榆林神华能源有限公司青龙寺煤矿分公司 719315
摘要：在总结过去我国煤矿矸石井下处理实践经验的基础上，结合易自燃煤层开采特点，因地制宜，提出了矸石堵漏充填防灭火技术，并系统论述了其技术原理与工艺方法。此项技术已得到成功应用，通过现场实测充分验证了矸石堵漏充填防灭火技术的可行性，这为采空区防灭火提供了绿色新技术，实现了矸石不升井与资源化利用的目标。
关键词：矸石；井下低成本处理；堵漏充填；防灭火
0引言
我国煤矿矸石排放量一般占原煤产量的8％～20％，平均约为12％。2015年煤炭产量37.5亿吨，而煤矸石综合利用率仅64%。由于煤矸石对环境的恶劣影响，应该首先实行矸石在井下处理，其次是进行矸石利用[1-2]。因此，绿色开采技术的核心内容之一“矸石不升井”成为研究的热点[3-6]。目前，“矸石不升井”的重点攻关方向集中在基于矸石或矸石混合物料力学性能的巷旁充填护巷和采空区充填控制地表沉陷等方面，围绕充填材料、充填料浆制备、充填工艺参数、充填体力学性能及承载特性、充填体作用机理、充填体质量评价等方面展开研究，取得了不少成果[7-10]。目前主要是沿用了传统的充填矸石构筑承载体实现控制矿压的方法，但煤矸石的井下处理途径仍然较为单一，且推广难度较大。大量实践发现，依照传统处理方法，虽实现了矸石井下处理，但增加了矿井生产工序、作业人员数量，加剧了“采充”矛盾，增加了煤矸石处理成本。
利用矸石堵漏充填采空区，在实现矸石不升井与矸石低成本处理的同时，达到了资源化利用与防灭火之目的，使煤炭企业进一步节约生产成本，创造更大效益。在当今资源开发环境成本日益高涨，特别是“十三五”规划中对建设生态文明矿区及提升资源综合利用水平的要求，将会给煤矸石的资源化利用提供广阔空间。本文研究了矸石（主要指来自岩层及半煤岩巷、硐室、高抽巷掘进及底鼓治理所出矸石）井下处理与矸石堵漏防灭火问题，开发了矸石采空区充填封堵漏风技术，在煤矿井下进行了成功应用，为今后矸石井下低成本处理与煤自燃发火防控技术提供了新的技术借鉴。
1采空区矸石堵漏充填防灭火技术原理
（1）煤炭自燃倾向性影响因素
根据该矿易自燃煤层特点，建立了影响煤炭自燃倾向性的因素指标体系见图1所示。
煤自燃取决于地质条件、煤的特性、开采因素及通风条件。通风对煤自燃的影响主要表现在采空区和煤柱裂隙的漏风，一般漏风供氧量越小，氧化生热越少，煤不易自热和自燃。
（2）矸石堵漏充填的作用
采空区的漏风为遗煤自燃提供了有利条件[11]，因此，“堵漏”成为防治煤自燃的最主要方法之一。矸石堵漏充填的作用主要体现在：
①将采空区遗煤包裹起来，起隔绝空气作用；
②充填物料在浮煤和冒落的岩石缝隙之间填充，可大大减少漏风通道；
③对于已经自热的煤有冷却散热的作用。
通过采空区漏风检测，选择主要漏风通道进行充填，在根源上可消除采空区煤炭氧化自燃的隐患。
图1煤炭自燃倾向性影响因素指标体系
2研究区采矿技术条件与矸石充填材料配制
2.1矿井采矿技术条件
某矿主采侏罗纪4-2#煤层，采用走向长壁综合机械化放顶煤一次采全高采煤法，其厚度一般8～12m，平均厚度11.08m，属特厚易自燃煤层。工作面采用高抽巷抽放为主的瓦斯治理措施，由于高抽巷布置在煤层顶板以上30m左右的岩层中，掘进过程中会产生较多矸石，矸石排放量约为5万t/a。
另外，该矿过去建立了以黄泥灌浆为主，气雾阻化、注三相泡沫、均压、堵漏、注氮为辅的综合防灭火措施，通过掘进灌浆巷、预先埋灌浆、灌浆巷做墙封闭后对老空区进行灌浆达到防止发火的目的。但实践中发现存在如下问题：
①采用黄泥浆填充老空区，则灌浆量非常大，且易造成工作面出水严重，影响矿井生产；
②灌浆前要对灌浆巷老空段进行做墙封闭，运料难度大、工人劳动强度高、安全隐患大；
③料石砌墙常存在封顶不严，墙体漏风，形成了缓慢氧化环境，加剧了煤层自燃发火。
2.2高参量黄泥矸石浆液非胶结充填材料性能
