一、開(kāi)展充填開(kāi)采的背景
我國(guó)“三下”壓煤高達(dá)140億噸，東部由于人口密集，“三下”壓煤量已普遍超出可采儲(chǔ)量的50%。
新礦集團(tuán)建企于1956年，1988年建成山東省內(nèi)首家千萬(wàn)噸企業(yè)，迄今已有62年的發(fā)展歷史。面對(duì)開(kāi)采強(qiáng)度的增加，優(yōu)勢(shì)資源的減少，國(guó)家經(jīng)濟(jì)戰(zhàn)略的調(diào)整等一些客觀條件，新礦集團(tuán)也出現(xiàn)了一系列現(xiàn)實(shí)問(wèn)題：
1.老區(qū)礦井資源。新礦集團(tuán)老礦區(qū)原有的2.34億噸可采儲(chǔ)量，“三下一上”壓煤量1.71億噸，占73%。
2.環(huán)保壓力大。最多時(shí)形成了22座矸石山，占地92公頃，歷史最高矸石堆存量4833萬(wàn)噸。
3.省內(nèi)礦井村莊壓煤地企矛盾凸顯。新礦老區(qū)壓覆村莊143個(gè)，省內(nèi)新區(qū)壓覆村莊104個(gè)。
總之，新礦集團(tuán)面臨煤礦開(kāi)采與生態(tài)環(huán)境保護(hù)、社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、能源安全保障、社會(huì)地區(qū)穩(wěn)定等方面的問(wèn)題，亟待研究生產(chǎn)方式的變革。
二、自主創(chuàng)新“五充一選”工藝技術(shù)
1.充填方式的演變
自20世紀(jì)60年代開(kāi)始，礦井開(kāi)采主要采用水砂充填法。
自2004年開(kāi)始，先后采用原生矸石普采充填技術(shù)、原生矸石綜采充填技術(shù)、地面矸石似膏體自流充填技術(shù)、煤矸石泵送充填技術(shù)、煤矸石低壓風(fēng)動(dòng)力充填技術(shù)，至2009年開(kāi)始采用井下煤矸分離技術(shù)。
2.“五充一選” 工藝技術(shù)
（1）工藝一：原生矸石普采充填技術(shù)
將矸石用運(yùn)輸機(jī)送到普采工作面，利用高速動(dòng)力拋?lái)窓C(jī)將其拋到采空區(qū)內(nèi)，拋?lái)匪俣瓤蛇_(dá)5 m/s以上；系統(tǒng)生產(chǎn)能力達(dá)到了450 t/d，工作面單產(chǎn)1.2萬(wàn)噸以上。
（2）工藝二：原生矸石綜采充填技術(shù)
充填工藝過(guò)程如圖5、圖6、圖7所示。
充填工作面的作業(yè)方式為前面采煤，后面緊跟矸石充填，并有專(zhuān)用裝置進(jìn)一步壓實(shí)。充填能力達(dá)到200 t/h，生產(chǎn)能力達(dá)到了2000 t/d，年充填矸石可達(dá)30萬(wàn)m3，充填致密度達(dá)到90%以上。
（3）工藝三：地面矸石似膏體自流充填技術(shù)
主要技術(shù)要求：
——似膏體混合料：煤矸石、粉煤灰、水泥；
——似膏體質(zhì)量濃度：72%；
——濾水率：3～5%；
——管路內(nèi)徑：120mm。
充填路徑：充填制備站→充填鉆孔→鉆孔繞道→工作面順槽→采空區(qū)。
充填系統(tǒng)：主要分地面漿料制備系統(tǒng)、充填管路輸送系統(tǒng)、采場(chǎng)充填系統(tǒng)三部分。
地面漿料制備系統(tǒng)包括：煤矸石輸送、破碎、篩分、煤矸石喂料倉(cāng)、粉煤灰倉(cāng)、攪拌桶等。
（4）工藝四：煤矸石泵送充填技術(shù)
2007年新礦集團(tuán)在某分公司61303工作面通過(guò)泵送充填取得成功，工作面單產(chǎn)1.5萬(wàn)t左右。具體工藝流程如圖10所示。
（5）工藝五：煤矸石低壓風(fēng)動(dòng)力充填技術(shù)
2009年，新礦集團(tuán)在某礦試驗(yàn)成功了高檔普采工藝下的風(fēng)力管道充填技術(shù)。矸石輸送量最大可達(dá)120t/h，水平輸送距離可達(dá)300-1400m。
（6）工藝六：井下煤矸分離技術(shù)
采用以矸換煤工藝，直接在井下建立煤矸分離系統(tǒng)，煤炭分選率達(dá)到96%以上。目前新礦集團(tuán)已建成六個(gè)井下煤矸分離系統(tǒng)。共分為2種形式：一種是原煤篩分系統(tǒng)，一種是淺槽重介分離系統(tǒng)。
三、一體化矸石充填系統(tǒng)
新礦集團(tuán)在“五充一選”基礎(chǔ)上，形成了“井下原生矸石充填、井下淺槽重介煤矸分離、地面矸石下井回填”于一體的矸石充填系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)了“矸石不轉(zhuǎn)移、不升井、不堆山”三項(xiàng)目標(biāo)。
