地解决了地面沉陷和矸石污染问题，效果显著。
关键词：矸石充填；三下压煤；地面沉陷；矸石污染 中图分类号：TU452 文献标识码：A
The application of waste-filling technology in three unders mining
WANG Dong1,2, LIU Changwu1,2, ZHOU Jiebin1,2, LI Xiaodi1,2
(1.State Key Laboratory of Hydraulics and Mountain River Engineering, Sichuan University, Chengdu, Sichuan 610065,China;
2.College of Water Resource and Hydropower, Sichuan University, Chengdu, Sichuan 610065,China
Abstract: In order to relieve the situation of coal resource shortage , realize the safe producing in three unders mining, coordinate the coal resource mining and ground subsidence, and solve the environment caused by the waste rock, Xingdong coal mine adopted the strip waste-filling technology. This paper introduced and compared the roof control technology in coal mine, summarized the application of waste-filling technology in three unders mining. And applying it to the mining of coal under the building in Xingdong coal mine, which solved the ground subsidence and waste rock pollution effective.
Key words: waste-filling; three unders mining; ground subsidence; waste rock pollution
我国煤炭资源丰富，煤炭一直是我国的最主要能邢东煤矿工业广场下压煤的实际情况，对矸石充填技源和工业原料，长期占一次性能源消耗量的70%左术在矿山开采中的应用展开论述。 右，并且，在今后很长一段时间内，煤炭需求量将会
1 我国煤矿顶板控制技术 越来越大，国家对煤炭的依存度也将不断增加。煤矿
地下开采工作在带给人们所必须的大量煤炭资源的根据采空区的处理方法，我国井工开采顶板控制同时，也随着煤炭资源的逐步采出而出现地下含水层的方法可分为4类，即长壁垮落顶板控制法；煤柱式破坏、地表沉陷以及矿区周围水气与大气污染等一系控制顶板法；缓慢下沉控制法；充填式控顶法，如图列的相关问题。其中，地下开采引起的地面沉陷及其1所示。 诱发的地面建（构）筑物破坏，和煤炭生产的副产品—矸石的地面堆放引起的矿区环境污染是人们最为关心的两类问题。
另一方面，我国大部分煤矿“三下”压煤量巨大，据不完全统计，我国建筑物下、铁路下、水体下压煤接近140亿吨，因此解放和安全开采“三下”压煤就
图1 我国井工开采顶板控制的方法 成为当今我国煤炭系统十分关注的热点话题之一。
（a）煤柱式控制顶板法（b）缓慢下沉控制法（c）充填式控顶法 实现解放“三下”压煤，关键在于控制顶板及上
（d）长壁垮落顶板控制法m—采高;h—直接顶厚度
覆岩层的沉陷，以确保地面建筑物等的安全不受影
煤柱式控制顶板法，主要用于坚硬顶板和坚硬煤
响。为此，本文重点分析了煤层顶板控制技术，结合
层的条件，局部不正规的边角煤开采有时也采用这种
