充填開采 可不是只加道工序那么簡單

編者按：

為促進企業(yè)成為技術(shù)創(chuàng)新主體，國家選擇在一部分煤炭企業(yè)內(nèi)建立國家重點實驗室。這些實驗室根據(jù)企業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新能力和資源稟賦，確立了不同的研究方向，攻克了很多技術(shù)難題。其諸多研究代表著未來行業(yè)的發(fā)展方向。從本期起，我們將走進部分國家重點實驗室，為大家介紹他們的最新成果，希望對更多企業(yè)有所幫助。

國家能源充填采煤技術(shù)重點實驗室簡介

國家能源充填采煤技術(shù)重點實驗室于2013年2月6日經(jīng)國家能源局批準成立，由冀中能源集團出資并聯(lián)合中煤科工集團、中國礦業(yè)大學(xué)（北京）共同建設(shè)，位于河北省邢臺市，是國家能源局在充填開采技術(shù)領(lǐng)域設(shè)立的唯一綜合性研發(fā)平臺。

主要研究五個方向：充填采煤巖層移動控制理論研究，綜合機械化充填采煤關(guān)鍵技術(shù)研究，高效率、綠色環(huán)保充填材料研究，煤礦充填采煤技術(shù)工藝研究，充填采煤裝備設(shè)計研究。

實驗室技術(shù)研究基地設(shè)立于河北煤炭科學(xué)研究院，已建成矸石粉煤灰固體充填、矸石粉煤灰膏體充填、似膏體充填、高水材料充填技術(shù)研究示范基地和充填裝備研究制造基地，擁有研究試驗與廠區(qū)12萬平方米，技術(shù)開發(fā)設(shè)備儀器近千臺（套），技術(shù)開發(fā)設(shè)備原值1.55億元。未來兩年，冀中能源集團將在重點實驗室科研儀器和設(shè)備方面再投資1.6億元，力爭將充填采煤技術(shù)重點實驗室建成國際先進、國內(nèi)一流的科技平臺。

日前，筆者來到河北冀中能源集團的國家能源充填采煤技術(shù)重點實驗室。

在充填材料研究所，筆者看到，工作人員正在對充填材料進行抗壓試驗。

“別小瞧這么一塊冰糕大小的灰色固體，這是進行高水充填時兩種漿液配比混合后形成的充填材料，實驗證明，這種材料完全可以充填到采空區(qū)，起到支撐頂板抑制地表沉降的作用。”實驗室技術(shù)人員趙利濤說。

各種材料的充填嘗試

在國家能源充填采煤技術(shù)重點實驗室，筆者正巧碰到前來參觀學(xué)習(xí)的印度國家礦山安全局一行人員。

“國外同行前來參觀已經(jīng)不是第一次了。”實驗室技術(shù)人員李宗超介紹，綜合機械化充填采煤技術(shù)已在冀中能源集團十幾座礦井，以及山東、山西、河南、安徽等省煤礦推廣應(yīng)用。

不僅如此，實驗室還成功開發(fā)出固體矸石充填、矸石膏體充填、矸石似膏體充填、超高水材料充填等一系列適應(yīng)不同地質(zhì)條件、不同材料需求的成套充填采煤關(guān)鍵技術(shù)，先后吸引了美國、波蘭、印度、澳大利亞、越南等國家和國內(nèi)煤炭企業(yè)100多個團隊前來參觀學(xué)習(xí)。

傳統(tǒng)采煤方式會造成地表沉降等，而充填則能有效避免這種生態(tài)擾動。

冀中能源股份公司邢東礦運用井下巷道矸石充填技術(shù)，通過井下掘進巷道，把矸石拋運到巷道充填，讓矸石“消化”在地下。截至2013年底，該礦運用這項技術(shù)掘進充填巷道19661米，充填矸石38.04萬立方米，置換煤炭60.16萬噸。

在工作面，邢東礦采用超高水充填技術(shù)，充填開采能力已達到月產(chǎn)5萬噸以上，截至目前已累計產(chǎn)煤45.5萬噸。

如今的邢東礦環(huán)境優(yōu)美，像個“綠色氧吧”。被河北省授予的首批工業(yè)示范旅游景點，冀中能源集團包括邢東礦在內(nèi)就占三家。

同屬冀中能源股份公司的邢臺礦利用矸石粉煤灰充填開采技術(shù)，把洗煤廠的洗矸和電廠的粉煤灰全部充填到井下采空區(qū)，不僅不再外排任何固體廢棄物，而且在5個工作面采出優(yōu)質(zhì)煤炭共計110萬噸。

