建下開采技術：矸石“變”烏金
近日，筆者來到冀中能源金牛股份邢臺礦機修廠的一座具有四十年歷史的大型廠房前，磚瓦結構的墻壁被粉刷得整整齊齊，廠房內機器轟鳴，一派繁忙景象。如果不是工程技術人員的介紹，真難以想象，這座廠房地下僅300多米處就是該礦第一個綜合機械化采后矸石充填的“7606工作面”。采面早已結束，而地面不塌陷，建筑毫發無損，車間工作如常。這一切就是金牛股份公司首創的綜合機械化工作面采后矸石充填技術所創造的奇跡。
一個令人頭痛的問題
建筑物下采煤，是一個世界性難題，更是煤炭企業不得不面對的事關生存發展的大問題。特別是在我國東部平原地區，煤田上經常是大大小小的村莊、阡陌縱橫的良田、四通八達的交通網。煤炭采出后，往往會引發地面塌陷，造成村莊建筑毀壞，道路損毀，良田無法耕種，生態環境遭到不同程度的破壞。為了避免破壞，煤炭企業只能望而卻步，致使大量煤炭資源呆滯。到目前為止，全國僅建筑物下壓煤就達78.2億噸。金牛股份公司同樣存在著建筑物下壓覆大量煤炭資源的問題，該公司邢臺礦井田處于人口密度較高的邢臺市近郊，地面村莊和公路較多，而在這下面卻埋壓著5800萬噸優質煤炭，棄之不采非常可惜。為了解放這些呆滯資源，針對“建下”壓煤，各大煤炭企業探索了多種開采方法和途徑，陸續形成了水沙充填開采、巷道充填式開采等一系列方法，但都因生產效率低、生產成本高、充填密度不夠等因素沒有得到規模應用，特別是適合大型綜合機械化采煤的長壁高效機械化充填開采技術一直是個難解之謎。
建筑物下壓煤讓企業作難，而礦山企業開采中形成的矸石山，也讓政府頭痛。礦山企業地下開采，形成大量的采空區，造成地面塌陷、土地損毀等多種生態環境破壞。矸石是我國排放量最大的工業廢物，約占我國工業固體廢物的四分之一。有資料顯示，全國歷年累計堆存的煤矸石約36億噸，規模較大的矸石山約 2600座，占地1.2萬公頃。長期在地面露天堆放，矸石產生的粉塵和自燃時產生的有害氣體對大氣造成的污染相當嚴重。與大多數煤炭企業一樣，金牛股份公司邢臺礦目前矸石山的堆積量達到380萬噸以上。加上洗煤廠、矸石熱電廠每年30萬立方的洗矸廢渣和37萬立方的粉煤灰難以消化，給礦區周圍環境造成不同程度的污染。
為此，致力于科技創新興企的金牛股份公司，下決心在破解這一世界性難題上闖出一條新路，通過技術創新，改變煤炭開采工藝，尋求既能解放煤炭資源，又不再污染環境的兩全齊美之策。
一次革命性的嘗試
建下埋壓的資源不能采，采煤后地表就會塌陷，企業很發愁；矸石山長期露天存放，釋放有害氣體，污染環境，政府很擔心。能不能找到一種方法，把煤炭采出來，再把地面固體廢棄物回填進去，既減少對環境的污染，又防止地面塌陷？
對于建下采煤技術的研究，多年來許多煤企投入了大量精力，但終因綜合效益不理想，沒有實質性突破。金牛股份全力挺進建下采煤這一禁區，可謂是一次革命性的嘗試。但必須解決的問題一個也不能少：一是建筑物下采煤后，特別是綜合機械化采煤，采空區面積大，影響廣，要保證地表不塌陷，基本方法就是采后充填，怎么填？用什么來填？哪種填充物綜合效益最好？二是綜合機械化采煤，回采速度較快，固體物充填必須與采煤速度同步，如果不能實現邊出煤邊充填，就具備不了大規模生產的需求，難以在實際生產中應用。三是充填后的密實程度必須足以支撐頂板不下沉，如果充填不密實，達不到支撐效果，地表就會沉陷，整個工作都將功虧一簣。
