采掘充填一体化采煤方法

      一、企业充填采煤技术基本情况

      （一）技术原理及特点

       公格营子煤矿目前采用的充填采煤技术，是与中国矿业大学合作共同研发的“长壁逐巷胶结充填采煤技术”。其核心内容是：将特厚煤层合理分层，自下而上进行采掘（上向分层），采用长壁布置、短壁开采、逐巷胶结充填的方法开采。短壁开采就是在长壁布置形成全负压通风系统后，采用综掘机落煤的方式逐巷开采，工作面宽度为3.4至4.0米，高度为2.8米，长度控制在100米左右。胶结充填就是利用煤矿生产过程中产生的煤矸石、岩石以及当地工矿企业排出的废渣、粉煤灰、废石、建筑垃圾、风积沙、黄土等各种固体废弃物，经过破碎后，掺配一定比例的胶凝材料，制成高浓度料浆，利用充填泵加压或者高差势能自流，通过管道将高浓度料浆输送到矩形采空巷道内完成充填，充填料体在8小时完成初凝，7天达到1.5兆帕的高强度，为生产创造安全稳定的作业条件。技术特点是：能够对煤矸石、粉煤灰、工业固体废弃物实现科学合理有效利用，解决环境污染问题，实现绿色开采；能够有效防止采区上覆岩层下沉塌落，根本消除采空区积水、发火和有害气体积聚隐患，实现安全开采；能够进行无煤柱开采，特别是能对“三下一上”（建筑物下、铁路下、水体下和承压水体上）和特厚煤层进行开采，提高矿井资源回收率，实现高效开采；充填开采后地表不沉陷或微小沉陷，可保护耕地、地面建筑物和地下水系，实现可靠开采。

      （二）技术发展历程

       2005年以来，公格营子煤矿与中国矿业大学合作，依托其国家级重点学科和重点实验室，经历了十几年的不断研发和持续创新，逐步形成了一支长壁逐巷胶结充填采煤技术的专业化队伍，拥有膏体充填开采整套核心技术；逐步完善了技术装备和工艺体系，实现了高利用率、低下沉率、高采出率、高充实率的绿色、安全、高效、可靠开采，先后获得国家专利和科技进步奖等多项荣誉。2011年，公格营子煤矿胶结充填工艺技术获得国家知识产权局颁发的国家发明专利证书；2012年起，公格营子煤矿承担了国家科技部“十二五”国家科技支撑计划“采掘充机械化胶结充填采煤技术与装备”子课题研究，实施方案经国家级专家组论证，认为该开采技术能够有效控制覆岩移动破坏等优点、能够保障安全开采，并于2015年10月顺利通过验收；2012年，公格营子煤矿充填关键技术研究与应用荣获内蒙古自治区人民政府颁发的“科学技术进步三等奖”；

       2015年，公格营子煤矿长壁逐巷胶结充填采煤技术被中国高科技产业化研究会确认为科学技术成果、内蒙古自治区科学技术厅登记为自治区科学技术成果；2015年，公格营子煤矿的“利用煤矿胶结充填关键技术循环利用建筑垃圾示范项目”，由工业和信息化部列入《国家资源再生利用重大示范工程名录》，并要求各地区加强引导，总结经验，发挥示范工程引领带动作用。2016年，公格营子煤矿长壁逐巷胶结充填采煤技术荣获内蒙古自治区人民政府颁发的“科学技术进步一等奖”；

         2017年，公格营子煤矿的采掘充一体化采煤方法获国家知识产权局颁发的国家发明专利证书。

         二、充填采煤技术的研究与应用

       （一）充填采煤技术的研究公格营子煤矿起初，由于采用垮落法管理顶板，不仅造成煤炭资源浪费，还容易引发地表不同程度出现下沉，井下采空区积水、发火和有害气体积聚等，工作面顶板淋水较大,施工条件非常艰苦。为了改变这一现状，公格营子煤矿与中国矿业大学合作，研发充填采煤技术，开始对井下采空区进行充填实验。到2011年，胶结充填技术已获国家专利，2012年公格营子煤矿充填关键技术获自治区政府科技进步三等奖，虽然在行业没有获批，但各级政府及各级行业主管部门对公格营子煤矿研发、应用该项技术，都给予了大力的支持和帮助。2014年，公格营子煤矿实施技术改造，将炮采工艺变更为机械化胶结充填采煤工艺；9月，自治区煤炭工业局对公格营子煤矿技术改造（变更采煤工艺）方案进行批复，同意公格营子煤矿生产工艺由炮采变更为机械化充填开采，标志着长壁逐巷胶结充填采煤技术正式获得批准应用；依据自治区煤炭工业局《关于调整煤矿建设项目和生产技术管理工作有关事宜的通知》要求，2015年9月，赤峰市安监局对公格营子煤矿技术改造（变更采煤工艺）初步设计进行批复，同意由炮采工艺改造为含水层下特厚煤层上向分层长壁逐巷胶结充填采煤工艺；2016年4月，赤峰煤监分局对公格营子煤矿技术改造（变更采煤工艺）安全设施设计进行了批复，原则同意设计内容。发展到2016—2017年，公格营子煤矿充填采煤技术已获自治区人民政府科学进步一等奖，采掘充一体化采煤方法再获国家专利。标志着该项技术已经成熟定型。

