1 国内充填开采现状

进入21世纪以来，随着煤炭价格的回升、资源量的减少以及环保意识的增强，最近几年充填开采在我国煤矿又逐步开展起来，在山东、河北、河南等村庄稠密的中东部矿区，已有10余个矿井应用了多种充填方式开采煤柱。按照所用充填材料的分类，主要有膏体充填和原矸石直接充填两大类。而按照采煤工艺、充填工艺和设备等分类，又分为综采工作面综采支架后膏体充填、高档普采工作面膏体充填、综采工作面综采支架后刮板运输机矸石充填、高档普采工作面抛矸机矸石充填、履带自行式或简易抛矸机巷道充填等多种方式。

所谓膏体充填，是一种胶结充填技术，是将骨料、惰性材料、胶凝材料与水混合，搅拌加工成为具有良好稳定性、流动性和可塑性的牙膏状胶结体（膏体），在重力或泵压作用下，以柱塞流的形态输送到采空区完成充填作业的过程。膏体充填的骨料是粉碎的煤矸石，占70%左右，矸石粒度一般小于25mm；添加的惰性材料为水泥、粉煤灰，一般占25%左右；胶凝材料是一种化学材料，占5%左右。膏体充填具有5个方面的优点：充填体压缩率最低，减沉效果最好；煤炭采出率高，适用范围广；充填体密实并有一定的抗压强度，采空区无明显漏风，十分有利于防治采空区自燃发火；输送管道占据空间小，布置方便，管道输送效率高；充填材料不沉淀、不泌水、不离析，管道输送可靠。缺点是初期投资大，充填成本高。

所谓原矸石直接充填，就是把地面堆积或井下新出的矸石，不经过任何处理（或仅对大块矸石进行粉碎），通过矿车、胶带或刮板输送机输送到采空区直接进行充填的方式。原矸石直接充填具有3个方面的优点：充填工艺和系统简单，易操作；充填效率高，对采煤干扰小；充填系统简单，初期投资小，充填成本低。缺点是充填颗粒物空隙率高，压缩率大。

2 大同矿区煤柱特点及矸石山现状

2.1 煤柱特点

根据对大同矿区各矿煤柱情况的调查、分析，有如下特点：

（1）量大、面广、储量丰富 15个矿共有各类煤柱197个，仅侏罗系压煤量近650Mt，涉及村庄、铁路、河流、工业场地、井筒、矿界、大巷等方面。

（2）开采难度越来越大 由于长期忽视煤柱的开采，以致煤柱周围开采系统相继报废，煤柱成为“孤岛”，开采难度越来越大，煤柱储量成为永久呆滞煤量或被小煤窑穿采、侵蚀。统计表明，现在有系统和将来可建系统能够开采的煤柱储量占矿区煤柱总储量的41.82%；现已无系统、开采困难（包括薄煤层）和因其它原因不能开采的煤柱储量已占煤柱总储量的33.87%；小煤窑越界穿采、侵蚀开采情况不明，资料不全等占24.31%。

（3）煤柱赋存情况多种多样 埋藏深度变化大：埋藏深度浅的只有20m，埋藏深度大的达到380m，一般为100～250m；压煤层数变化大：少数煤柱压煤只有1层，层数多者达到19层，多数煤柱压煤3～8层；储量变化大：有的煤柱单层压煤量只有3kt，而多者达到5.709Mt，单个煤柱（多层煤）压煤量少的只有0.152Mt，多者达到28.095Mt；煤层间距小：最小的只有3.5m，一般为15～30m。

2.2 矸石山现状

根据统计，大同矿区15座直属矿井共有37座矸石山，占地总面积331.5hm²，堆存矸石97.8234Mt，每年新出矸石10.5671Mt。

3 大同矿区煤柱充填开采的必要性和可行性

3.1 必要性

目前，我国村庄、铁路、河流等煤柱，主要开采方法是条带法和充填法。

条带法开采，采出条带宽度、留设煤柱宽度和采出率，受煤层的开采厚度、采深、煤层上覆岩层的厚度和岩性等多方面因素制约。采出条带的宽度应小于1/3的采深，一般为采深的1/4～1/10，采出率一般为50%左右。

大同矿区各矿煤柱普遍埋藏浅、煤层多，在这种条件下采用条带法开采，单层煤采出率小于50%，多层煤（一般只能采出2～3层）采出率小于30%，相对于整个煤柱的压煤量而言，总采出率是很低的，大量煤炭资源仍然不能采出。

另外，旧矸石山的治理和新矸石的排放成为大同矿区各矿的难题。大量矸石露天存放，破坏环境，污染空气，威胁人类健康。在环保意识逐渐增强的今天，逐渐背离国家和社会的要求。

统计表明，矸石山平均每万平方米的容矸量为300kt，按每年新出矸石10.5671Mt计算，则每年新占土地35.22hm²。如采取覆土治理措施，以土厚0.5m计，每年用土1.761×10⁵m³。大同矿区本身就是山多地少、土层较薄、植被稀疏、生态脆弱的地方，每年大量取土治理矸石山、新占土地，对环境的破坏相当严重。

因此，采用充填方法开采，既可以提高资源采出率，延长矿井服务年限，增加煤矿企业经济效益，又消纳矸石，节约土地，节省治理费，改善环节，一举多得。所以，在大同矿区各井应用充填法开采煤柱，有其必要性。