對工藝進行流程再造，讓生態(tài)可控

實驗室技術(shù)人員趙家巍說，充填開采并不是簡單增加了一道工序，也不是單獨形成一套新的系統(tǒng)，而是與現(xiàn)有采煤工藝相結(jié)合，對工藝流程進行再造。

實現(xiàn)末端效果，就要從源頭開始對各個生產(chǎn)流程進行一系列改變。

“過去井下采煤只管采，采空區(qū)自然垮落，如今采煤與充填要同步進行；過去只考核出煤量，如今要以充定產(chǎn)，考核采空區(qū)的充填量和充采比。”趙家巍說，“工作面的兩條巷道要輸送充填料，就連工作面的支架，也要重新設(shè)計制作。”

這種新的采煤工藝流程既要安全高效，又要嚴格控制巖層移動。實驗室科研人員將其總結(jié)為“安全高效的采煤技術(shù)+安全高效的充填技術(shù)+極其廉價的充填物+區(qū)域環(huán)境治理+保護控制對象”。

跟隨趙家巍，筆者來到了相似模擬實驗平臺前。

筆者看到，高2米、長6米的綜采剖面模型上密密麻麻布滿了100多個點，每個點都能模擬反應(yīng)井下充填后的實際情況。

“通過這個相似模擬實驗平臺，我們在設(shè)計井下開采的同時，還根據(jù)水文地質(zhì)條件、地面實際狀況，制定充填方案，對充填礦井進行實時監(jiān)測，提高采出率，還可以一并設(shè)計地面生態(tài)面貌，使礦區(qū)生態(tài)可控成為可能。”趙家巍說。

不只把煤炭看做資源

不久前，邢臺礦正式開采國內(nèi)首個充填體下的充填面，這個工作面的頂分層采用了充填開采工藝，如今底分層也將采用充填開采技術(shù)進行回采。

“矸石粉煤灰沒有了，礦區(qū)環(huán)境變美了。”趙利濤充滿信心。

國家能源充填采煤技術(shù)重點實驗室提出的低碳運行生態(tài)礦山建設(shè)，是要建立一個新的理論體系。就是在煤炭開采的過程中，不只把煤炭看做資源，要把空氣、土地、地下水、周圍環(huán)境等與煤炭相關(guān)，構(gòu)成環(huán)境生態(tài)的各種因素，都當(dāng)作是一種重要的資源，做到科學(xué)開發(fā)、綜合利用。

“依托科技創(chuàng)新，建設(shè)綠色生態(tài)礦山是可以實現(xiàn)的。”實驗室主任劉建功始終深信不疑，“我們的科技攻關(guān)理念，就是按照礦山不同的生態(tài)、資源和人文環(huán)境，制定不同的生態(tài)礦山建設(shè)模式，指導(dǎo)礦山的設(shè)計與生產(chǎn)，把生態(tài)礦山技術(shù)創(chuàng)新集成地嵌入生產(chǎn)過程中，使礦山在設(shè)計和生產(chǎn)過程中就形成生態(tài)礦山運行機制，在采礦活動結(jié)束后通過最小的末端治理，使礦山工程與生態(tài)環(huán)境融為一體。”

目前，冀中能源集團已擁有占地12萬平方米的矸石粉煤灰固體充填、矸石粉煤灰膏體充填、似膏體充填、高水充填材料研究示范基地和充填裝備研究制造基地。

重點實驗室成立后，一大批專家、高素質(zhì)技術(shù)人才也相繼加入。

?鏈接

◆固體充填采煤技術(shù)：冀中能源邢臺礦成功應(yīng)用綜合機械化矸石固體推壓密實充填采煤技術(shù)，開采“三下”壓煤180萬噸，噸煤充填成本控制在30元左右，觀測地表最大沉陷量為97毫米，根據(jù)現(xiàn)場實際測量不同觀測點的墻體裂縫，出現(xiàn)的裂縫寬度均小于2毫米，符合國家I級破壞范圍。

◆膏體充填采煤技術(shù)：冀中能源小屯礦成功應(yīng)用膏體充填采煤技術(shù)，實現(xiàn)村莊下安全采煤150余萬噸，多回收煤炭93.1萬噸，創(chuàng)造直接經(jīng)濟效益近1.98億元，延長了礦井的服務(wù)年限。

◆高固水充填采煤技術(shù)：冀中能源邢東礦成功應(yīng)用巷道矸石充填采煤法，建成了全國第一個沒有矸石山的礦井，并在千米深井4.5米至5.0米厚煤層成功應(yīng)用超高水充填技術(shù)，充填工藝及防治堵管技術(shù)可實現(xiàn)全年連續(xù)無影響充填。根據(jù)地表沉陷觀測，邢東礦超高水充填工作面地表沉陷量不超過20毫米，村莊居住房屋正常使用沒有觀測到裂隙。