煤矿短充长采科学开采模式研究.pdf

第 卷第 期煤 炭 科 学 技 术 年 月 特约报道 祁和刚上海人教授级高级工程师中国矿业大学兼职教授现任中国中煤能源集团 有限公司总工程师、副总裁国源时代煤炭资产管理公司专家董事 兼任中国煤炭学会副 理事长煤炭工业井工开采委员会副主任国家安全生产专家中央企业安全生产专家 祁和刚同志长期致力于采矿工程研究与技术管理历任煤矿技术员、工程师、副总 工程师、矿长、局总工、集团总工、研究总院院长 针对我国煤炭开采的多样性、复杂性、 安全性等技术难题他坚持问题思考、理论研究、技术变革、工程实践 创造性提出了 “高精勘探三维设计数控建井智能开采”的现代采矿技术思想创立了优化开采理论 和方法构建了煤矿井下“采充留”一体化科学开采体系创导了绿色开采、智能开采 的技术变革攻克了可视化地质建模、自优化三维设计、防冲、控水等技术难题发明了“优化开采”、“短充长 采”、“深部开采”、防冲、控水新技术、新方法组织或参与研究编制了煤矿安全高效现代化技术标准智能 化矿山标准初步形成了现代科学采矿体系 并以从优、从简、从省的设计理念工业广场简化、井下优化、装 备强化的建井模式减量优化、低本研究的生产方式指导矿井优化设计、优化建设、优化开采累计节约投资、 降低成本近百亿元 主持完成了国家重大科技项目 多项组织或参与国家、行业创新标准或方法 多项 多年来先后获得国家科技进步奖 项、省部级科技进步奖 多项拥有发明和实用新型专利 多项撰写论 文 余篇、专著 部 先后被评为全国优秀科技工作者、煤炭行业突出贡献专家获得孙越崎能源大奖、全国 杰出工程师奖、省级优秀科技工作者享受国务院政府特殊津贴 移动扫码阅读 祁和刚张 农李 剑等.煤矿“短充长采”科学开采模式研究.煤炭科学技术. ./ ..... . “ ” . ../ ..... 煤矿“短充长采”科学开采模式研究 祁和刚张 农李 剑郑忠友朱 磊管增伦 .中国中煤能源集团有限公司北京 .中国矿业大学 矿业工程学院江苏 徐州 .中国矿业大学 深部煤炭资源开采教育部重点实验室江苏 徐州 .中国中煤能源集团有限公司 西安研究院陕西 西安 摘 要随着我国煤炭持续高强度开发开采条件逐渐恶化传统开采方法带来一系列资源、安全与环 境问题 基于“岩层低损伤”“无煤柱开采”和“固废零排放”的思路提出了以煤矿井下采区内就近 分选矸石为主形成的固体废弃物充填带取代区段煤柱的“短充长采”科学开采构想及其技术原理 探索了“采选充留”关键技术路径统筹研究解决遗留煤柱的资源浪费、固废排放的环境污染、传 统开采的技术瓶颈和深部开采的安全风险等问题 建立了“短充长采” 固体废弃物充填带能量缓释 理论和低损伤岩层控制理论 阐述了 项关键技术“短充长采”系统设计方法井下智能干法轻量 模块化分选系统自成巷前进高效采充技术与装备沿充填带留巷技术与装备“短充长采”系统集成 控制技术 现场应用结果表明“短充长采”科学开采模式在葫芦素煤矿和刘庄煤矿井下矸石直接充 填能力分别达到 万 / 和 万 / 利用有限的的固废资源集成解决了煤炭开采的资源、安全 和环保问题可以实现井下无煤柱、地面固废零排放 该模式创新了绿色开采新理论、新技术、新方 法构建了我国新型绿色开采的科学开采体系 收稿日期责任编辑杨正凯 基金项目国家自然科学基金面上基金资助项目 作者简介祁和刚 男上海人硕士教授级高级工程师现任中国中煤能源集团有限公司总工程师 . 通讯作者李 剑 男江苏徐州人讲师博士 . 关键词短充长采绿色开采无煤柱低损伤零排放 中图分类号 文献标志码 文章编号 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 “ ” . . “ ” “ ” “ ” “ ” . “” . . “ “ ” . “ ” / / . . . 