采掘充填一體化采煤方法
一、企業充填采煤技術基本情況
（一）技術原理及特點
公格營子煤礦目前采用的充填采煤技術，是與中國礦業大學合作共同研發的“長壁逐巷膠結充填采煤技術”。其核心內容是：將特厚煤層合理分層，自下而上進行采掘（上向分層），采用長壁布置、短壁開采、逐巷膠結充填的方法開采。短壁開采就是在長壁布置形成全負壓通風系統后，采用綜掘機落煤的方式逐巷開采，工作面寬度為3.4至4.0米，高度為2.8米，長度控制在100米左右。膠結充填就是利用煤礦生產過程中產生的煤矸石、巖石以及當地工礦企業排出的廢渣、粉煤灰、廢石、建筑垃圾、風積沙、黃土等各種固體廢棄物，經過破碎后，摻配一定比例的膠凝材料，制成高濃度料漿，利用充填泵加壓或者高差勢能自流，通過管道將高濃度料漿輸送到矩形采空巷道內完成充填，充填料體在8小時完成初凝，7天達到1.5兆帕的高強度，為生產創造安全穩定的作業條件。技術特點是：能夠對煤矸石、粉煤灰、工業固體廢棄物實現科學合理有效利用，解決環境污染問題，實現綠色開采；能夠有效防止采區上覆巖層下沉塌落，根本消除采空區積水、發火和有害氣體積聚隱患，實現安全開采；能夠進行無煤柱開采，特別是能對“三下一上”（建筑物下、鐵路下、水體下和承壓水體上）和特厚煤層進行開采，提高礦井資源回收率，實現高效開采；充填開采后地表不沉陷或微小沉陷，可保護耕地、地面建筑物和地下水系，實現可靠開采。
（二）技術發展歷程
2005年以來，公格營子煤礦與中國礦業大學合作，依托其國家級重點學科和重點實驗室，經歷了十幾年的不斷研發和持續創新，逐步形成了一支長壁逐巷膠結充填采煤技術的專業化隊伍，擁有膏體充填開采整套核心技術；逐步完善了技術裝備和工藝體系，實現了高利用率、低下沉率、高采出率、高充實率的綠色、安全、高效、可靠開采，先后獲得國家專利和科技進步獎等多項榮譽。2011年，公格營子煤礦膠結充填工藝技術獲得國家知識產權局頒發的國家發明專利證書；2012年起，公格營子煤礦承擔了國家科技部“十二五”國家科技支撐計劃“采掘充機械化膠結充填采煤技術與裝備”子課題研究，實施方案經國家級專家組論證，認為該開采技術能夠有效控制覆巖移動破壞等優點、能夠保障安全開采，并于2015年10月順利通過驗收；2012年，公格營子煤礦充填關鍵技術研究與應用榮獲內蒙古自治區人民政府頒發的“科學技術進步三等獎”；
2015年，公格營子煤礦長壁逐巷膠結充填采煤技術被中國高科技產業化研究會確認為科學技術成果、內蒙古自治區科學技術廳登記為自治區科學技術成果；2015年，公格營子煤礦的“利用煤礦膠結充填關鍵技術循環利用建筑垃圾示范項目”，由工業和信息化部列入《國家資源再生利用重大示范工程名錄》，并要求各地區加強引導，總結經驗，發揮示范工程引領帶動作用。2016年，公格營子煤礦長壁逐巷膠結充填采煤技術榮獲內蒙古自治區人民政府頒發的“科學技術進步一等獎”；
2017年，公格營子煤礦的采掘充一體化采煤方法獲國家知識產權局頒發的國家發明專利證書。
二、充填采煤技術的研究與應用
（一）充填采煤技術的研究公格營子煤礦起初，由于采用垮落法管理頂板，不僅造成煤炭資源浪費，還容易引發地表不同程度出現下沉，井下采空區積水、發火和有害氣體積聚等，工作面頂板淋水較大,施工條件非常艱苦。為了改變這一現狀，公格營子煤礦與中國礦業大學合作，研發充填采煤技術，開始對井下采空區進行充填實驗。到2011年，膠結充填技術已獲國家專利，2012年公格營子煤礦充填關鍵技術獲自治區政府科技進步三等獎，雖然在行業沒有獲批，但各級政府及各級行業主管部門對公格營子煤礦研發、應用該項技術，都給予了大力的支持和幫助。2014年，公格營子煤礦實施技術改造，將炮采工藝變更為機械化膠結充填采煤工藝；9月，自治區煤炭工業局對公格營子煤礦技術改造（變更采煤工藝）方案進行批復，同意公格營子煤礦生產工藝由炮采變更為機械化充填開采，標志著長壁逐巷膠結充填采煤技術正式獲得批準應用；依據自治區煤炭工業局《關于調整煤礦建設項目和生產技術管理工作有關事宜的通知》要求，2015年9月，赤峰市安監局對公格營子煤礦技術改造（變更采煤工藝）初步設計進行批復，同意由炮采工藝改造為含水層下特厚煤層上向分層長壁逐巷膠結充填采煤工藝；2016年4月，赤峰煤監分局對公格營子煤礦技術改造（變更采煤工藝）安全設施設計進行了批復，原則同意設計內容。發展到2016—2017年，公格營子煤礦充填采煤技術已獲自治區人民政府科學進步一等獎，采掘充一體化采煤方法再獲國家專利。標志著該項技術已經成熟定型。
