矿区亟待解决的重大科学与工程技术难题。通过调研，阳泉 集团与中国矿业大学合作，提出了综合机械化固体充填采煤技术项目研究， 旨在通过研发工作面固体充填采煤设备及工艺等技术，在保证地表建构筑物 安全使用的前提下，达到开采出三下压煤的目的，并实现固体废弃物井下处 理减少辅助运输压力降低排矸费用，减少固体废弃物地面堆积对环境的污染破 坏，实现矿区资源与环境的协调发展。该技术的研究具有以下重要意义 提高矿井煤炭采出率，延长矿井服务年限 第页 研发的综合机械化固体充填采煤技术可安全高效采出三下压煤，采出率 可达，延长了矿井的服务年限。同时，缓解了资源枯竭型矿井带来的人员就 业问题，确保了矿区社会的稳定。 实现矸石等固体废弃物井下处理，改善矿区周边生态与生存环境 该项技术的成功实施，可解决矸石等地面排放带来的生态环境破坏问题，改 善矿区周边的环境，以及生存与生活环境。 革新煤矿企业的采煤方法，为类似条件矿井开采提供重要的技术借鉴 该项技术的成功应用，将推动我国三下压煤开采技术的发展，革新充填 采煤技术，为我国存在类似问题的矿井开采提供重要的技术借鉴。 总之，该项技术的研发对充填采煤方法的发展具有重要意义，对三下压 煤开采技术的发展具有推动作用，其科学与工程技术意义重大。 国内外研究现状 充填采煤就是在用井下或地面的矸石粉煤灰等充填物料充入采空区，达到 控制岩层运动及地表沉陷的目的。按充填方式可分为水力充填风力充填机械 充填矸石自溜充填等。按所采用充填物料和输送方式的不同，将充填采煤方法 分为用矿车风力或其它机械输送干式充填料充填采空区的干式充填采矿法 用水力管道输送选厂尾砂山砂河砂炉渣棒磨砂碎石等充填料充填采空 区的水力充填采矿法用水泥及其代用品或其它胶凝材料与选厂尾砂等配制成具 有胶结性质的充填物料充填采空区的胶结充填采矿法。国外在重要建构筑物 下开采时，也曾采用混凝土充填。 国外如波兰德国法国等煤矿都曾采用过充填法采煤。充填采煤在波 兰德国发展应用效果好且广泛。波兰在城镇及工业建构筑物下采煤时采用 水砂充填的采煤量占全国建构筑物下采煤量的左右。国外使用的充填料 通常是河砂煤矸石和电厂粉煤灰等。英国法国比利时等国都不同程度地采 用了风力充填方法。我国在抚顺用废油母页岩充填采空区，下沉系数为蛟 河煤矿将矸石破碎作为充填物料，其下沉系数为。 矿山充填技术是为了满足采矿工业的需要发展起来的。矿山充填虽然已达数 第页 百年的历史，但早期的是从矿山排弃地下废料开始的，最早有计划地进行充填的 是年澳大利亚的塔斯马尼亚芒特莱尔矿和北莱尔矿应用废石充填采煤。 在矿山充填方面取得较大的进展，在国外有将近年的历史，而在我国则是 近年的历史。国内外矿山充填技术的发展均经历了四个发展阶段，但国内的发 展要比国外滞后年，由于借鉴了国外的经验，不断进行科技创新，因而其 差距已逐步缩小。 第阶段国外在二十世纪年代以前，以处理废弃物为目的，在不完全了 解充填物料性质和使用效果的情况下，将矿山废料送入井下采空区。如澳大利亚 北莱尔矿在上世纪初的废石充填，以及加拿大诺兰达公司霍恩矿在年代将粒状 炉渣加磁黄铁矿充入采空区。 国内在上世纪年代以前，均是以处理废弃物为目的的废石干式充填工艺。 废石干式充填采矿法曾在年代初期成为我国主要的采矿法之，年在有色 金属矿床地下开采中占，在黑色金属矿床地下开采中竟达到了。但于 年以后，随着回采技术的发展，废石干式充填因其效率低，生产能力小和劳 动强度大，满足不了回采技术发展的需要。因而，自年开始，国内干式充填 法所占比重下降，到年在有色矿山担负的产量仅占，处于被淘汰的地位。 第二阶段世纪年代，澳大利亚和加拿大等国的些矿山开发并应 用了水砂充填技术。从此真正将矿山充填纳入了采矿计划，成为采矿系统的个 组成部分，并且对充填料及充填工艺展开研究。这阶段主要是将尾矿借助水力 充入井下采空区，其充填料的输送浓度填等。胶结充填物 料包括包括胶结剂充填骨料和水。般地讲，胶结剂应满足以下两个条件第 ，形成的胶结充填物料达到控制岩层移动和地表变形所需的强度第二，胶结 剂和对应的充填物料成本低廉。新型的材料主要有全砂材料与高水速凝材料。前 者所固结的砂土中含泥量可达甚至更高，而水泥般在左右后者能将 倍于自身体积的水凝结成固体，具有速凝早强的特性。 覆岩离层注浆充填法 覆岩离层注浆充填法是利用矿层开采后覆岩开裂过程中形成的离层空间，借 助高压注浆泵，从地面通过钻孔向离层空间注入充填物料，占据空间减少采出 空间向上的传递，支撑离层上位岩层减缓岩层的进步弯曲下沉，从而达到减 缓地表下沉的目的。 该充填法是近年来才开发研究的。