引 言 国家能源革命已经全面展开清洁、低碳、安全 高效现代能源体系正在加速构建 作为我国很 长一段时期内的主导能源煤炭仍将持续保持 亿 以上的总年产量 目前东部产能递减、 中部稳中有降、西部增量加快持续高强度开发在 我国所有产煤矿区开采均由浅部进入深部采 矿地质条件趋于复杂开采难度日益增大传统开采 技术瓶颈愈加突出煤炭开采带来的一系列安全与 环境问题愈加明显技术变革势在必行 因此 笔者提出了一种可以兼顾安全生产、资源节约和环 境保护的开采模式即“短充长采”开采模式 传统地下开采布置方式的革新一直停滞不前 尤以采掘接替方式和工作面布置方式最为明显依 旧存在回采巷道布置多、区段煤柱留设多、资源损失 量大的情况 无煤柱开采技术经过近 年的发 展形成了多套理论与技术体系但每种技术 对采矿地质条件都要求苛刻均局限了其适用范围 以留设区段煤柱为主的护巷采模式仍占绝大多 数 在我国主力产煤区域晋蒙陕地区这种情况 尤为明显 以留设区段煤柱保护采掘空间在 采前是保护采后却成为安全隐患 根据中煤集团 近百对地采矿井的开采经验分析进入深部以后因 煤柱引起的应力集中和覆岩移动落差引起的巷道 围岩变形的速度和程度剧增采场矿压的强度和幅 度剧增动力灾害发生的烈度和频度剧增 留设区段煤柱首先造成煤炭资源巨额浪费我 国每年在开采中因遗留区段煤柱丢失了约 亿 煤 炭资源占开采总量的近 遗留煤柱在开采 前是对采掘系统的保护但是再采后却成为安全隐 患 煤柱形成局部应力集中一旦失效能量突发释 放极易诱发动力灾害 同时遗留煤柱也是井下煤炭自然发火的主因 之一其产生的爆炸引火源和有毒有害气体一直是 煤炭地下开采的顽疾 因此亟待研发一种适用性 更广泛的无煤柱开采技术 煤炭开采伴生大量矸石 矸石的地面资源 化利用范围有限能用以高效发电或转化为建材的 比例极低 在我国绝大多数矿区提升至地面直接 排放仍是主要处理方式 矸石地面堆放、自燃等造 成严重土地侵占、土壤质地污染、地表水污染与大气 污染 在我国中部东部地区部分矿区以排放 矸石作为地面生态修复材料填埋入煤矿塌陷区对 地表生态形成二次损伤亦是一种以污至污的方式 尤其是地表水系发达地区更为严重 大量矸石输送 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 祁和刚等煤矿“短充长采”科学开采模式研究 年第 期 至地面造成无效提升严重加剧煤矿生产压力能 源损耗巨大 在我国东部矿区部分矿井甚至专门 建设矸石提升井用以提升排放 以平均 亿 / 产 能的中煤集团为例年均提升 万 矸石至地 面提升及运输耗能超过 . 亿 时仅矸石出矿 外排费用超过 亿元以上环境污染补救费用更难 以估量 年国家十部委联合下达煤矸石综合利 用管理办法 号令明确指出“第十条 新建 改扩建煤矿及选煤厂应节约土地、防止环境污 染禁止建设永久性煤矸石堆放场库 第十一 条 煤炭生产企业要因地制宜采用合理的开采方 式煤炭和耕地复合度高的地区应当采用煤矸石 井下充填开采技术其他具备条件的地区也要优 先和积极推广应用此项技术有效控制地面沉陷、 损毁耕地减少煤矸石排放量”解决由煤炭衍生 的以矸石为主的固体废弃物排放问题已迫在 眉睫 传统开采模式的发展瓶颈 已有探索性研究和实践表明煤矿井下分选和 就地充填尤其在深部在降低传统垮落法开采对地 下岩体的破坏的同时可以有效消除矸石地面排放 和提运压力实现深部煤炭资源高效、安全、绿色科 学开采是我国进入新时代实现绿色采矿、保护生态 环境、建设美丽矿山的重要途径 然而深部 井下分选方法及系统空间构建、采煤与充填能力协 调、采充能效与岩层控制的协同等存在亟待突破的 