科技论坛 ・４３・ “三下” —————▲ ■ 压煤充填开采研究现状综述 李俊寇云鹏杨震王世祖 （三一重型综采成套装备有限公司，辽宁沈阳１１００２７） 摘要：介绍了目前“三下”压煤充填开采常用的干式充填、水力充填和胶结充填开采技术及其特点，详细阐述了国内外煤矿充填技 术的应用现状，论述了“三下”压煤充填开采技术的发展方向。 关键词：充填开采；“三下”压煤；绿色开采 Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｔｈｅ ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ａｎｄ ｃｈａｒａｃｔｅ￣ｏｆ ｔｈｒｅｅ ｕｎｄｅ￣ｂａｃｋｆｉｌｌ ｍｉｎｉｎｇ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｄｒｙ ｓｔｏｗｉｎｇ，ｈｙ－ ｄｒａｕｌｉｃ ｓｔｏｗｉｎｇ ａｎｄ ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｆｉｌｌｉｎｇ．Ｉｎ ｖｉｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ，ｔｈｅ ｒｅｓｅａｒｃｈ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｏｆ ｂａｃｋｆｉｌｌ ｍｉｎｉｎｇ ｆｒｏｍ ｄｏｍｅｓｔｉｃ ａｎｄ ｆｏｒｅｉｇｎ ｍｉｎｅｓ ａｒｅ ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ．Ｔｈｅ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｔｒｅｎｄ ａｎｄ ｔｈｅ ｋｅｙ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｉｎ ｎｅｅｄ ｏｆ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｂａｃｋｆｉｌｌ ｍｉｎｉｎｇ ａｒｅ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｂａｃｋｆｉｌｌ ｍｉｎｉｎｇ；Ｔｈｒｅｅ ｕｎｄｅｒｓ ｃｏａｌ；Ｇｒｅｅｎ ｍｉｎｉｎｇ １概述 国内外的许多矿山在使用这种技术。 我国是煤炭资源大国，也是煤炭资源生产和消耗大国，煤矿开 ２３胶结充填 采是煤炭资源开发和利用的基础。目前我国煤矿的“三下”压煤约为 胶结充填是将采集和加工的矸石等惰性材料掺人适量的胶结 １３７．９亿吨，其中建筑下压煤８７．６亿吨，约占整个压煤量的６３．５％。 料，加水混合搅拌制备成胶结充填料浆，沿钻孑Ｌ、管、槽等向采空区 随着工农业生产的发展，建筑下压煤有增大趋势，很多矿区建筑下 输送和堆放浆体，然后使浆体在采空区中脱去多余的水（或不脱水）， 压煤占到矿区可采储量的６０％，严重制约着矿区的生产和可持续发 形成具有一定强度和整体性的充填体；或者将采集和加工好的矸 展【ｌ１。 石、块石等分别送人井下，按照配比掺人适量的胶结料和细粒料（或 煤矿充填开采技术是绿色开采技术的重要组成部分，尤其是煤 者不加细粒料）惰性材料，加水混合形成低强度混凝土；或者将地面 矿胶结充填开采是有效回采煤炭资源、实现煤炭可持续发展的重要 制备成的水泥砂浆或净浆，与矸石、块石等分别送人井下，将矸石、 保障，煤矿胶结充填开采正逐步成为煤炭工业的关键技术，它不但 块石等惰性材料先放人采空区，然后采用压注、自淋、喷洒等方式， 在回收高品质煤炭资源时可使煤矿获得更好的经济效益，而且可提 将砂浆或净浆包裹在矸石、块石等的表面，胶结形成具有自立性和 高资源利用效率、有效地减少对环境的破坏和保护自然环境。 