建下开采技术：矸石“变”乌金
近日，笔者来到冀中能源金牛股份邢台矿机修厂的一座具有四十年历史的大型厂房前，砖瓦结构的墙壁被粉刷得整整齐齐，厂房内机器轰鸣，一派繁忙景象。如果不是工程技术人员的介绍，真难以想象，这座厂房地下仅300多米处就是该矿第一个综合机械化采后矸石充填的“7606工作面”。采面早已结束，而地面不塌陷，建筑毫发无损，车间工作如常。这一切就是金牛股份公司首创的综合机械化工作面采后矸石充填技术所创造的奇迹。
一个令人头痛的问题
建筑物下采煤，是一个世界性难题，更是煤炭企业不得不面对的事关生存发展的大问题。特别是在我国东部平原地区，煤田上经常是大大小小的村庄、阡陌纵横的良田、四通八达的交通网。煤炭采出后，往往会引发地面塌陷，造成村庄建筑毁坏，道路损毁，良田无法耕种，生态环境遭到不同程度的破坏。为了避免破坏，煤炭企业只能望而却步，致使大量煤炭资源呆滞。到目前为止，全国仅建筑物下压煤就达78.2亿吨。金牛股份公司同样存在着建筑物下压覆大量煤炭资源的问题，该公司邢台矿井田处于人口密度较高的邢台市近郊，地面村庄和公路较多，而在这下面却埋压着5800万吨优质煤炭，弃之不采非常可惜。为了解放这些呆滞资源，针对“建下”压煤，各大煤炭企业探索了多种开采方法和途径，陆续形成了水沙充填开采、巷道充填式开采等一系列方法，但都因生产效率低、生产成本高、充填密度不够等因素没有得到规模应用，特别是适合大型综合机械化采煤的长壁高效机械化充填开采技术一直是个难解之谜。
建筑物下压煤让企业作难，而矿山企业开采中形成的矸石山，也让政府头痛。矿山企业地下开采，形成大量的采空区，造成地面塌陷、土地损毁等多种生态环境破坏。矸石是我国排放量最大的工业废物，约占我国工业固体废物的四分之一。有资料显示，全国历年累计堆存的煤矸石约36亿吨，规模较大的矸石山约 2600座，占地1.2万公顷。长期在地面露天堆放，矸石产生的粉尘和自燃时产生的有害气体对大气造成的污染相当严重。与大多数煤炭企业一样，金牛股份公司邢台矿目前矸石山的堆积量达到380万吨以上。加上洗煤厂、矸石热电厂每年30万立方的洗矸废渣和37万立方的粉煤灰难以消化，给矿区周围环境造成不同程度的污染。
为此，致力于科技创新兴企的金牛股份公司，下决心在破解这一世界性难题上闯出一条新路，通过技术创新，改变煤炭开采工艺，寻求既能解放煤炭资源，又不再污染环境的两全齐美之策。
一次革命性的尝试
建下埋压的资源不能采，采煤后地表就会塌陷，企业很发愁；矸石山长期露天存放，释放有害气体，污染环境，政府很担心。能不能找到一种方法，把煤炭采出来，再把地面固体废弃物回填进去，既减少对环境的污染，又防止地面塌陷？
对于建下采煤技术的研究，多年来许多煤企投入了大量精力，但终因综合效益不理想，没有实质性突破。金牛股份全力挺进建下采煤这一禁区，可谓是一次革命性的尝试。但必须解决的问题一个也不能少：一是建筑物下采煤后，特别是综合机械化采煤，采空区面积大，影响广，要保证地表不塌陷，基本方法就是采后充填，怎么填？用什么来填？哪种填充物综合效益最好？二是综合机械化采煤，回采速度较快，固体物充填必须与采煤速度同步，如果不能实现边出煤边充填，就具备不了大规模生产的需求，难以在实际生产中应用。三是充填后的密实程度必须足以支撑顶板不下沉，如果充填不密实，达不到支撑效果，地表就会沉陷，整个工作都将功亏一篑。