理论、技术及配套装备研发难题已成为行业可持续 绿色发展的共性难题 在充填开采方面我国近年来已经建立了煤矿 综合机械化充填开采技术体系涵盖了矸石 等固体材料、膏体材料和高水材料充填工艺及配套 装备相继在河北、山东、山西、河南等省区 大范围推广应用 我国在充填开采理论研 究、材料研发和装备制造方面已处于国际领先水 平 然而充填开采发展至今其实施目的 仍主要是控制覆岩下沉保护地表或隔水关键层 等 在这种应用要求下需要在长壁开采工作 面形成全断面密实充填 在多煤层开采时甚至采 用类似条带开采的方式宽煤柱与充填面交替布置 保障上覆岩层的变形控制 密实充填造成了工 艺的复杂因此密实充填开采工作面年产能均被限 制在 万 以内不适宜当下高产高效生产的需 求 另一方面矸石作为充填材料的主要来源在原 煤中所占比例平均低于 其体积不足以充填采 煤形成的全部采空区难以进行大规模密实充填控 制沉陷图 密实充填在已有的应用煤矿多用 在特殊地段而非全矿井 旨在控制覆岩移动的密 实充填开采模式即全采全充模式近年推广受限 因此亟待研究一种高效的服务于矸石产生量的充 填新模式 图 全采全充的综合机械化密实充填开采技术 在井下分选方面我国部分矿区开展了井下煤 矸分选技术研发与实践 山东良庄矿业建成了选择 性碎选系统冀中能源集团、开滦集团、平煤集团、新 汶集团等建成了井下跳汰或重介分选系统井下煤 矸分选技术应用取得了进展 然而选择性碎 选方法效果差、适用范围窄跳汰、重介质分选设备 尺寸大、耗水量高、煤泥水处理及介质回收净化系统 复杂系统布置要求硐室大断面维护困难运营成 本高不适宜在煤矿深井高应力环境下应用图 图 井下湿法分选技术 因此亟待研发一种轻量化的模块化的无水 无介、可灵活布置的分选工艺应用于井下 煤矿“短充长采”科学开采构想 . 短充长采的研发思路 为破解传统开采技术难题构建安全、高效、绿 色、智能新型科学采矿技术体系实现煤炭高质量发 展中煤集团联合中国矿业大学、安徽理工大学、河 北工程大学行业专家开展了煤炭绿色开采技术变 革的项目研究研究结论认为新煤炭地下开采科 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 学开采体系应该具备以下特点图 优化开采 优化采掘关系减少掘进头减少工作面减少工作 人员 煤炭开采技术尤其是掘进技术由落后发展 为先进无巷开采回采巷道由少掘巷发展为无掘 巷无煤柱开采区段煤柱由宽变窄由窄化无无人 化开采采掘工作最终实现无人化 智能开采 采、掘、充填、留巷和井下分选等工艺由自动化到集 控化最终实现智能化 绿色开采在优化、无巷、 智能的基础上实现环境低伤害、围岩低损伤和资源 低损失的友好开采模式 图 煤炭绿色开采技术变革的发展目标 基于上述科学开采体系的发展思路和行业发展 的困局经研究认为应研发一种基于充填与留巷 基础理论设计一种与矸石体积等量的充填带替 换煤柱形成快速充填、高效开采、采充分离的小 矿压、微变形、无煤柱连续开采新模式即“短充长 采”开采模式 . “短充长采”概念及技术原理 以煤矿井下采区内就近分选的矸石为主形成的 固体废弃物充填带取代区段煤柱通过边采、边充、边 留巷构建短充留巷、长壁开采的“采充留”三位一 体的生产方式形成井上无矸石、井下无煤柱、资源低 损失、岩层低损伤的现代科学开采技术体系称为“短 充长采开采模式”其技术原理如图 所示 图 “短充长采”开采模式技术原理 “ ” 短充填工作面本身的形成类似掘进了 条巷 道即以“采充”取代了掘进其接续方式类似沿空 留巷基础上的连续性开采接续布置 以采代掘以 充代掘解决了传统开采的一系列问题也提出了一 系列应用难题其相关科学问题、理论难题、技术难 关亟待解决 . “短充长采”科学问题与理论基础 