矿山采矿矸石井下直接充填置换煤炭施工工艺及效益分析

引言：在矿山采矿过程中，传统开采方式会产生大量矸石，这些矸石通常被提升至地面，不仅占用大量土地资源，还会对周边环境造成污染。同时，传统开采方法易引发地表塌陷等地质灾害，对生态环境和居民生命财产安全构成威胁。矸石井下直接充填置换煤炭工艺作为一种新兴的绿色开采技术，将矸石直接回填至井下采空区，在解决矸石排放问题的同时，有效控制地表塌陷，提高煤炭资源回收率，具有重要的现实意义。

一、矸石井下直接充填置换煤炭施工工艺

1.1 矸石处理

矿山开采过程中产生的矸石，首先需进行破碎处理，使其粒度满足充填要求。一般采用颚式破碎机、圆锥破碎机等设备进行多级破碎，将矸石破碎至合适粒径范围，通常控制在一定区间，以保证充填体具有良好的稳定性和强度。破碎后的矸石还需进行筛分，去除其中的杂质和过大颗粒，确保矸石质量均匀。对于一些含有有害物质的矸石，还需进行特殊处理，如洗选、脱硫等，以降低对环境的影响。

1.2 输送系统

矸石输送是整个充填工艺的关键环节，常用的输送方式有皮带输送、管道输送等。皮带输送适用于短距离、大运量的矸石输送，具有结构简单、运行可靠、维护方便等优点。在矿山井下，可根据实际地形和运输距离，合理布置皮带输送机，实现矸石的连续输送。管道输送则适用于长距离、复杂地形的矸石输送，通过将矸石与水或胶结材料混合制成浆体，利用泵送设备将浆体通过管道输送至充填地点。管道输送具有输送距离远、密封性好、对环境影响小等优点，但设备投资和运行成本相对较高。

1.3 充填作业

1.3.1 充填前准备

在进行充填作业前，需对采空区进行清理和检查，确保采空区内无杂物、积水等影响充填质量的因素。同时，根据采空区的形状、尺寸和地质条件，制定合理的充填方案，确定充填顺序、充填量和充填速度等参数。

1.3.2 充填方法

常见的充填方法有干式充填和湿式充填。干式充填是将经过处理的干燥矸石直接充填至采空区，该方法工艺简单、成本较低，但充填体密实度较差，强度较低。湿式充填则是将矸石与水或胶结材料混合制成浆体后进行充填，充填体密实度高、强度大，能有效控制地表塌陷，但工艺相对复杂，成本较高。在实际应用中，可根据矿山的具体情况选择合适的充填方法。

1.3.3 充填过程控制

在充填过程中，需严格控制充填材料的配比、输送速度和充填高度等参数，确保充填质量符合要求。同时，要实时监测充填体的沉降情况，及时调整充填参数，保证充填体的稳定性。充填完成后，还需对充填区域进行养护，使充填体达到设计强度。

二、矸石井下直接充填置换煤炭工艺效益分析

2.1 技术效益

2.1.1 提高煤炭资源回收率

传统开采方式在采煤后会留下大量采空区，导致部分煤炭资源无法回收。而矸石井下直接充填置换煤炭工艺通过将矸石充填至采空区，为煤炭开采提供了支撑，减少了顶板垮落对煤炭资源的破坏，使一些原本难以开采的煤炭资源得以回收，提高了煤炭资源回收率。

2.1.2 有效控制地表塌陷

矸石充填采空区后，能够及时填充开采形成的空间，减少岩层移动和地表变形，有效控制地表塌陷等地质灾害的发生。这对于保护地表建筑物、农田和生态环境具有重要意义，尤其适用于建筑物下、铁路下和水体下等“三下”采煤，为矿山企业的可持续发展提供了技术保障。

2.1.3 改善井下作业环境

传统矸石排放方式会在地面形成矸石山，占用大量土地资源，同时矸石自燃会产生大量有害气体，对井下和地面环境造成污染。矸石井下直接充填工艺避免了矸石在地面的堆积，减少了矸石自燃的风险，改善了井下作业环境，保障了矿工的身体健康。

2.2 经济效益

2.2.1 降低矸石处理成本

传统矸石处理方式需要将矸石提升至地面，并进行堆放、运输和处理，这些过程需要耗费大量的人力、物力和财力。而矸石井下直接充填工艺将矸石直接回填至井下，省去了矸石提升、运输和地面处理等环节，大大降低了矸石处理成本。

2.2.2 增加煤炭销售收入

由于该工艺提高了煤炭资源回收率，使企业能够开采出更多的煤炭资源，从而增加了煤炭产量。在市场价格稳定的情况下，煤炭产量的增加直接带来了销售收入的增加，提高了企业的经济效益。

2.2.3 减少土地征用和赔偿费用

传统矸石排放会在地面形成矸石山，占用大量土地资源，企业需要支付土地征用费用。同时，矸石山可能对周边居民的生活和生态环境造成影响，引发纠纷，企业还需支付一定的赔偿费用。矸石井下直接充填工艺避免了这些问题，减少了企业的土地征用和赔偿费用支出。

2.3 环境效益

2.3.1 减少土地占用

矸石井下直接充填工艺将矸石回填至井下采空区，避免了矸石在地面堆积形成矸石山，减少了土地占用，保护了土地资源。这对于土地资源日益紧张的地区具有重要意义，有利于实现矿山开发与土地资源保护的协调发展。

2.3.2 降低环境污染

传统矸石排放方式中，矸石中的有害物质会随着雨水冲刷渗入地下，污染地下水和土壤。同时，矸石自燃会产生大量有害气体，如二氧化硫、氮氧化物等，对大气环境造成污染。矸石井下直接充填工艺将矸石封闭在井下，减少了矸石与外界环境的接触，降低了有害物质的排放，有效保护了生态环境。

2.3.3 促进生态恢复

通过矸石井下充填，减少了地表塌陷和土地破坏，为生态恢复创造了有利条件。矿山企业可以在充填后的地表进行植被恢复和土地复垦，种植树木、草类等植物，改善生态环境，实现矿山开采与生态保护的良性互动。

结论

矸石井下直接充填置换煤炭施工工艺是一种具有显著技术、经济和环境效益的绿色开采技术。该工艺通过合理的矸石处理、输送和充填作业，实现了矸石的井下回填，有效解决了传统开采方式带来的矸石排放、地表塌陷和环境污染等问题。在技术上，提高了煤炭资源回收率，控制了地表塌陷，改善了井下作业环境；在经济上，降低了矸石处理成本，增加了煤炭销售收入，减少了土地征用和赔偿费用；在环境上，减少了土地占用，降低了环境污染，促进了生态恢复。因此，矿山企业应积极推广应用这一工艺，推动矿山开采向绿色、高效、可持续发展方向迈进。同时，政府和相关部门也应出台相关政策，鼓励和支持矿山企业采用绿色开采技术，共同促进矿业行业的健康发展。

参考文献

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[2] 陈龙 . 矸石井下充填采煤技术研究 [J]. 中国石油和化工标准与质量 ,2019,39(07):217-218.