2008年，带着这些问题，金牛股份公司建下充填开采技术项目在邢台矿正式启动。为确保技术的可靠性，公司联手中国矿业大学进行攻关。经过科学论证和权衡利弊得失，他们选择了矸石粉煤灰固体充填为基本方式，以位于工业广场下的7606工作面为首个充填试验工作面，公司为此专门抽调相关专业技术人员，全力开展技术攻关。
在近一年的研究实践中，他们先后解决了大面积控顶顶板管理困难、垂直投料对设备冲击过大、投料管和渣仓易堵塞等技术难题，设计制造了采煤充填两用液压支架。围绕充填过程中的物料配比、储藏运输、采后填充、快速捣实、在线监测等环节，不断优化工艺流程，抓住顶板不垮落、不下沉这个关键目标，改变原来的先出煤、后充填、再捣实的分步作业方式，形成了回采、充填、捣实的“三同时”作业流程。其中充填工作面所用的关键设备多为自主研制而成，很好地满足了采面高效生产的需求。7606工作面回采完毕后，其充填量、充实率、顶板变形控制等技术参数均达到了设计要求，从地面变形、工作面压力、工作面两巷压力、充填体压力、上覆岩层、工作面钻孔窥视情况等六个方面的在线动态监测数据表明，170余个观测点均未发现异常，地面建筑物完好无损。充填速度的加快减小了对采煤效率的影响，工作面由试验初期的月产原煤1万多吨，逐步提高到月产5万吨以上的水平。走出了一条工艺先进、管理科学、安全可靠、效益提高的充填采煤新路子，形成了一批具有自主知识产权的技术成果，标志着该公司首创的建下开采固体充填成套技术取得了巨大成功，并形成了三大特色，一是独创了具备采煤与充填功能的两用液压支架，实现了边采煤边充填；二是独创了充填物捣实机构，实现了边充填边捣实，保证了采后充填物的密实度；三是独创了投料防冲击装置，可避免充填物在由井上向井下运输过程对管道的巨大冲击和破坏。
两全齐美之举
金牛股份公司独特的综合机械化工作面采后矸石充填技术，简单地说就是利用矸石、粉煤灰等固体废弃物，混合后添加粘结料，投放到井下，对综采支架后方的采空区进行充填，以体积换体积，把煤炭资源置换出来。该工艺不但可以解放呆滞煤炭资源，而且还解决了矸石与粉煤灰地面排放造成的环境污染问题，具有深远的社会效益和经济效益，可谓两全齐美之举。原来令人讨厌的煤矸石，摇身一变换回了滚滚乌金。
金牛股份邢台矿最早从中受益，该技术的成功应用将帮助他们解放建下压煤2000多万吨，结合防治水技术，还可对下组煤2000多万吨实施回采。以该矿现有生产能力计算，将延长矿井寿命20多年。与此同时，每年还将吃掉矸石和粉煤灰60多万吨。对此，河北省政府国资委副主任刘清芳在邢台矿调研时给予了高度评价，他说，该技术对于保护生态环境，建设绿色矿山，发展循环经济，打造和谐矿区都具有十分重大的意义。
该技术一经试验成功，即产生了巨大的蝴蝶效应。冀中能源集团所辖矿井均不同程度存在村庄建筑物压煤问题。充填实验成功后，他们当即在全集团公司进行推广，由此将解放呆滞煤量8亿吨，相当于找到了一个大煤田，并逐步吃掉一座座矸石山。该技术的成功运用，还受到煤炭行业的高度关注和浓厚兴趣，山东新汶矿业集团、山西霍州煤矿集团、安徽淮北矿业集团等煤炭同行前来参观学习。到目前，该公司已接待前来参观学习这项技术的单位、团体16批260余人。
在中国煤炭工业协会组织专家对这项建下采煤技术进行鉴定时，与会的钱鸣高院士认为，该技术可以有效地解决矸石与粉煤灰的地面排放造成的环境污染与破坏等问题；减轻地表沉陷带来的生态破坏等问题，达到了国际领先水平，是矿山开采中保护生态环境的有效方法，对于解放我国东部地区建筑物下压煤具有重大意义
使用微信“扫一扫”功能添加“谷腾环保网”