在“短充长采”开采模式的技术原理下采场覆 岩整体机构运移在变化形式上和速率上均将明显有 别于传统开采方法 据此拟解决 个关键的岩层 控制科学问题在整个采场的大结构上“充填 带采空区留巷充填体”对覆岩移动的协同控制原 理在充填带控制的覆岩小结构上其影响区域对 覆岩积聚能量缓慢释放功能的控制机理在关键 功能区即留巷补强衔接位置充填留巷非对称耦合 协调控制的机理 总结为 项岩层控制基本理论 图 一是固体废弃物充填带能量缓释理论二是 “短充长采”低损伤岩层控制理论 图 “短充长采”科学技术路线 “ ” 基于固体废弃物的散体力学特性提出短充填带 能量缓释理论传统煤柱在掘进形成后对覆岩的干 预较小煤柱主体依然保持为弹塑性体一次采动状 态下煤柱产生应力集中开始快速继续能量随着二 次采动的加剧煤柱能量高度积蓄接近失效构成威 胁 短充填带可以构成能量渐次消减与延伸扩散避 免其突然释放 因此传统留煤柱的方法容易形成能 量的突发释放通过充填形成的短充填带图 在 形成后提前干预顶板结构形成一定破坏开始适度 释放覆岩积蓄的能量且自身形变吸收一部分能量 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 祁和刚等煤矿“短充长采”科学开采模式研究 年第 期 一次采动叠加扰动后与长工作面采空区覆岩联合形 变缓慢释放能量承载重心与形变刚度重心均向采 空区一侧延伸 二次采动后充填带逐渐接近充分变 形能量释放速率逐渐减弱围岩趋于稳定 图 固体废弃物充填带的能量缓释作用 从应力的演变上图传统煤柱的应力峰值经历 了一次采动、二次采动激增最终应力高度集中失稳形 成触发动力灾害短充填带取代煤柱时首先经历承载突 降然后经历一次、二次采动的承载缓慢增加应力集中 向深处转移不存在失稳可有效避免动力灾害 在对动力灾害的防治方面短充填带提前导致 围岩卸压释放能量同时也为灾害预测控提供了条 件基于充填带的散体力学特征充填带协同开采扰 动的上覆岩层对采场整体的卸压过程连续稳定预 先发生延迟技术相对于传统卸压方法时效更长 且在预设的充实率下范围更大 多个充填带的共 同作用下会对采场覆岩应力和形变造成更大范围 和长时效的影响对围岩的整体损伤减低图 因 此提出“短充长采”低损伤岩层控制理论 图 传统煤柱与充填带的应力演变对比 图 传统煤柱与充填带应力和形变模拟差异 传统留设煤柱在覆岩移动的位态上容易形成变形 梯度差异进一步演变为裂隙扩张 在煤柱时效破坏 以后原扩张裂隙虽部分闭合但损伤已不可逆突发 破坏更会加快裂隙向深部延伸 遗留煤柱在失效前 是应力、应变和能量传递与分散的屏障失效之后则是 围岩损伤甚至灾害发生主因 固体废弃物充填带通 过密实度可控的充填可以有效消除形变的梯度差异 从源头提前避免大尺寸裂隙扩张 采场上覆岩层的形 变发生时机被串联起来且整体形变时间被延长 在 应力分布上充填带与采空区构成横向连续且持续的 承载卸压在形变特征上相对均匀缓慢的纵向协调的 覆岩联合整体形变实现围岩的低损伤图 图 “短充长采”对覆盖层移动协调控制机制 “ ” 煤矿“短充长采”关键配套技术 基于“短充长采”技术原理和对应岩层控制理 论 项关键技术研发势在必行图 长短接 替的工作面苛求“短充长采”整个系统有一套全新 的采掘设计方法分选系统直接布置在采带区 巷道内需要一套小体量的新型分选系统 短充 的前提首先是采匹配于短充的煤炭开采技术研发 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 是首要条件之一 短充填面取代了传统的掘巷推 进速度必须匹配于“短充长采”技术要求必须形成 一套高效充填系统 留巷技术作为整个技术的关 键环节决定了技术成功与否 在“短充长采”技 