基金项目：国家重点基础研究发展计划（973计划）（项目编号：2010CB226802）; 国家自然科学基金资助项目（项目批准号：50879049；50574064） 作者简介：王 东（1986-），男，汉族，四川大学水利水电学院博士研究生，主要从事矿山岩石力学、地下工程方面的研究。E-mail:dongdongsky100@163.com
方法。如房柱式、刀柱式、巷柱式开采的矿井，多在我国北方中小煤矿中使用。这种方法的优势是简单易行，投资少等，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，且难以预测与控制，另外浮煤也易发火，甚至引发煤尘和瓦斯爆炸，这种采煤方法和顶板控制法应有计划地、逐步地予以替代[2]。
受顶底板岩层的限制，缓慢下沉法的使用条件有限，只有在煤层厚度较薄、顶底岩层塑性变形较大等情况下才可能使用，因此，人们对这一方法的关注和研究相对较少。
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，适用于厚、中、薄各种煤层，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危害，而少于考虑开采后岩层下沉运动对于环境、生态、建筑物等的破坏，结果造成对人类生存环境的严重破坏，因此垮落顶板控制法的使用条件与改进途径是一个十分迫切并值得研究的重大课题[1]。
随着人们对生态环境保护的要求日益加强，加之采用全部垮落时，无法解决大量的“三下”压煤问题，因此，研究全部垮落方法的使用条件，及其它可替代的采空区处理方法就成为采矿工界的热门话题，从而进一步引发了人们对全部（或局部）充填法处理采空区问题的重新认识和重视。
与其它采空区处理方法相比，充填法由于增加了充填材料和充填工艺，对采空区处理的成本有所增加，对回采工作面的正常生产也将产生一定的影响，但由于这种方法对控制顶板岩层移动和地表变形十分有利，是开采与保护并重的采空区处理方法。不仅可以避免“先破坏，后治理”的弊端，而且在解决“三下”压煤这一问题上的优点也十分突出，因此将是我国煤矿地下开采过程中采空区处理方法的发展趋势之一。
充填式控顶方法，在国内外得到一定程度的发展和应用，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，但这种方法成本高，工艺复杂，没有得到广泛使用。
可以看出，从开采中顶板控制以使回采作业安全，又要保护地表环境看，煤柱支撑式和缓慢下沉控顶方式应予淘汰；长壁垮落式控制方法虽然优点明显，但以前对其所产生的环境破坏缺乏足够重视，应
对其重新认识，研究这种方法的使用条件，以降低对
地表环境的损害[3]；充填式控顶法显然对采场作业安全和地表环境保护都有利的方法，是开采与保护并重的方法，应积极予以研究和推广。
2 矿山充填开采技术
最近十几年以来，充填采矿法在世界范围内得到越来越广泛的使用。这一方面是由于地下开采深度逐步增加维护矿山和采场的稳定的需要，另一方面是提高自然资源回收率和环境保护的需要而促成的[4]。目前充填技术总的来说主要有干式充填、水力输送充填、高浓度管道输送胶结充填、膏体充填。
随着充填采矿技术，特别是胶结充填采矿技术的日益发展，使矿山许多复杂的技术问题得到了很多的解决，在深部开采、保护地表、“采富保贫”、“三下开采”、降低贫化率和损失率、减缓岩爆发生、有效控制地压等方面发挥了巨大的作用[5]。
目前主要的充填材料有以下几种： （1）超高水材料充填技术
由中国矿业大学研制的ZKD型高水速凝充填材料是理想的充填材料。该材料由A、B料和A—A、B—B添加剂构成。该材料掺水量较高，可达95％以上，大大减少了固体粉料用量。该技术充填系统简单、占地少，充填泵送系统可建于井下。
（2）膏体充填采煤技术
固体废物膏体充填是煤矿绿色开采技术的重要组成部分，它是一种将煤矸石、粉煤灰、劣质土等固体废物制作成无临界流速、不需脱水的膏状浆体，通过泵压或重力作用，经过管道输送到回采工作面，适时充填采空区的绿色开采技术。膏体充填分胶结膏体充填、非胶结膏体充填。
该充填技术具有高采出率、环保、高安全性等优点，管道运输，材料选择广泛，目前已在多个矿井应用，在炮采工作面应用较多，综采膏体充填技术仍在不断研究中。
（3）固体物充填技术
充填材料为破碎后的煤矸石或固体废料，或加煤灰、黄土等材料，利用井下掘进矸石进行充填的置换开采技术可实现矿井矸石的井下处理，做到矸石不上井，从而可以同时解决地面沉降和地面矸石造成的环境污染问题。