较高强度的充填体的充填技术 。 ２“三下”压煤充填开采方法 以水泥作为胶结材料的胶结充填主要有分级尾砂胶结充填、块 “三下”压煤多集中分布于工业基础较好、开发条件优越、对煤 石胶结充填、全尾砂胶结充填和膏体泵送胶结充填；新型胶凝材料 炭需求较为迫切的经济发达地区。“三下”压煤按照充填材料和输送 的胶结充填主要有高水胶结充填、全沙土胶结充填和赤泥胶结充 方式，主要分为干式充填、水力充填和胶结充填。 填。胶结充填受到搅拌质量、颗粒成分、水分含量和密度、搅拌方式 ２．１干式充填 等因素的影响。总体上，胶结充填速度快、充填量大、工艺简单、形成 干式充填是国内外矿山应用最早的充填方法，其原理是将由露 的充填体强度大，能够更加有效地控制地表变形，保护村庄建筑物 天采石场或废石场采集的块石、砂石、土壤、工业废渣等干式充填材 不受损害，适应了合理开发和充分利用地下资源，延长濒临破产的 料，按照规定的块度组成对所提供的物料进行破碎、筛分和混合，用 煤炭企业寿命的趋势，因而受到矿山企业的普遍认同。 人力、重力或机械设备经地面运输和井下阶段水平运输到达充填井 ３国内外研究现状及应用实例 或采空区，进行溜放或贮存充填，形成可压缩松散充填体的开采技 ３．１国外充填开采现状 术脚。干式充填系统是采集、加工、贮存和向采空区输送和堆放干式 十九世纪末，西德最早开始进行建筑物下采煤的研究工作，成 充填材料的设备、设施、井巷工程和构筑物的综合。 功地在埃森、帕哈姆、霍姆贝格等城市下采煤。当时在一般建筑物下 使用于式充填采矿法回采作业时，为了把采下矿石与其下面的 采用人工充填采煤法，在重要建筑物下采用水力充填，充填材料为 充填材料隔开，其问需要有一层隔离材料，以减少采矿损失和贫化。 炉渣或经破碎的矸石，从而大大减小了地表的移动和变形值 。 此种材料应具备强度高、成本低及可重复使用等特点。干式充填系 波兰、前苏联、英国等欧洲主要采煤国家在２０世纪５０年代开 统的作业环节多，充填能力低，粉尘大，充填体不够致密，但投资少， 始应用充填开采法进行建筑物尤其是城镇下压煤，取得了较为丰富 除小型矿山或处理采空区外，一般很少使用干式充填系统。 的实践经验。国外使用的充填材料通常是河砂、煤矸石和电厂粉煤 ２．２水力充填 灰，在发展的初期，主要通过自重和手工充填，以后发展了水力、风 水力充填是以水为输送介质，利用自然压头或泵压，从制备站 力充填方式，其中，水力充填应用最多，效果也最好。波兰在城镇和 沿管道或管道相连接的钻孔，将矸石、河砂、破碎砂、尾砂或水淬炉 工业建筑物下采煤时，采用以水力充填为主的充填法开采煤量占其 渣等水力充填材料输送和充填到采空区的充填技术［３１。充填时，使充 全国建筑物下总采煤量８０％左右，如成功开采了卡托维兹、贝托姆 填体脱水，对其施加外力，输送的距离近的可到几十米，远的可到达 等城市下的煤炭资源，采出率为４５．８％ ６０％，地表下沉系数仅为 几千米，并通过排水设施将水排出。水力充填的基本设施包括分级 ０．００９～０．０３６ｔ６１。 脱泥设备、砂仓、砂浆制备设施、输送管道、采场脱水设施以及井下 水力充填开采首次应用到煤矿开采是在美国宾夕法尼亚进行 排水和排泥设施。管道水力输送和充填管道是水力充填最重要的工 的。