矸石充填开采技术项目简介中国矿业大学二O 一O 年二月目录1 工程背景........................................................................................................................... .-2 -2 矸石充填开采技术总体思路.............................................................................................-3 -3 井下分矸与投料系统简述.................................................................................................- 3 - 3 固体充填采煤技术............................................................................................................- 6 -3.1 掘巷充填采煤技术...................................................................................................- 6 -3.2 长壁普采（或炮采）充填采煤技术.......................................................................- 8 -3.3 长壁综采充填采煤技术.........................................................................................- 10 -1 工程背景温家宝总理在《政府工作报告》中将资源和环境问题提到了十分重要的位置。

针对我国煤炭开采过程中存在的资源与环境问题，解决采煤过程中的土地资源、煤矸石资源等问题刻不容缓。

我国目前每年由于煤炭开采塌陷土地面积约4 万公顷，受煤炭开采影响下沉的土地面积约60 万公顷，直接经济损失约20 亿元。

煤矿开采造成的土地破坏不仅使农民失去赖以生存的土地，而且还导致了一系列严重的社会与生态环境问题。

此外，我国目前全国历年累计堆放的煤矸石约45 亿t，规模较大的矸石山有1600 多座，占用土地约1.5 万公顷，而且堆积量每年还以1.5~2.0 亿t 的速度增加。

同时，煤矿区自备电厂生产中排放大量粉煤灰，历年排放达到5 亿t 以上，且每年新增5~7 千万t。

排放矸石、粉煤灰等固体废弃物对人类的生存环境和条件带来很大的威胁与危害。

由此可知，研发一种解决“三下”压煤规模性开采及消除矸石、粉煤灰的排放带来的环境污染等问题的开采技术，实现矿区绿色开采及可持续发展是矿区亟待解决的重大科学与工程技术难题。

中国矿业大学缪协兴教授为首的固体物充填采煤技术研究课题组实施科技创新，研发出多种充填开采法，将矸石或其它固体废物充填至采空区，减轻开采引起的塌陷，同时进行土地复垦。

固体物充填采煤技术研究课题组依托中国矿业大学，旨在研究矸石、粉煤灰、黄土等固体物的处理及“三下”煤柱、条采煤柱等的开采技术。

在以缪协兴教授为首的课题组成员中，凝聚了包括教授、博士在内的三十多位高级科研人员，专业涵盖了采矿、地质、力学、机械、测量等，长期以来一直从事煤矿开采技术的研究，课题组先后致力研究和推广的充填开采技术有，掘巷充填技术、长壁面普采（或炮采）充填采煤技术、长壁矸石充填综采技术。

实现矸石采空区充填机械化和规模化，促使充填开采效率和效果的显著提高，将井下掘进、分选等矸石通过矸石运输系统，运输到矸石充填综采工作面，进行采空区充填，实现矸石不出井和煤炭开采。

置换 煤炭 充填采煤液压支架与配套设备充填采煤工艺掘进矸石长壁综采 充填采煤技术矸石与膏体混合充填井下开采传统技术 无法回收的煤炭资源煤流矸石矸石与固 体废物井下分矸系统岩层移动与地表沉陷控制井下 运矸系统置换 “三 下” 压煤和永久煤柱充 填 抛 矸 机 实现资源的 循环利用充填采煤工艺老矸石山长壁普采或炮采充填采煤技术地面投料系统矸石与膏体混合充填岩层移动与地表沉陷控制保护矿区环境固体废物巷 充 抛 矸 机掘巷充填技术围岩变形与岩层移动控制技术回收煤炭实施效果置换煤炭充填采煤核心技术矸石分选与运输核心技术固体充填物2 矸石充填开采技术总体思路中国矿业大学缪协兴教授为首的固体物充填采煤技术研究课题组实施科技创新， 研发出多种矸石等固体物料充填开采技术，其总体技术思路如图 2-1 所示。

图 2-1 矸石充填开采技术路线图3 井下分矸与投料系统简述矸石的来源主要包括地面矸石和井下矸石，中国矿业大学固体充填开采课题组针对地面矸石等固体废弃物研发了的直接投料系统与旋转托盘式固体物料输送系统，以及针对井下掘进矸石、断层矸石、煤流矸石的井下煤矸分选系统。

（１）固体物料直接投料系统课题组在调研分析、充分论证的基础上，确定采用垂直投料井输送，由于投料落差在 100~800m 左右，需要对投料井的孔径、料仓、防冲击及料管的耐磨性等方面进行优化设计，研发了固体物料直接投料系统。

1-地面胶带输送机；2-地面料仓A；3-地面料仓B；4-投料厂房；5-投料孔；6-锥型缓冲器；7-储料仓；8-给料机；9-井下胶带输送机图3-2 固体物料直接投料系统设备布置图（2）旋转托盘式固体物料输送系统固体充填材料通过旋转托盘式固体物料输送系统可以运输至井下，再通过胶带输送机运送至充填开采工作面进行充填，采用轮式投料系统将固体充填材料从地面输送至井下的工艺流程为：地面固体充填物通过地面胶带输送机输送至投料井内，固体充填物料下落至轮式投料机上的弧形导料板，当弧形导料板运行至投料孔下部时，随着投料机的旋转，固体充填物料在投料孔下部实现翻转卸料，物料将落入50m 深的储料仓内，在充填开采工作面需要充填物料时，将投料井下口的给料机打开送料。