2008年，帶著這些問題，金牛股份公司建下充填開采技術項目在邢臺礦正式啟動。為確保技術的可靠性，公司聯手中國礦業大學進行攻關。經過科學論證和權衡利弊得失，他們選擇了矸石粉煤灰固體充填為基本方式，以位于工業廣場下的7606工作面為首個充填試驗工作面，公司為此專門抽調相關專業技術人員，全力開展技術攻關。
在近一年的研究實踐中，他們先后解決了大面積控頂頂板管理困難、垂直投料對設備沖擊過大、投料管和渣倉易堵塞等技術難題，設計制造了采煤充填兩用液壓支架。圍繞充填過程中的物料配比、儲藏運輸、采后填充、快速搗實、在線監測等環節，不斷優化工藝流程，抓住頂板不垮落、不下沉這個關鍵目標，改變原來的先出煤、后充填、再搗實的分步作業方式，形成了回采、充填、搗實的“三同時”作業流程。其中充填工作面所用的關鍵設備多為自主研制而成，很好地滿足了采面高效生產的需求。7606工作面回采完畢后，其充填量、充實率、頂板變形控制等技術參數均達到了設計要求，從地面變形、工作面壓力、工作面兩巷壓力、充填體壓力、上覆巖層、工作面鉆孔窺視情況等六個方面的在線動態監測數據表明，170余個觀測點均未發現異常，地面建筑物完好無損。充填速度的加快減小了對采煤效率的影響，工作面由試驗初期的月產原煤1萬多噸，逐步提高到月產5萬噸以上的水平。走出了一條工藝先進、管理科學、安全可靠、效益提高的充填采煤新路子，形成了一批具有自主知識產權的技術成果，標志著該公司首創的建下開采固體充填成套技術取得了巨大成功，并形成了三大特色，一是獨創了具備采煤與充填功能的兩用液壓支架，實現了邊采煤邊充填；二是獨創了充填物搗實機構，實現了邊充填邊搗實，保證了采后充填物的密實度；三是獨創了投料防沖擊裝置，可避免充填物在由井上向井下運輸過程對管道的巨大沖擊和破壞。
兩全齊美之舉
金牛股份公司獨特的綜合機械化工作面采后矸石充填技術，簡單地說就是利用矸石、粉煤灰等固體廢棄物，混合后添加粘結料，投放到井下，對綜采支架后方的采空區進行充填，以體積換體積，把煤炭資源置換出來。該工藝不但可以解放呆滯煤炭資源，而且還解決了矸石與粉煤灰地面排放造成的環境污染問題，具有深遠的社會效益和經濟效益，可謂兩全齊美之舉。原來令人討厭的煤矸石，搖身一變換回了滾滾烏金。
金牛股份邢臺礦最早從中受益，該技術的成功應用將幫助他們解放建下壓煤2000多萬噸，結合防治水技術，還可對下組煤2000多萬噸實施回采。以該礦現有生產能力計算，將延長礦井壽命20多年。與此同時，每年還將吃掉矸石和粉煤灰60多萬噸。對此，河北省政府國資委副主任劉清芳在邢臺礦調研時給予了高度評價，他說，該技術對于保護生態環境，建設綠色礦山，發展循環經濟，打造和諧礦區都具有十分重大的意義。
該技術一經試驗成功，即產生了巨大的蝴蝶效應。冀中能源集團所轄礦井均不同程度存在村莊建筑物壓煤問題。充填實驗成功后，他們當即在全集團公司進行推廣，由此將解放呆滯煤量8億噸，相當于找到了一個大煤田，并逐步吃掉一座座矸石山。該技術的成功運用，還受到煤炭行業的高度關注和濃厚興趣，山東新汶礦業集團、山西霍州煤礦集團、安徽淮北礦業集團等煤炭同行前來參觀學習。到目前，該公司已接待前來參觀學習這項技術的單位、團體16批260余人。
在中國煤炭工業協會組織專家對這項建下采煤技術進行鑒定時，與會的錢鳴高院士認為，該技術可以有效地解決矸石與粉煤灰的地面排放造成的環境污染與破壞等問題；減輕地表沉陷帶來的生態破壞等問題，達到了國際領先水平，是礦山開采中保護生態環境的有效方法，對于解放我國東部地區建筑物下壓煤具有重大意義
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