3.2 可行性

充填法开采，一般受3个因素制约：充填材料、充填成本和煤层赋存条件。首先，充填材料是主要因素。在华东多数矿区，充填法开采主要是受充填材料不足的困扰，只能根据矸石量安排采煤能力和进度。大同矿区地面有97.8234Mt矸石存量，每年新出矸石10.5671Mt，充足的矸石能够保证充填开采持久进行。

其次，充填成本也是一个重要因素。根据新汶、枣庄、淄博、邢台、邯郸及焦作等矿区对充填开采的经济核算，一般膏体充填开采的成本增加约70元/t，原矸石充填开采的成本增加约30元/t，这在大同矿区是可以接受的，经济上是合理的。

第三，大同矿区煤层顶板为坚硬顶板，不易垮落或垮落步距较大，这无疑为充填作业提供了充裕的空间和时间，是充填开采的有利条件。

所以，在大同矿区各矿应用充填法开采煤柱，从充填材料、充填成本和煤层赋存条件等方面是可行的。

4 充填方法分析与选择

充填开采的目的有3个：以支撑煤层顶板、减小地面下沉和变形、保护地面受护体；矸石不出井、减少矸石占地、减小环境污染；消纳地面矸石山、减少矸石占地、减小环境污染。

根据前面的分析，大同矿区各矿煤柱类型多样，埋深、层数、压煤量等差别较大，应该根据各煤柱情况、充填目的等选择合适的充填开采方法。

（1）综采工作面综采支架后膏体充填 充填工艺与设备为：矸石粉碎机→搅拌站→管道系统→专用充填支架→采空区。

充填泵为德国普茨迈斯特公司制造的KOS 25100 HP型充填泵；充填管道采用双层耐磨金属管，外层为Q345号的F 219mm?10mm规格无缝钢管，耐磨层厚度为8mm，内径为183mm。工作面膏体充填液压支架型号为ZC3800/15.5/28.5。

充填系统设备多，初期充填系统建设约5000万元，材料是运行成本的主要部分，充填总成本约70元/t。

（2）高档普采工作面膏体充填 与第（1）种充填法相比，充填系统少一套专用充填支架，多一套单体支护设备；运行期间材料成本相同，总成本稍低。回采和充填工作面可布置为如图1所示的方式。由于工作面和井下充填设备搬家灵活方便，工作面长度可长可短，对于储量较大、层数多、埋藏深度适中（小于150～250m）、面积较大、可以布置为长（或短）壁工作面的煤柱，可以采用该方法。大同矿区各矿多数煤柱可以用这种方法开采。

图1  高档普采工作面膏体充填布置方式示意图

（3）综采工作面矸石充填 塔山矿矸石产量大、处理困难，以处理井下矸石（矸石不出井）为目的，不追求充满率和充填效果，可以采用该方法。在井下设置煤矸分离设备，分离后的矸石由矸石运输系统（一般为皮带输送机）输送至综采工作面充填支架后方悬挂的刮板机充填到采空区。矸石充填支架和充填支架后方矸石如图2所示。

图2  综采矸石充填支架和架后矸石体

（4）高档普采工作面矸石充填 充填系统为地面矸石山或井下矸石转载点→巷道胶带输送机→充填工作面抛矸机→采空区。充填系统简单、设备少，初期投入少，成本低，工作面和井下充填设备搬家灵活方便。对于储量较小、层数较少、埋藏较浅、可以布置短壁工作面的煤柱，宜采用该方法。

工作面下平巷运煤，上平巷运矸，工作面铺设一部运煤溜子和一部矸石充填高速动力抛矸机，运煤溜子随工作面推进前移，充填高速动力抛矸机（小型快速皮带，带速7.5m/s）随充填随缩短。从切眼起，工作面采用见七充四控顶方式，每推进4m进行1次矸石充填，按充填量确定推采时间。在矸石充填完毕前，工作面推采4m，以实现间断开采，连续充填。工作面单体液压支柱配金属铰接顶梁支护顶板，排距1.0m，柱距0.8m。

（5）履带自行式或简易抛矸机巷道充填 这种方法一般用于巷式充填，充填地点是煤巷迎头。所需设备少，系统简单，初期投入小，成本低。对于储量小、层数少、埋藏极浅、地面有河流、不能布置短壁工作面只能用巷式开采的煤柱，可以采用该方法。

4 结束语

（1）大同矿区煤柱具有埋藏浅、煤层多、层间距小、第四系薄等不利因素；地面又积存有大量矸石，存放比较困难，开展充填开采很有必要，既提高了采出率，又消纳矸石和粉煤灰。

（2）大同矿区各矿地面积存有大量矸石，充填材料充足；煤层顶板坚硬不易垮落，充填作业的时间和空间条件便利，在全国各矿区中，是开展充填少有的的有利条件。

（3）根据国内其它矿区目前应用充填开采的实践经验，在大同矿区开展多种方式的充填开采，技术上是可行的。虽增加了一定的充填成本，但总体经济效益是合理的。

（4）大同矿区各矿应积极开展充填开采研究，加大充填开采推广力度，尤其是新建矿井和石炭系延深矿井应进行“三下”压煤统一开采规划和矸石回填系统设计，在矿井设计初期，应完成矸石回填系统设计。

（5）大同矿区应制定一个15～20a的充填开采规划，有关矿建立一个年产600kt左右的充填开采采煤区队，则基本能采完煤柱所压的能够开采的部分资源，消纳新产的矸石和部分旧矸石。