黄建建
新疆煤炭设计研究院有限责任公司 新疆乌鲁木齐 830091
一、前 言
背景：井工煤矿在建设和生产过程中会产生大量矸石，堆放于地表不仅对周边及区域生态环境造成威胁和破坏，同时存在安全隐患。根据矿井环保要求、绿色矿山建设、《煤矸石综合利用管理办法》和《国家“十三五”规划》，国家鼓励煤矸石井下充填，是符合要求的处理矸石方法之一。
研究意义：煤矸石井下充填可减少对环境的破坏，解放“三下”压煤延长矿井服务年限；降低安全生产隐患；响应国家绿色矿山建设要求。
矿井矸石源：分为矿井建井期间的掘进矸石和矿井生产期间产生的矸石，其中生产期间产生的矸石主要来源于掘进矸石、煤层夹矸和洗煤矸，是矿井的主要矸石源。
二、矸石井下充填现状
目前矿山主要应用的充填方法与技术有胶结充填法、覆岩离层注浆充填法、冒落矸石空隙注浆胶结充填减沉法、煤矸石直接充填法。
1．胶结充填法：始于加拿大，经过几十年的发展，高浓度的胶结充填技术现在已经被应用于实践。例如：似膏体充填、膏体充填等。
2．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，通过钻孔向离层空间注入充填材料。
3．冒落矸石空隙注浆胶结充填减沉法：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。
4．煤矸石直接充填法：在煤层中掘巷或回采工作面采空区中用矸石进行充填，煤层中掘巷充填是以充换煤方式进行置换，提高资源产出率。
在国内可以起到回填矸石作用且比较成熟的充填方式包括刮板输送机卸矸充填、短壁干式充填开采（巷式充填/抛矸充填）和短壁胶结充填（膏体充填）三种方式。
1．刮板输送机卸矸充填技术（或称“综合机械化固体充填采煤技术”），将矸石充填与综合机械化采煤技术有机结合，实现了同一个支架掩护下的充填与采煤平行作业。目前，该技术在我国新汶矿业集团翟镇煤矿、平煤股份十二矿、济宁矿业集团花园煤矿、兖州济三煤矿、徐州三河尖煤矿、皖北五沟煤矿、淮北杨庄煤矿、开滦唐山煤矿、内蒙古泰源煤矿、阳泉东坪煤矿等十几个矿区进行了大规模地推广应用。
2．膏体充填：在地面将煤矸石、劣质土和粉煤灰等固体废物加工成膏状浆体，利用充填泵通过管道送到井下工作面，适时充填采空区的方法。早期主要应用于非煤类矿山，在金川有色金属公司二矿区、铜绿山铜矿、湖田铝土矿、咯拉通克铜矿均采用了膏体充填泵送系统，近期在煤矿井下的应用也逐渐成熟。
3．短壁干式充填开采（巷式充填/抛矸充填）：用条带开釆将井下煤炭资源采出，形成采空区（贮矸空间）后将煤矸石充填到巷道内。山东兖矿集团济三矿、内蒙古裕兴煤矿、肥城煤田曹庄煤矿等矿井均采用了该技术，减少了矸石排放量，控制了岩层移动，提高了煤炭资源的回收率。
三、矸石井下主要处置（回填）技术概述
国内煤矸石井下充填开采技术主要有两种：一是刮板输送机卸矸充填；二是短壁充填开采，其中按照充填物料的不同又分为短壁干式充填（充填物料为矸石散体）和短壁胶结充填（充填物料为膏体）。
（一）刮板输送机卸矸充填
刮板输送机卸矸充填又称综合机械化矸石充填，在综合机械化采煤作业面同时实现综合机械化固体充填作业，实现了在同一液压支架掩护下采煤与充填平行作业，其工艺包括采煤工艺与充填工艺。其中，采煤与运煤系统布置与传统综采相同，不同的是增加了一套将地面充填材料安全高效输送工作面的矸石运输系统，其基本流程为煤矸石通过运输系统运输至井下，再用胶带输送机等运输设备将其运输至充填工作面，借助固体充填综采液压支架、多孔底卸式输送机等充填综采关键设备实现采空区充填。
刮板输送机卸矸充填较理想的煤层厚度为2.5m～4m之间，过高或者过低的开采厚度都会增加充填开采的难度，降低充填效率。且由于布置充填系统前期投资较大，需要新购一套充填专用设备，因此充填区域的选择需考虑充填开采接续计划，至少能满足6～8a的接续。