      （二）充填采煤技术应用成果赤峰西拉沐沦（集团）公格营子煤业公司采用的长壁逐巷胶结充填采煤技术，最大优势就是有效提高了矿井安全保障程度，自应用该项技术以来未发生安全生产事故；优势之二就是有效提高了资源回收率，采区回采率达到了95%以上，提高了经济效益，延长矿井服务年限13年，预计可多创产值15.6亿元，多创税收3.9亿元；优势之三就是开采后及时充填、充实，顶板得到了有效支撑，不冒落、不下沉，消除了顶板事故隐患，避免了地表塌陷、矿震、透水等地质灾害；优势之四就是开采后没有采空区、没有浮煤，根除了瓦斯等有害气体积聚和煤炭自燃发火隐患。总之，公格营子煤矿充填采煤技术的应用，通过以矸换煤，为“三下”压煤和边角残煤等资源回收创造安全生产条件，取得了良好的经济和社会效益。

       三、充填采煤技术可行性分析2021年7月底，为了落实国务院安委办明查暗访组对我市煤矿安全生产隐患问题整改任务，自治区派出督导组到我市实地督导检查，委派内蒙古煤炭科学研究院赵老生等两位专家，在研究“三量不足”整改方案基础上，对公格营子煤矿现阶段采用长壁逐巷胶结充填采煤工艺问题，专题考察，专家认为：公格营子煤业公司采用的长壁逐巷胶结充填采煤工艺，与国家公布的煤矿安全生产先进适用技术装备推广目录（第四批）中规定的“长壁布置、短壁开采、势能充填、巷式胶结”核心技术高度吻合，是国家提倡和推广的。2021年7月20日，自治区煤炭工业专业技术服务中心受自治区能源局委托，对长壁式布置条带充填开采方法进行论证，条带充填开采同短壁开采逐巷充填虽文字描述不同，但实质内容是一致的，该开采方法经全国知名专家论证一致认为：1.长壁式布置条带充填开采方法具有整个回采区段全负压通风、条带机械化开采、连续充填的特点，是一种处理矸石等固体废物、解放建筑物下、公路铁路下、水体下、承压水上（简称“三下一上”）压煤、提高资源回收、保护矿区生态环境的特殊绿色开采方法。该方法不宜归类为“以掘代采”；

       2.长壁布置条带充填开采方法整个回采区段按采煤工作面管理，回采条带按掘进工作面管理，符合《煤矿安全规程》规定。专家建议长壁式布置条带充填开采方法的设计与实施中，一个回采区段内同时回采条带数量不应超过两个；回采条带要结合煤层和顶板性质，综合考虑支护安全；条带充填需要做好瓦斯的监控和通风管理工作。国家新颁发的《安全生产法》明确：国家鼓励和支持安全生产科学技术研究和安全生产先进技术的推广应用，提高安全生产水平。我们认为作为创新技术，实现安全、环保、高效、可靠，应该积极推广，《煤矿安全规程》应予以适时更新采用。

图九  公格营子煤矿充填开采时排水利用照片（80立方米/小时）

      三、充填采煤技术发展方向

      （一）向无轨机械化、回采连续化发展现代充填采矿技术己将低效率的充填工艺改造成为大规模高效率的先进的充填采矿工艺。斜坡道与各种类型无轨采掘设备的应用，使井下作业面貌发生巨大变化。井下工人劳动条件得到很大改善，采场生产能力和劳动生产率大幅度提高。

      （二）充填模式向生态化、无公害化发展采矿工业在提供原材料的同时也不可避免地破坏自然环境。随着矿产需求量的增加，由资源开发利用引发的环境破坏和废料排放己成为全球性的严峻问题。因此，尽量使矿山固体废料不向地面排放和采空区被有效地充填，已是急待研究解决的重大课题。按照工业生态学的观点，解决矿山环境问题最有效的途经是将矿山废料转化为资源被重新利用。生态的充填模式就是要将矿山的各个工序作为一个系统对待，把矿山充填作为固体废料资源化的一个有效手段，实现矿山固体废料排放最小化，从根本上解决矿山环境保护问题。

      （三）地质灾害治理，实现保水开采采后充填，从根本上消除了井下煤层自燃发火、瓦斯、煤尘、顶板等灾害隐患。同时充填体控制顶板下沉，井下围岩压力明显减小，有效控制地表沉降，减少了对地表水力关系的影响，对水保起到良好的效果，地面农作物可照常耕种，提高了土地的利用，大大提高了矿井安全生产系数，对矿山生产、煤矿安全、生态环境带来积极影响，对于节约资源、建设绿色矿山、发展循环经济以及矿山可持续发展起到很好的示范推广作用。

      （四）充填力学研究向现场连续监测与预报发展许多应用充填采矿法的矿山，对充填体的作用及其对采场围岩稳定性影响的研究都比较重视，经常联合科研院校并注入了相当多的资金开展试验研究，主要通过原岩应力测量和矿岩的物理力学性质检测及在井下采场充填体中和上、下盘围岩中埋设各种应力、应变仪器来实测相关参数，再将这些参数按预定建立的数学模型输入计算机进行演算，从而得出一定的结论。

以下是各项专利证书附件：