术模式下每个环节层层相扣在生产关系上互相牵 制对采、选、充和留的时空关系提出了更为严谨的 技术要求必须形成一套集成控制系统 图 “短充长采”系统设计思路 “ ” . “短充长采”系统设计方法 “短充长采”整个采场的系统设计首先要服从 井下煤矸分选比例以及从地面投放的其他固体 废弃物总量 根据岩层控制的要求和采掘生产关 系尤其是长短面推进度的衔接关系确定短充填面 的密实充实度和其它关键参数在面宽与充实度之 间探究最优节点 综合岩层控制的基本理论、分选 和废弃物投放系统的运行机制以及采掘生产关系 建立一套更够实施数据跟踪调整和修正“短充长 采”系统设计动态大数据模型在每个短面形成前 都可以根据固体废弃物总量矿压显现变化等核心 参数进行设计调整实现系统最优化 . 井下智能干法轻量模块化分选系统 在采带区巷道内直接布置分选系统对分选 设备提出更高要求轻量化的、模块化的、系统简单 的、几乎不耗水的、移动便捷的、智能化控制的分选 系统 光电分选一种近年初步开始应用于地面洗 煤厂的智能干法分选系统图利用 射线识别 原煤中的煤与矸并采用高压气流实现煤矸分离 该技术基本具备井下分选的技术要求具有广泛的 适用性 因此展开了光电分选井下应用的一系列 研究构建了模块式紧凑型煤矸高效智能光电分选 技术原型提出适应于井下煤矸光电分选的可选性 及分选效果评价方法进行分选工艺流程环节的协 同控制与过程优化确定了井下宽粒级煤矸光电分 选工艺流程图 优化光电分选流程各作业单 元的时空联系提出与采、充、留协调适配的井下模 块式煤矸光电分选系统空间布局方法实现了深部 井下光电分选系统的空间紧凑布局 揭示煤矸高效 分选多参数协同作用机制建立煤矸分离精度与多 参数间的数学关联模型提出了井下宽粒级煤矸光 电分选多参数协同优化方法及智能控制策略并构 建运行状态和故障监测物联网系统实现系统一键 式生产控制及无人值守 进一步研究了煤矸光电分 选技术原型的放大机制研发射线安全防护粉尘污 染控制技术研发适用于井下复杂环境的模块式高 可靠性、高安全、智能化煤矸光电分选设备构建了 与采、充、留协调适配的深部井下煤矸高效光电分选 成套系统 图 煤矿井下智能干法分选系统 图 煤矿井下智能干法工艺流程 . 自成巷前进高效采充技术与装备 基于“短充长采”技术需求研发了一整套前进 式自成巷开采成套设备图 图 前进式自成巷开采成套设备 巷式联采机通过加长加强摇臂延伸割煤范围 实现前进式自成巷道 分体式护锚自移架除承担 端头支护同时配合切锚机在成巷后迅速完成一次 支护 护帮自移架配合工作面充填支架为留巷提供 侧向约束和工艺保护 短充填面取代了传统掘巷 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 祁和刚等煤矿“短充长采”科学开采模式研究 年第 期 而单巷掘进的速度近年来发展迅速 短面的推 进速度必须匹配于“短充长采”技术框架下的总体 接续要求与传统密实充填不同技术目标首重高 效 因此研发了一整套全电控高效充填技术与装 备图 图 全电控高效充填成套设备 多向固体废弃物带式转载机可应用与后退 式与前进式充填两种转载模式用以将固体废弃 物转载到支架后部固体废弃物底卸输送机 固体 废弃物底卸输送机通过计算机集成控制可以分 组顺序、单机顺序等多种卸料开合模式向采空区 高效投放固体废弃物 四柱式全电控充填充填液 压支架全电控系统实现了支架后部推实机构的 系统集成控制以支架后部监测架构探视固体废弃 物堆积参数调整推实角度与频率最终实现废弃物 快速接顶 . 