优点：适用于开采面积较大，储量丰富的边角煤；能够充分发挥综采设备高效优势；充填工艺流畅、效率高、安全性好、操作简单；巷道工程量小，万吨掘进率低，回填区域较大；工作面采用“U”型负压通风，利于自燃防火及井下通风安全；充填材料来源广，价格便宜，成本低。
缺点：充填（回采）工作面配备充填设备和采煤设备，项目投资较大；对矸石破碎粒度要求较高，需要在井上增加破碎系统；工作面俯采时，充填效果较差，对顶板完整性要求较高；地面土建工程大、移交工程量大、准备时间较长；受边角煤范围不规整影响，工作面长度不断变化，支架增加或减小频繁；边角煤区域的顶板压力相对较大，不利于工作面管理维护。
（二）短壁胶结充填开采
短壁胶结充填采煤技术是以煤矸石和粉煤灰等废弃物为主要充填材料，辅以水泥、白灰和水，按照一定的配比在地面拌合制成高浓度浆体，采用大型充填工业泵，通过管道泵送至井下，适时充填采空区的开采方法。该技术通过综掘机或连采机开掘工作面运输巷和回风巷之间的联络巷进行短壁掘进采煤，联络巷形成后，利用胶结充填技术充填联络巷，同时掘进另一条联络巷，实现工作面“掘巷出煤，巷内充填”循环作业。充填工作面一般为配采面，大多布置在三角煤区域或者“三下”压煤区域。
优点：胶结充填开采技术工作面布置比较灵活，工作面形状可以不规则；胶结充填采煤充实率可以达到90%以上，对岩层移动控制效果较好；工作面准备时间短，投产速度快。
缺点：胶结充填先掘巷道，撤出设备后再充填，工艺流畅性较差；胶结材料种类较多，要求配比精确，泵送过程中可能发生堵管，工艺复杂；充填材料需要考虑运输、材料成本；地面系统复杂，前期生产系统投入较大；充填体凝结要求较高，要求无淋水，否则难以凝结形成强度。
（三）短壁干式充填
短壁干式充填（巷式充填）开采技术主要是针对我国部分煤矿井下掘进矸石量大而研发的“井下矸石置换煤柱技术”。该技术是以岩巷、半煤岩巷掘进矸石或者洗选矸石等材料作为充填物料，在工广煤柱、条带开采留设的煤柱、大巷保护煤柱、三角煤及“三下”压煤中布置充填巷，在充填巷掘出后利用矸石充填输送机、高速动力抛矸机等设备将矸石充填于充填巷构筑充填体，从而达到充填置换煤炭资源、控制地表沉陷、处理矸石等废弃物、减少环境污染的目的。充填流程为矸石通过矿车运输至水平矸石储料仓后经带式输送机转载至巷式充填工作面。
为保证短壁干式充填开采技术实施过程中围岩的稳定性，通常留设一定宽度的巷柱与充填体作为共同支撑体控制围岩的变形与运移，通过理论模式估算及现场经验可知，煤柱宽度一般为5m～8m。
短壁干式充填开采技术工艺可分为“掘进成巷”和“巷内充填”两个步骤，即掘进机掘进，运输皮带运煤，锚杆锚索钻机支护，完成后采用高速动力抛矸机进行充填。短壁干式充填生产系统能力与掘进面数量有关，年掘进巷道长度形成的空间即为充填能力，即合理估算矿井年矸石量后，根据需要布置相应数量的掘进面，提供相应的矸石处理空间。
优点：工艺较简单，机械化水平高，工人劳动强度低，采、掘、填合一，能够充分发挥综掘机性能和优势；不需要购置大型专业充填设备，使用设计配备的掘进机即可完成，设备投资小，通用及互换性好；采用巷道式掘进回填巷道布置灵活，受煤层分布规整性影响小，对煤层赋存变化适应性较强；巷道支护强度比一般巷道低，费用低；采煤与充填相不干涉，不影响矿井正常生产；对矸石破碎粒度要求低，洗选矸石和掘进矸石均可直接充填；工作面准备时间短，投产速度快。
缺点：巷式充填在充填时需要频繁移动抛矸机、矸石转载机，工艺流畅性差；掘进工作面一般不能形成负压通风，需采用局扇进行正压通风，供风风筒必须紧跟工作面的迎头，并且随着工作面的向前推进及时移动，通风管理难度较大，且不利于煤层自燃防火，各掘进巷道掘进和充填完成后要及时密闭。
总结，通过上述各矸石井下处置技术的研究可知，各技术方案各具特点和适用性，矿井应综合考虑地质特征、开拓方式、煤层赋存、采掘接续、采掘设备、煤柱留设等因素选择适宜的经济的矸石井下处置技术方案，既能提高资源回收，同时达到绿色开采、保护环境降低安全隐患的目的。