随后，美国和加拿大开发了基于采用选厂分级尾矿进行水力充 艺和设施，砂浆在管道中流动的阻力靠砂浆柱自然压头或砂浆泵产 填的充填工艺，在悬浮液输送固体物料、水力旋流器脱泥等方面取 生管道输送压力克服，选择输送管道直径时，需要先按充填能力、砂 得了进步，实现了低浓度０５％～７０％）泵压或自流输送的水力充填采 浆的浓度和形态算出砂浆的临界流速、合理流速和水力坡度等。 矿。 一般情况下，水力充填材料是脱泥尾砂或天然砂，充填料浆的 膏体胶结充填技术是１９７９年德国在格伦德铅锌矿首先发展起 固体质量浓度低于７Ｏ％（多数为６０％～６８％），以自流输送未主，当充 来的，目的是为了克服金属矿山普通质量浓度，甚至高质量浓度尾 填倍线较小时也使用料泵输送。该充填系统的特点在于成本低，输 砂充填存在泌水，需要建立复杂的隔排水系统等问题。１９９１年德国 送效率高，而且不受地形和季节的影响，不会对环境造成影响。经过 将这一技术应用到了煤矿充填开采领域。澳大利亚于１９９７年将膏 ３０多年的实践和发展，水力充填现在已经成为一种较成熟的技术， 体充填开采应用于卡宁顿矿，其他如美国、南非、瑞典也投入大量的 作者简介：李俊（１９８４一），男，机械工程师，工学学士，浙江临海，主要从事煤炭机械方面研究。 ・４４・ 科技论坛 人力物力研究膏体充填技术。 体废料，减少固体污染。ｂ．深化充填理论研究，量化充填介质特性、 ３．２国内充填开采现状 充填参数对于地表沉降的关系，同时进行部分充填与可控性下沉的 我国的充填技术经历了从干式充填到水力充填，从分级尾砂、 理论研究，在减少充填材料消耗的同时，尽可能降低充填工艺对回 块石、全尾砂充填到膏体泵送胶结充填的发展过程。我国煤矿数量 采的影响，并使地表下沉在合理的范围内，为充填设计提供理论指 多，开发与应用的充填工艺与技术类型多，尤其是近十余年来，在新 导。ｃ．进行充填装备，包括输送机、充填支架的研发技术攻关。ｄ．长壁 的充填技术的研究开发和推广应用方面均取得了长足的进步。 连续充填将是充填的发展趋势，在小块段煤柱，小型煤矿可使用巷 我国自１９６７年开始应用充填条带法开采“三下”压煤以来，先 柱式充填。 后在全国１０多个省、１００多个条带工作面进行了条带开采，如抚 ５结论 顺、阜新、蛟河、峰峰、淄博、鹤壁、平顶山、焦作、郑州、枣庄、徐州等 煤矿充填开采技术是开采“三下”压煤的根本途径，是提高煤矿 多个矿区都曾进行了建筑物下压煤的条带开采实践，取得了丰富研 开采安全可靠性的一项性举措，在我国煤矿开采中具有强大的 究成果和实际观测资料。 生命力和广阔的应用前景。不仅可以解决“三下”压煤开采问题，还 １９６４～１９６７年，煤炭部建筑物下采煤工作组在抚顺矿务局胜利 为煤矸石、粉煤灰、城市固体垃圾等废弃物开辟了新的处理途径，有 矿采用伪倾斜上行水砂充填长壁采煤法在５０９采区成功地开采了 效地推进了煤矿绿色开采技术的发展，具有深远的经济意义和社会 车辆修理厂工业厂房下１０３万ｔ保护煤柱，水砂充填材料主要由 意义。 ７０％的废油母页岩和３０％的河砂组成。之后该矿又采用伪倾斜上行 参考文献 水砂充填条带采煤法在５１０采区成功地开采了大型石油炼制厂下 ［１］徐法奎，李凤明．我国“三下”压煤及开采中若干问题浅析［Ｊ］．煤 保护煤柱，保证了石油炼制厂正常生产。继抚顺矿务局之后，新汶矿 炭经济研究，２００５（５）：２６—２７． 务局孙村、良庄、协庄等矿也曾经试验水砂充填。 ［２】王有俊．矸石直接充填及其效益分析ｆＪ１．辽宁工程技术大学学报， １９９０年兖州矿务局与中国矿业大学合作，在北宿煤矿吴管庄 ２００３，２２（８）：７０－７ １． 进行了薄煤层双对拉工作面联合开采试验，由四个工作面协调开 ［３】蔡嗣经．充填采矿技术的应用现状及发展方向［Ｊ］．国外金属矿 采，形成倾斜长４５０ ｍ的均匀移动边界，沿走向长推进 山．