（二）充填采煤技術應用成果赤峰西拉沐淪（集團）公格營子煤業公司采用的長壁逐巷膠結充填采煤技術，最大優勢就是有效提高了礦井安全保障程度，自應用該項技術以來未發生安全生產事故；優勢之二就是有效提高了資源回收率，采區回采率達到了95%以上，提高了經濟效益，延長礦井服務年限13年，預計可多創產值15.6億元，多創稅收3.9億元；優勢之三就是開采后及時充填、充實，頂板得到了有效支撐，不冒落、不下沉，消除了頂板事故隱患，避免了地表塌陷、礦震、透水等地質災害；優勢之四就是開采后沒有采空區、沒有浮煤，根除了瓦斯等有害氣體積聚和煤炭自燃發火隱患。總之，公格營子煤礦充填采煤技術的應用，通過以矸換煤，為“三下”壓煤和邊角殘煤等資源回收創造安全生產條件，取得了良好的經濟和社會效益。
三、充填采煤技術可行性分析2021年7月底，為了落實國務院安委辦明查暗訪組對我市煤礦安全生產隱患問題整改任務，自治區派出督導組到我市實地督導檢查，委派內蒙古煤炭科學研究院趙老生等兩位專家，在研究“三量不足”整改方案基礎上，對公格營子煤礦現階段采用長壁逐巷膠結充填采煤工藝問題，專題考察，專家認為：公格營子煤業公司采用的長壁逐巷膠結充填采煤工藝，與國家公布的煤礦安全生產先進適用技術裝備推廣目錄（第四批）中規定的“長壁布置、短壁開采、勢能充填、巷式膠結”核心技術高度吻合，是國家提倡和推廣的。2021年7月20日，自治區煤炭工業專業技術服務中心受自治區能源局委托，對長壁式布置條帶充填開采方法進行論證，條帶充填開采同短壁開采逐巷充填雖文字描述不同，但實質內容是一致的，該開采方法經全國知名專家論證一致認為：1.長壁式布置條帶充填開采方法具有整個回采區段全負壓通風、條帶機械化開采、連續充填的特點，是一種處理矸石等固體廢物、解放建筑物下、公路鐵路下、水體下、承壓水上（簡稱“三下一上”）壓煤、提高資源回收、保護礦區生態環境的特殊綠色開采方法。該方法不宜歸類為“以掘代采”；
2.長壁布置條帶充填開采方法整個回采區段按采煤工作面管理，回采條帶按掘進工作面管理，符合《煤礦安全規程》規定。專家建議長壁式布置條帶充填開采方法的設計與實施中，一個回采區段內同時回采條帶數量不應超過兩個；回采條帶要結合煤層和頂板性質，綜合考慮支護安全；條帶充填需要做好瓦斯的監控和通風管理工作。國家新頒發的《安全生產法》明確：國家鼓勵和支持安全生產科學技術研究和安全生產先進技術的推廣應用，提高安全生產水平。我們認為作為創新技術，實現安全、環保、高效、可靠，應該積極推廣，《煤礦安全規程》應予以適時更新采用。
圖九 公格營子煤礦充填開采時排水利用照片（80立方米/小時）
三、充填采煤技術發展方向
（一）向無軌機械化、回采連續化發展現代充填采礦技術己將低效率的充填工藝改造成為大規模高效率的先進的充填采礦工藝。斜坡道與各種類型無軌采掘設備的應用，使井下作業面貌發生巨大變化。井下工人勞動條件得到很大改善，采場生產能力和勞動生產率大幅度提高。
（二）充填模式向生態化、無公害化發展采礦工業在提供原材料的同時也不可避免地破壞自然環境。隨著礦產需求量的增加，由資源開發利用引發的環境破壞和廢料排放己成為全球性的嚴峻問題。因此，盡量使礦山固體廢料不向地面排放和采空區被有效地充填，已是急待研究解決的重大課題。按照工業生態學的觀點，解決礦山環境問題最有效的途經是將礦山廢料轉化為資源被重新利用。生態的充填模式就是要將礦山的各個工序作為一個系統對待，把礦山充填作為固體廢料資源化的一個有效手段，實現礦山固體廢料排放最小化，從根本上解決礦山環境保護問題。
（三）地質災害治理，實現保水開采采后充填，從根本上消除了井下煤層自燃發火、瓦斯、煤塵、頂板等災害隱患。同時充填體控制頂板下沉，井下圍巖壓力明顯減小，有效控制地表沉降，減少了對地表水力關系的影響，對水保起到良好的效果，地面農作物可照常耕種，提高了土地的利用，大大提高了礦井安全生產系數，對礦山生產、煤礦安全、生態環境帶來積極影響，對于節約資源、建設綠色礦山、發展循環經濟以及礦山可持續發展起到很好的示范推廣作用。
（四）充填力學研究向現場連續監測與預報發展許多應用充填采礦法的礦山，對充填體的作用及其對采場圍巖穩定性影響的研究都比較重視，經常聯合科研院校并注入了相當多的資金開展試驗研究，主要通過原巖應力測量和礦巖的物理力學性質檢測及在井下采場充填體中和上、下盤圍巖中埋設各種應力、應變儀器來實測相關參數，再將這些參數按預定建立的數學模型輸入計算機進行演算，從而得出一定的結論。
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