沿充填带留巷技术与装备 “短充长采”技术模式下的留巷提前开始且延 后使用 充填带的形成变相降低了短面的采高 因此在充填带的保护下其短充时段留巷难度虽然 降低但是从成巷到长采使用阶段服务时长却被延 伸了 因此匹配于“短充长采”特殊需求的快速稳 定的留巷技术应运而生根据不同采矿地质条件和 开采工艺的区别研发了多类型多功能多时效不 同条件下的充填留巷技术例如混凝土墩柱补强 留巷技术图 在采空区一侧布置一定密度的柔 性金属外壳混凝土墩柱和内置矸石砌墙配合喷浆 工艺密封与充填体联合形成留巷 快速固结聚 和材料补强留巷方式图 借助护帮自移架一侧 的约束与密封在与充填体衔接处注入快速固结聚 合材料强化巷帮支护体实现留巷 充填带双侧采 充留巷因服务工作面的回采顺序不同双侧留巷的 矿压显现特征有明显差异性留巷支护强度和密封 层厚度设计则与巷道服务时长相匹配分为长时效 留巷和短时效留巷 图 混凝土墩柱补强留巷方式 图 快速固结聚合材料留巷方式 . “短充长采”系统集成控制技术 在采和充上不仅要进度一致且要求工艺的高 度契合在充和留上不仅要工艺趋同且要求覆岩 控制关系的耦合井下分选系统则必须匹配与整个 “采充留”生产系统需要 形成整个开采系统的 一键启动、一键闭合、故障分析、快速修复、及时重 构实现整个系统的智能化运行 基于以上要求研究了高效、快速、协同的“采 选充留”平行作业流程和工作模式制定符合工 程要求的智能开采、井下矸石分选、就地充填和沿充 留巷的协同控制方案建立专用传感器群对过程参 数分步采集、实时传输、集中处理实现子系统独立 运行、全过程数据共享、全方位集中控制的深井煤矿 充填开采一体协同机制形成集智能化开采、井下自 动选矸、自动化充填和自行留巷为一体的控制方案 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 年第 期煤 炭 科 学 技 术第 卷 基于物联网信息感知和交互网络建立了用于研发 大数据采集、分析、处理和解释的深度学习型平台 研究“采选充留”过程中的信息独立和共享、区 域自治和全局协同实现功能各异子系统的一体化 控制实时联动协同作业建成采充同步、高效分 选、边充边留、沿充留巷、无煤柱连续开采的智能控 制系统 “短充长采”的应用规划 . 应用规划 中煤集团是以煤为主的唯一的大型央企集团 生产建设矿区覆盖我国晋陕蒙新等 个煤炭主产 省区煤炭产能约占全国 下属煤矿的开采条 件具有最典型的行业代表性 因此在 项理论研 究和 项创新技术的研发基础下构建围岩低损伤、 环境低伤害、资源低损失、能源低损耗、灾害预防治 的“短充长采”安全绿色开学开采体系建成我国东 部、中部和西部一些列示范矿井指导行业推广与 应用 中煤集团计划至 年完成首批 个“短充 长采”示范矿井工业性实验至 年应用矿井扩 大至 个且井下煤柱回采率提高 矸石等固 体废弃物井下处理率达到 至 年全集团 区段煤柱回采率达到 固体废弃物实现彻底 零排放 首批示范矿井阶次使用“短充长采的” 种由 低至高的技术模式模式一预掘双巷后退充填形成 短充填带且双侧留巷适用于掘进压力小、煤层具 有自然发火性矿井模式二预掘单巷前进式充填 一侧沿充填带留巷一侧自成巷且留巷适用于有提 前探煤和预抽瓦斯需求矿井模式三无掘巷前进充 填双侧自成巷且留巷 自中煤集团东部、中部和西 部 大开采区域遴选 种不同条件对应 种不同 的应用需求在我国东部千米深强动力灾害区无 煤柱开采一直实施困难因此技术实施以消减煤柱 为主要目的 在我国中部传统开采矿区随着连 年高强度开采环境污染早已饱和地方对固体废弃 物地面排放已经零容忍 因此以处理固体废弃物 零排放为主要目标 在我国西部生态脆弱区不 仅固体废弃物排放的限制同样严格随着高强度开 采动力灾害频发 因此以固体废弃物零排放和防 冲减灾为综合目标 . 