3 矸石充填在邢东煤矿中的应用
3.1 工程简介
邢东矿位于邢台市三环以内，井田范围内有大小村庄约11个，村庄及工业广场煤柱压煤量占全矿井地质储量的82.8%。由于村庄搬迁费用很高，再加上国家相关政策的出台，采用新的技术工艺来尽可能解放工业广场和村庄的压煤量，成为了邢东矿急需研究和解决的一个重要课题。
本文所研究的工业广场煤柱中穿巷开采矸石充填工艺是邢东矿率先开始研究与试验的解决“三下压煤”的一种新开采方法。其主要原理是采用穿巷开采采出部分工业广场煤柱压煤，开采完毕后，使用相关设备将破碎矸石充填到所开巷道中，以达到既能采出部分煤炭资源，又能有效消灭井下矸石的目的。 3.2 技术原理
针对村庄和工业广场永久性保护煤柱损失严重和矿井下产矸较多的问题，提出了利用矸石充填置换开采永久性保护煤柱的新技术，该新技术的基本原理如图2所示。
2 23
图2 穿巷开采矸石充填技术原理23
1—永久性保护煤柱旁采空区；2—永久性保护煤柱；
3—永久性保护煤柱内的充填巷
3.3 邢东矿穿巷充填开采技术方案
根据前面所述方法，并结合邢东矿实际情况，设计置换开采技术方案如下：
充填巷集中布置在永久性大煤柱的中央，巷道的掘进顺序采取从大煤柱中央向两侧掘进。为了减轻采动损害，在掘进的过程中采取间隔式跳采法，即采一条巷道留一条巷道，掘进完一条巷道后，马上就开始充填，同时留设一定宽度的隔离煤柱进行下一条巷道的掘进，然后一次掘进巷道的同时充填前一条巷道。
具体的开采方案如下图3所示。
1111212112121（1）第一次掘巷（2）第一次充填及第二次掘巷（3）第二次充填完毕
图3 置换开采方案示意图
1—第一次所掘巷道；2—第二次所掘巷道
通过“煤柱稳定性原则、地表变形量原则和最大
回采率原则”三个基本原则，验证了邢东矿现有支护条件和采留比情况下，是符合安全要求的；并通过加强巷道顶板和底板的支护措施，最终计算得出可以将采留比定为采6m留5m。 3.4 现场监测
将现场实测的巷道顶板不同层位位移与工作面掘进距离关系图绘制在一起，得到如下的顶板不同层位位移与工作面推移距离关系图，如图3所示。
从图3中可以看出，顶板2.5m层位处位移相对于其它3个测点处变形量大很多，其位移值甚至超过了巷道顶板表面，显然不可能，再根据其曲线情况，发现在掘进工作面掘进至距离测站76.5m到105m之间时，位移值发生突变，突变值高达100mm，经过与其它点测量值的对比分析后可知，该点之所以出现异常，是因为测量时位移计未卡紧，在测量过程中发生了松动所致。
图4 巷道顶板不同层位位移与工作面推进距离关系
巷道顶板表面处的位移相对于其它点处比较大，由此可以判断在2.5m处发生了离层现象，不过总体来看，整个巷道表面最大位移值只有84mm，位移量小，巷道顶板及上覆围岩位移基本稳定。
4.结论
矸石充填技术在矿山开采中的应用，一方面能够较好的控制煤层顶板及其上覆岩层的下沉，防止地表沉陷过大，保护地面建筑物、铁路、水体等，解放“三下”压煤，促进煤炭资源的合理开发和利用；另一方面能够有效消除地面矸石堆积造成的环境污染问题，无论从资源开发还是环境保护上，都是一条可持续发展的道路。 参考文献
[1] 闫少宏，张华兴.我国目前煤矿充填开采技术现状[J].煤矿开采，2008,13（3）：1-3.
[2] 闫少宏，刘全明，张华兴，王怀贤.浅埋薄基岩含水层下
巷柱式放顶煤充填开采技术[J].煤炭科学技术，2008（1）：1-3, 14.
[3] 张元功，董凤宝.城镇建筑群下矸石充填开采新技术的研究与实践[J].煤矿开采，2008（1）：31-33,84.
[4] 刘长友.充填采矿技术与应用[M].冶金工业出版社，2001，北京.
[5] 刘同有,周成浦.我国充填采矿技术新进展.采矿技术进展评述论文集（1991-1995），中国有色金属工业采矿信息网，1995,8.
作者简介： 王东（1986.1-），男，汉族，四川大学水利水电学院博士研究生，主要研究方向为岩土工程、地下工程及矿山岩石力学。 手机：13402801920 办公室电话：02885463919 邮箱：dongdongsky100@163.com
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