该矿高抽巷掘进排放矸石以灰～灰白色中粗砂岩、细砂岩为主，主要成分为长石、石英，斜层理发育，分选性差，钙质胶结。矸石自然粒径级配变化大，破碎矸石颗粒级配的选择将直接对矸石浆液的流动性能产生影响，在满足泵送和控制破碎成本的前提下，确定破碎煤矸石的粒径小于12mm为宜。
由于矸石样品为单一岩性的岩块，经破碎后的矸石中细粉料比重较小，单独采用“矸石+水”配制料浆很难满足泵送要求。由于该矿辅助运输压力大，不具备向井下大量运输粉料的条件，考虑到矿井现有黄泥灌浆系统，因此优先选择碎矸石、黄泥、外加剂和矿井水为充填物料。黄泥中细粉较多，可充当润管剂作用，适当添加黄泥，是取得更好泵送性能的关键。
实验室开展了“矸石+黄泥+水”型高参量黄泥浆液质量浓度实验，实验结果如下表1所示：
“矸石＋黄泥+水”型高参量黄泥矸石浆液质量浓度大于82％时，放置24 h 后仍具有较好的流动性，泌水率不超过3.5％，具有较好的稳定性，能够满足管道输送的要求。但是，矸石细颗粒对充填材料的坍落度影响作用较粗颗粒显著，质量浓度的提高对充填材料的坍落度不利。在充填材料中添加优质粉煤灰能够提高和易性，可充分发挥粉煤灰的润滑效果，降低坍落度损失，进一步提高矸石充填材料的可泵性。
3采空区矸石堵漏防灭火效果
3.1模拟分析
（1）模型建立与参数设计
为了降低数值计算模型的时间复杂度，只模拟采空区深度100m内的气体分布，工作面几何尺寸159×4.5×2.8m，工作面三维模型见图2所示。
图2 工作面计算模型
（2）数值模拟模型的边界条件设置及初始化
模型将进风巷的面设置为VELOCITY_INLET，回风巷和高抽巷的面设置为OUTFLOW，将采空区设置为porous(多孔介质)区域。
根据采场上覆岩层移动理论，分析综放开采后采空区顶板岩性和垮落岩体的破坏特性，计算得出工作面自然堆积区的碎胀系数Kp1=1.64，压实稳定区的碎胀系数Kp2=1.07。采空区渗透率分布可近似为以下分段函数，
式中，x，y为工作面走向和倾斜方向上的坐标，m；Ls为基本稳定点离工作面的距离，m；L为工作面倾斜长度，m。
（3）模拟结果分析
采用FLUENT流体数值模拟软件，对该矿工作面有、无矸石充填采空区两种情况进行数值模拟分析，设工作面运输巷的风速为1.17m/s，经过迭代计算获得了工作面矸石充填堵漏前后采空区漏风分布规律，如图3、图4所示。
（a）距地面1m平面风速分布 （b）距地面1m平面氧气浓度分布
图3 充填前工作面采空区漏风分布规律
（a）距地面1m平面风速分布 （b）距地面1m平面氧气浓度分布
图4 充填后采空区漏风分布规律
通过采空区风流场数值模拟得出采空区漏风分布规律：
①工作面向采空区的漏风主要集中在进风下隅角附近的风流过渡区，而采空区向工作面的漏风主要集中在回风上隅角附近，工作面的漏风量随着配风量的增大而增大；中势面的位置不受工作面配风量大小的影响。
②采空区氧气浓度分布整体呈现上部较小，下部较大；采空区深部较小，靠近工作面侧较大；上隅角的氧气浓度较小，下隅角的氧气浓度较大。
③以氧气浓度15%作为不燃带与自燃带的分界线时，该分界线距工作面后溜子的距离为2~15m，充填后的距离为2~20m；以氧气浓度为5%作为不燃带与窒息带的分界线时，该分界线距工作面后溜子的距离从下隅角后部的90m到上隅角后的40m不等，充填后的距离为35~80m。
④使用矸石充填技术后，从运输巷漏入采空区的风量得到明显的改善，采空区氧气浓度分布有所降低，因此，可以使用矸石充填技术进行采空区堵漏、煤自燃防治。
3.2现场实测
充填工作结束后，对工作面运输巷火区封闭口进行气体监测。28 d 后对 5 个密闭分别进行了取样分析。经过近半年的现场观测，密闭墙的密封性较好，没有产生漏风裂隙，密闭墙的的氧气浓度均在3.5% 以下，没有检测到 CO 指标气体；由于运顺火区的CH4和CO2浓度均较小，CH4浓度最大不超过0.25%，CO2浓度最大不超过0.12%，采空区没有发火征兆。因此，采用边采边充矸石堵漏充填技术能够实现防灭火的目的。