１９９８（６）：２５－３２． １１００—１５００ｍ，使吴管庄村全部房屋一次性落人充分采动范围之内， ［４Ｊ周爱民．矿山充填技术的发展及其新概念【Ｊ］．第四届全国充填采矿 有效地保护了村庄安全，开采过程中房屋Ⅱ级破坏率只占４．９％。 技术研讨会，１９９９，９． １９９７年邢台煤矿为了延长矿井的服务年限，研发了“安全高效 ［５】周国铨，崔继宪，刘广容等．建筑物下采煤［Ｍ】．北京：北京煤炭工业 ４３—４５． 高回收率综合机械化固体充填采煤技术”，即将地面矸石与粉煤灰 出版社．１９８３：混合后通过投料钻孔投放到井下，并采用胶带输送机将其运送到充 ［６侗爱民．基于工业生态学的矿山充填模式与技术【Ｄ】．长沙：中南大 填开采工作面的采空区，通过研制矸石与粉煤灰自夯式充填开采液 学，２００４（５）：５—８． 压支架、充填开采输送机等配套设备实现矸石与粉煤灰的采空区充 ［７】钱呜高，缪协兴，许家林等．岩层控制的关键理论【Ｍ］．北京：中国 填。 矿业大学出版社，２０００：１１２—１４５． ２０世纪末，中国矿业大学钱鸣高院士等把在采场上覆岩层中 ［８ 建保，齐胜春，王占川．太平煤矿膏体绿色充填开采技术实践 存在着多层岩层时，对岩体活动全部或局部起控制作用的岩层称为 ［Ｊ］．山东煤炭科技，２００９（３）：２３—２４． 关键层，提出了关键层理论，为“三下”采煤覆岩控制提供了理论指 『９］－￣－占川，周建保，于利等．太平煤矿综采充填工作面充填回采实 导，该理论在沛城煤矿城市下条带开采设计得到了成功应用 。 践［Ｊ】．山东煤炭科技，２００９（３）：２—３． ２００４年济宁矿业集团太平煤矿与清华大学、中国矿业大学（ｉｆｇ ［１０】朱秀梅．充填技术在采矿实践中的前景探究［Ｊ］．矿山天地，２０１０ 京）合作开展似膏体充填采煤技术研究 ，基本方案是将太平煤矿 （６）：２４５． ｜＼ ３＃煤层分四层由下而上开采，在地面用泗河砂、粉煤灰、专用胶结 ［１１】惠功领．我国煤矿充填开采技术现状与发展 煤炭工程，２０１０ 料和水配制成重量浓度为７５—８０％的充填料浆，通过管道泵送到井 （２）：２１－２３． 下，紧随回采工作面后方及时充填全部采空区，控制地表采动沉陷， ［１２】刘志钧．煤矸石似膏体充填开采技术研究ｆＪ１＿煤Ｋ－ｘ－￣，２０１０（３）： ２９—３】． 实现不迁村采煤。 ２００６年峰峰集团与中国矿业大学、徐州中矿大贝克福尔科技 有限公司合作，在小屯矿开展矸石膏体充填不迁村开采南旺村保护 煤柱的研究与试验＿】Ｏｌ，研究得出了以新型膏体胶结料作固化剂、泵 压管道输送、专用充填液压支架隔离充填工艺为核心的厚煤层矸石 膏体充填综合机械化开采技术，开发了新型膏体胶结料做固化剂， 采用综合机械化开采，并研制专门的充填支架，提高了工作面的充 填和采煤效率。 ２００７年山东新汶矿业集团孙村煤矿采用仰斜膏体充填开采技 术开采２１１０１工作面…，１２］，利用“两采一充、见五回一”开采方式，使 工作面月产原煤达到１．２万ｔ以上，月消耗煤矸石１万ｔ以上，实现 了膏体充填开采的新突破。 ２０１０年冀中能源股份有限公司与三一重型装备有限公司合 作，针对东庞矿“三下”压煤的问题，专门开发研制了膏体胶结充填 开采设备，即将投入运营。 ４“三下”压煤充填开采展望 充填开采技术消除了传统的采空区，可以安全地开采“三下”压 煤资源，解决采空区瓦斯超限的安全问题，同时能处理大量的矸石 和城市垃圾，大大缓解传统采空区带来的应力集中问题。随着可持 续发展战略的需要，“ｊ下”压煤充填开采的意义不仅局限于充分利 用煤炭资源，还展示出了环境保护等方面的社会意义。 充填开采技术的发展方向：ａ．研发充填材料，尽可能利用矿井固