设计的轮式投料系统布置的示意图如图3-5 所示。

矸石来源分析全岩巷矸石 地质 构造带掘进面硐室贮矸半煤 岩巷掘进煤矸分采分运采区 煤矸初次重力分选井底 煤矸二次射线分选矸石充填综采置换煤技术工艺设计与优化工业性试验煤流矸石半煤岩巷矸石 工作面 1-地面胶带输送机；2-地面料仓 A ；3-地面料仓 B ；4-投料厂房；5-轮式投料机；6-弧形导料板；7-储料仓；8-给料机；9-井下胶带输送机图 3-5 旋转托盘式固体物料输送系统布置示意图（3）井下煤矸分选系统井下矸石主要包括岩巷掘进矸石、断层矸石、煤层夹矸等，为了提高原煤质量及矿井的实际提升能力，通过设计井下煤矸分选技术（包括工作面煤矸分采分运技术、预掘巷断层矸石处理技术、非常规断面避矸技术等）和系统（工作面矸石初选系统、重力二次分选系统等）及相关分选设备，实现约 70%矸石井下分选在工作面采空区充填，并保证地表建筑物的安全正常使用，井下煤矸分选充填技术思路如图 3-2 所示。

煤 断 其 层 层 它 夹 矸 矸 矸石石工作面煤预掘工作矸分 巷无 面托 采分矸石 复合 运采工作 顶板 空区面过 回采 充填断层 工艺技术技术图 3-2 井下煤矸分选充填技术思路3 固体充填采煤技术3.1 掘巷充填采煤技术掘巷充填采煤技术是以岩巷、半煤岩巷掘进过程产生的矸石或者煤流中的矸石等固体充填材料作为充填材料，通过在工广煤柱、条带开采留设的煤柱中布置充填巷，在充填巷掘出后利用矸石充填输送机将矸石充填于充填巷，以通过构筑充填体达到置换出煤炭资源、控制地表沉陷、实现矸石不上井的目的。

（1）关键设备掘巷充填采煤技术实现矸石充填置换煤柱的目标，要有一整套能适应充填巷道的设备，尽可能的实现机械化，提高充填速度及充填效果。

充填设备要和矸石输送装置可靠配套，在充填部退移后，应能使整套装备通过自动调整，始终保持正常工作，或在简单的手动调整后，能使整套装备迅速恢复工作。

掘巷充填采煤技术中主要的设备有矸石充填输送机以及机尾驱动式矸石胶带输送机，分别如图3-1、3-2 所示。

图3-1 矸石充填输送机图3-2 机尾驱动式矸石胶带输送机（2）掘巷充填工艺充填巷的布置首先要根据充填区域的地质条件，合理地设计充填巷的尺寸、充填巷的掘充填顺序、以及在条带煤柱或工广煤柱中的合理布置位置与布置数量，并确定充填巷合理支护技术方案与充填巷加固技术方案，某矿矸石充填巷布置如图 3 所示。

矸石置换开采的主要流程为：岩巷掘进头产生的矸石→（装车后经各运输巷道）轨道大巷→充填工程上部车场→矸石仓上口→（由推车机、翻车机，经过破碎机把矸石破碎到≤300mm 粒径）矸石仓→给料机→（胶带运输）充填巷迎头→抛矸机→充填巷迎头充填。

充填系统的工艺流程如图3-4 所示。

1 2 3 4 56 7充填迎头采用单班正规循环作业，每个循环充填进度 1.0m。

充填的同时，每小班有专人清扫巷道和回撤风筒等。

在充填迎头，应边充填边撒水，不但有利于矸石堆集，而且可有效降低抛矸产生的大量粉尘。

井下实拍掘巷充填技术充填巷迎头接顶情况，如图3-5 所示。

图3-3 矸石充填巷布置及其开掘顺序1-矸石充填配巷；2-矸石充填巷；3-机尾驱动式输送机；4-矸石充填机；5-充填矸石；6-电机；7-充填配巷胶带输送机图3-4 充填系统工艺流程（3）应用效果图3-5 充填巷迎头接顶情况目前在我国河北金牛能源股份公司邢东煤矿、淄博矿业集团岱庄煤矿与许厂煤矿掘巷充填采煤技术得到成功实施。

掘巷充填开采技术在保证地表建筑物在允许的变形范围内的前提下，实现了矸石置换煤炭资源，提高煤炭资源的回采率，同时可以将井下矸石直接处理变害为利，这不但可消除地面矸石山、减少侵占农田、减少对大气和环境污染、消除矸石山坍塌或引爆危及人类的事故隐患，而且还可以将矸石井下充填作为地下结构支撑体，在解决或降低地面沉降和塌陷问题的基础上，实现回收部分建下煤炭资源。

3.2 长壁普采（或炮采）充填采煤技术长壁普采（或炮采）充填采煤技术总体技术思路为：将岩巷和半煤岩巷（煤矸分装）掘进矸石或地面矸石山矸石用矿车运至井下矸石车场，经翻车机缷载后矸石经过装载破碎机破碎后，进入矸石仓。

通过矸石仓下口，经过胶带或刮板输送机将破碎后的矸石运入上下山，而后由胶带或刮板输送机转载入采煤工作面的回风平巷，再由工作面采空区刮板输送机运至工作面采空区抛矸胶带输送机尾部，由抛矸胶带输送机向采空区抛矸充填。

（1）关键设备在长壁普采（或炮采）充填采煤技术中，抛矸胶带输送机、刮板输送机是充填开采工艺中最关键的设备，主要包括运矸皮带、电动机、支架等，如图3-6 所示。