研究认为采场离层带的产生是有定条件 的，即在煤层上覆岩层中存在硬度明显不同且具有定厚度的岩层。且通过试验 表明，在工作面前后方处离层发展最为充分。我国自世纪年代后期 先后在大屯徐庄煤矿新汶华丰煤矿兖州东滩煤矿等进行了离层注浆试验，不 同程度地减缓了地表沉陷，取得了定的实践经验，取得了定的效果。但对离 第页 层注浆的减沉效果尚存在争论。 冒落矸石空隙注浆胶结充填减沉法 该技术利用冒落带岩石的碎胀性注入胶结材料对采空区矸石进行固结，现在 尚处于实验阶段。此充填法有以下特点第，浆液充填至采空区冒落矸石的空 隙第二，浆液凝固后有胶结性能及定的强度第三，充填浆液凝固后无水析 出，克服了水砂充填排滤水的难题第四，充填与采煤平行作业。 粉煤灰部分代替水泥充填法 在应用水砂胶结充填的矿井中，为了节约生产成本和保护生态环境，有人提 出用热电厂的粉煤灰部分地代替水泥形成充填料浆，取得了良好的经济与社会效 益。粉煤灰是热电厂排弃的废料，占用土地污染环境，年排放量在亿左右， 但利用率仅为。研究表明，粉煤灰是种人工火山灰材料，具有定的胶结 性能，可以部分地代替水泥，在矿山充填领域具有广阔的应用前景。 煤矸石充填采煤法 在煤矿的煤炭生产中伴随产生的固体废物矸石在，我国历年累计堆放 的煤矸石约亿，而且堆积量每年还以亿的速度增加。美国年产矸石 量也在亿以上，经洗选产生的入选煤量的做为矸石直接排放于矸石山。 相关专家学者普遍认为，煤矿排矸带来的问题，可以通过煤矸石作为充填物料充 填在井下得以解决。 合理的矸石充填技术能够置换出更多的煤炭资源，从而提高煤炭资源的采出 率。矸石充填技术在世纪年代的欧洲煤炭行业中应用较为普遍。美国在长 壁工作面以及近距离煤层开采中，也采用了矸石充填技术。同时认为矸石充填技 术方面能控制地表的下沉而达到加强矿井通风的管理防止井下煤炭自燃的目 的。风流经过井下通风系统中的风墙风桥等时会出现漏风的状况，这些都是由 于地表运动产生裂隙引起的，充填可以解决上述问题。 矸石充填的方法般根据充填料充填采空区的方式来确定，包括人工充填 机械充填风力充填水力充填。常用的两种充填方法是风力充填和水力充填。 不同的充填系统的充填料般由新掘进矸石矸石山矸石砂子采石场碎石及 第页 粉煤灰等，并且般加入胶结料或其它添加剂组成。 考虑到煤矿矸石成分中含有大量的摩擦系数小的矿物成分粘土，矸石充填 物料没有足够的支撑力适用所有需保护地表的井下充填。因此，在矸石中添加适 当的胶结材料，可提高充填矸石的强度和刚度。但胶结材料与矸石混合后含有大 量的影响充填物料强度的物质粘土煤黄铁矿。相关研究表明粉煤与易膨 胀的粘土暴露在充填物料表面，有可能吸水膨胀导致充填物料内层暴露并被氧化 黄铁矿暴露在充填物料的表面，很容易在水和空气的作用下被氧化，形成硫酸亚 铁及酸性水，硫酸亚铁被进步氧化成硫酸铁。随着与碱土金属物粘土矿物 的混合，黄铁矿被氧化后，大多数硫酸盐离子逐渐成为自由状态，形成硫酸钙 硫酸镁硫酸钠以及硫酸钾等。硫酸盐与硅酸盐水泥中的成分发生反应，形成新 的不溶解混合物。这种混合物的形成过程中分子体积增大，引起胶结体体积膨胀 甚至崩解。硫酸镁硫酸钠以及硫酸钾比硫酸钙更易溶于水，所以对胶结充填物 料的影响更大。 针对以上胶结矸石充填带来的问题，研究认为煤矿矸石并不是好的充填骨料， 胶结充填物料也不定是煤矿好的充填物料。未胶结的煤矸石充填物料将有足够 支撑强度控制上覆岩层，尤其是在残留的煤柱被动支护中。且认为研究未胶结煤 矸石作为充填物料，是煤矿充填技术发展的方向。 近几年来，根据煤矿充填采煤技术的发展方向，中国矿业大学固体充填采煤 课题研究组先后开发了采空区高效机械化矸石充填采煤技术建筑物下固体充填 长壁综合机械化采煤技术安全高效高回收率固体充填采煤技术等，并在新汶 兖州济宁皖北淮北开滦平顶山等矿区取得成功应用，解放了大量的三 下压煤资源。 研究内容与技术路线 研究内容 综合机械化固体充填采煤技术是将固体充填物料矸石粉煤灰等充填入 采空区内，在保证地表建构筑物正常安全使用的前提下，最大程度的实现三 下压煤的开采，因此，主要研究内容如下 第页 充填物料的物理力学特性测试分析 充填物料的基本特性测试主要包括物理化学特性和力学特性，力学特性主要 是充填物料不同级配条件下的压实特性试验研究，测试充填物料的压实度密度 与压应力变化规律，其试验结果为充填采煤技术的研究提供可靠的基础试验数据。 充填物料井上下运输系统设计 根据试验得到的充填物料基本特性，设计合理的垂直投料输送系统，确保垂 直投料输送系统的可靠性及固体充填物料的