4工程应用概况
4.1充填工艺
（1）充填位置
4-2#煤采用综采放顶煤回采工艺，工作面两端头各有4 架支架不放顶煤，在端头支架和两巷宽度范围内的采空区，形成两条松散的冒落煤体带。据有关实测表明，氧化升温带最宽处位于两巷附近冒落区，这也是采空区漏风的主要通道。选择两巷冒落区和煤体带内侧作为充填主要对象，有助于封堵漏风通道，增大漏风阻力，有效迟滞和减少采空区氧化升温带的形成，对于防止采空区自燃最为有利，该区煤体松散，具备充填的条件。
（2）工艺流程
矸石堵漏防灭火充填工艺设计，是这项技术工程应用的关键。矸石采空区充填堵漏方案为：原生矸石经转载至矸石仓，矸石仓矸石经上料机、破碎机、筛分机后卸至矸粉仓内，将破碎矸石料添加水和其它辅料，在搅拌机作用下充分搅拌成似膏体状，再经矿用输送泵通过管路输送至采空区。黄泥输送采用原黄泥灌浆系统，通过管理连至搅拌机，试验充填工艺流程图见图5所示。
图5 矸石堵漏充填工艺流程
4.2经济效益分析
矿井进行矸石井下处理与防灭火资源化利用，消除了地表矸石山对人类生存环境带来的威胁与危害，满足井下防灭火技术要求。并取得了以下的经济效益 (以该矿目前每年岩巷掘进出矸量 5.0万 t/a计)：①矸石充填工程固定投人合计437.8万元，预计该套设备年折旧额20.8万元；②每吨矸石井下处理费用6.65元/t，即每年矸石井下处理费用为33.25万元（设备总装机功率290kw/h，配备工人5名）；③节约矸石运送至地面运费约为172.5万元（34.5元/t）。④应用新工艺后，使用矸石堵漏充填防灭火技术可大幅减少灭火工程量，降低了工人劳动强度，提高了劳动效率，缩短了施工工期，提高了密闭质量，进而减少防灭火投入100万元以上。
综上可知，此项矸石充填工程每年至少节约费用218.45万元，取得了较好的经济效益。同时，矸石堵漏充填防灭火技术能有效地封堵采空区漏风，避免采空区火灾的发生，保障矿井安全生产，给矿井生产带来重大的安全效益。
5结论
（1）提出了采空区矸石堵漏充填防灭火技术，实现了矸石井下低成本处理与资源化利用的目的，减轻了煤炭生产开发对环境的影响，有效地缓解矿井辅助运输压力，大大提高岩巷的掘进效率，取得了较好的经济效益与社会效益。
（2）利用矸石配制成的高参量黄泥浆液固化后能有效封堵工作面漏风，防止煤自燃发火，开发的矸石堵漏充填技术融合了矿区原有黄泥灌浆系统，可在井下破碎、搅拌、泵送、充填，具有充填泵送效率高、工人劳动强度低、充填成本低等优点。
（3）与以往防灭火技术相比，开发的矸石堵漏充填技术实现了采空区从被动治理到主动防控的理念，能够更有效地防止因漏风而引起的煤自燃发火。但由于煤自燃影响因素较多，采矿条件各一，因此有待开发出适宜于不同煤矿的充填材料及技术。
（4）工作面后方冒落区内，冒落的矸石将逐渐趋于稳定，高参量黄泥矸石浆液充填冒落区空隙，受冒落矸石吸水作用降低甚至失去流动性，与冒落矸石形成整体结构，避免了料浆涌出的隐患。因此，矸石量较大时建议以冒落区充填为主。
参考文献
[1]钱鸣高,许家林,缪协兴.煤矿绿色开采技术[J].中国矿业大学学报,2003,32(4):343-348.
[2]黄庆享.煤炭资源绿色开采[J].陕西煤炭,2008(1):18-21.
[3]钱鸣高,缪协兴,许家林,等.论科学采矿[J].采矿与安全工程学报,2008,2(1):1-10.
论文作者:刘磐,赵鹏,王卫东,郝雄厚
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第32期
论文发表时间:2018/4/17
标签：矸石论文; 采空区论文; 工作面论文; 黄泥论文; 井下论文; 浓度论文; 技术论文; 《建筑学研究前沿》2017年第32期论文;