应用案例 应用案例一内蒙古葫芦素煤矿 葫芦素煤 矿是我国内蒙古鄂尔多斯地区典型千万吨级特大型 矿井工作面回采巷道布置采用传统的留煤柱方式 随着持续的高强度开发且采深逐渐增大遗留煤柱 造成的动力灾害发生频率明显提升 在固体废弃物 排放方面葫芦素年均外排近 万 矸石外排单 价也连年递增环保压力过大持续发展面临的或为 停产威胁 同时矿周围的电厂产生的粉煤灰等废 弃物地面煤气化产生的固体废弃物等均亟待解决 基于葫芦素矿的条件在固体废弃物输送方面采用 了地面垂直投放和井下原煤分选结合的方式 设立 垂深小孔径垂直投放井将地面浮选矸石、粉 煤灰、气化废渣等一系列固体废弃物综合投放如井 下会同井下分选的矸石一同输送至充填工作面 在井下首次实现千万吨级原煤井下分选采用“短 充长采”技术利用充填带缓慢变形的卸压能力对 短工作面全面充填构筑人工卸压带 以沿空留巷 作为长短面衔接节点构筑卸压通道缓解长面的矿 压利用有限的充填资源实现充填功能最大化 应 用首批高效全电控充填开采成套设备短面充填能 力超过 万 / 实现全采区无煤柱开采有效控 制覆岩层变形提前解决强动压治理难题解放副井 提升压力实现固体废弃物零排放形成西部首个 “短充长采”科学开采示范矿山 葫芦素煤矿投料 系统于 年初动工形成井下“短充长采”与分 选系统将在 年底完成开始工业性实验 应用案例二安徽省刘庄煤矿 刘庄煤矿属 我国东部千米深、多种灾害共存和资源赋存极度复 杂的千万吨级特大矿井 在极度困难的开采条件 下刘庄煤矿维持千万吨产能压力巨大其采掘生产 关系紧张且因深井矿压影响难以实现无煤柱布 置、连续性开采 基于刘庄煤矿的条件在固体废弃 物输送方面采用多煤层多采区集成井下分选的方 法选出矸石集中输送至短充填工作面 利用“短 充长采”技术短面替换煤柱大幅提高煤炭资源回 收率双侧留巷实现主采工作面连续性接替 沿空 留巷采用固结物补强方式起到留巷作用的同时完 成短充填带的严格密封对采空区瓦斯集聚和自然 发火予以防治 在短充填工作面应用高效全电控充 填开采成套设备充填能力超过 万 / 以“采 选充留”一体化为手段解决多种煤矿灾害实现 连续生产解决生产接续压力矸石井下排放塑造 我国东部高产高效安全绿色矿山 刘庄煤矿井下分 选系统将于 年底完工 年开始工业性 试验 . 预期效益 形成“短充长采”绿色安全高效科学开采体系 中国煤炭行业知识服务平台w w w . c h in a c a j . n et 祁和刚等煤矿“短充长采”科学开采模式研究 年第 期 为促进我国煤炭资源开发与环境协调发展提供科学 路径推动煤矿开采与环境协调技术达到国际领先 水平 技术推广应用将实现以下指标 绿色开 采井上无矸石生态美化环境友好安全开采 井下无煤柱小矿压、微变形、低损伤节约开采 矸石换煤柱资源回采率高提高 高效 开采采充分区互不干扰快速充填高效开采 经济效益一是煤矸分离节能降耗提升效率优化 规模二是分区分选就近分选系统简单成本低 效率高 社会效益一是矸石零排放保护良田、 优化环境二是矸石换资源保护资源、绿色发展 结 论 随着煤炭资源持续高强度开采传统多巷多 煤柱的开采方式浪费煤炭资源形成安全隐患矸石 等固体废物地面排放污染环境损耗能源 煤炭开 采的技术变革势在必行 “短充长采”科学开采模式在葫芦素煤矿和 刘庄煤矿成功应用实现井下矸石不升井经过分选 后经输送带直接充填采空区充填能力分别达到 万 / 和 万 / “短充长采”科学开采模式利用有限的的固 废资源集成解决了煤炭开采的资源、安全和环保问 题可以实现井下无煤柱、地面固废零排放 随着“短充长采” 项基本理论的突破和 项 核心技术的研发即将在中煤集团开展大规模推广 和应用并最终向全行业推广 参考文献 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