1.原生矸石充填系統(tǒng)：將采掘工作面源頭產(chǎn)生的矸石通過(guò)井下運(yùn)輸系統(tǒng)運(yùn)至采煤工作面采空區(qū)內(nèi)充填，實(shí)現(xiàn)原矸回填。
2.井下重介淺槽煤矸分離系統(tǒng)：入洗能力最大150噸/小時(shí)，每年可選出30萬(wàn)噸矸石用于井下充填，大幅減少礦井的無(wú)效提升運(yùn)輸量，每年節(jié)約提升運(yùn)輸費(fèi)用360萬(wàn)元以上。
3.地面矸石下井回填系統(tǒng)：將原來(lái)堆存于地面的矸石，輸送到井下充填。直投式地面下矸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了將地面矸石和粉煤灰下井回填。
四、實(shí)施充填開(kāi)采效果
1.壓覆資源大量解放
經(jīng)過(guò)10余年的探索和實(shí)踐，相繼在15對(duì)礦井，90余個(gè)工作面推廣應(yīng)用充填開(kāi)采工藝，累計(jì)以矸換煤產(chǎn)量1600萬(wàn)噸以上，充填矸石2100萬(wàn)噸以上。礦區(qū)呆滯資源變?yōu)橛行Э刹少Y源1億噸以上，老區(qū)礦井服務(wù)年限延長(zhǎng)10年以上，回收率提高10%以上。
2.安全系數(shù)得到提高
提高實(shí)施矸石充填技術(shù)，避免了瓦斯爆炸事故，杜絕了煤層自燃發(fā)火事故，防止了突水災(zāi)害，降低了頂板事故危害。
3.生態(tài)環(huán)境得到有效保護(hù)
新礦集團(tuán)已停運(yùn)矸石山12座，減少矸石山7座，開(kāi)采地面下沉系數(shù)僅為0.3，最小值為0.1。
4.取得的技術(shù)成果
通過(guò)開(kāi)發(fā)利用矸石充填技術(shù)，新礦集團(tuán)已有24項(xiàng)成果獲得上級(jí)獎(jiǎng)勵(lì)，其中，“矸石充填置換煤關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用”項(xiàng)目獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步二等獎(jiǎng)和山東省重大節(jié)能成果獎(jiǎng)；“煤礦采場(chǎng)似膏體自流充填工藝”等13項(xiàng)技術(shù)獲得國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。
新礦集團(tuán)先后承擔(dān)了12項(xiàng)充填開(kāi)采技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)起草任務(wù)?！熬C合機(jī)械化固體充填采煤方法技術(shù)規(guī)范”（NB/T51002-2012）已正式頒布實(shí)施?！皰佂妒焦腆w充填采煤技術(shù)規(guī)范”、“煤礦充填開(kāi)采效果評(píng)價(jià)方法”等8項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)已通過(guò)煤礦專(zhuān)用設(shè)備標(biāo)委會(huì)的審查?！氨盟统涮畈擅杭夹g(shù)規(guī)范”、“似膏體充填采煤技術(shù)規(guī)范”按計(jì)劃正在研究制訂中。
2011年9月，新礦集團(tuán)被國(guó)土資源部、財(cái)政部命名為“全國(guó)首批礦產(chǎn)資源綜合利用示范基地”。2012年4月，國(guó)家能源局在泰安“全國(guó)煤礦充填開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)會(huì)”對(duì)新礦集團(tuán)充填開(kāi)采經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)推廣。2013年6月，國(guó)家發(fā)改委批復(fù)新礦集團(tuán)承擔(dān)建設(shè)“煤礦充填開(kāi)采國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室”。
新礦集團(tuán)按照工藝產(chǎn)業(yè)化，服務(wù)專(zhuān)業(yè)化，設(shè)備配套化的模式，從設(shè)計(jì)、施工、安裝、運(yùn)行、管理等方面按照保姆式服務(wù)打造新礦集團(tuán)自己的產(chǎn)業(yè)品牌。利用自有專(zhuān)利技術(shù)自行設(shè)計(jì)制造了“六柱式”充填支架，先后成功在河北、遼寧等省區(qū)的9多個(gè)礦井施工充填開(kāi)采項(xiàng)目18項(xiàng)，簽訂服務(wù)合同1.8億余元。
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