充填采煤技術現狀與展望

許家林，軒大洋，朱衛兵

(1.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室， 江蘇徐州市 221116;2.中國礦業大學礦業工程學院， 江蘇徐州市 221116)

充填采煤技術現狀與展望

許家林1，2，軒大洋1，2，朱衛兵1，2

(1.煤炭資源與安全開采國家重點實驗室， 江蘇徐州市 221116;2.中國礦業大學礦業工程學院， 江蘇徐州市 221116)

分析了煤礦充填開采技術的特點，介紹了目前煤礦充填開采技術現狀，包括膏體充填采煤技術、矸石充填采煤技術、高水材料充填采煤技術、部分充填采煤技術。在分析充填采煤技術現狀的基礎上，提出煤礦充填開采技術應著重解決充填采煤能力不足問題，即通過合理充填工藝模式的改進提高充填效率和充填能力。同時應深入研究充填采煤巖層移動與地表沉陷規律，為充填采煤設計提供理論基礎。

充填采煤;巖層控制;“三下一上”采煤;綠色開采

充填開采是煤礦綠色開采技術體系的主要內容之一[1～6]，因其對巖層擾動小，具有控制巖層移動與地表沉陷的作用，是解決煤礦開采環境問題和“三下一上”(建筑物下、鐵路下、水體下和承壓含水層上)壓煤開采問題的有效途徑。充填采煤技術近年來受到了廣泛關注與重視[1～32]。雖然我國早在1960年代即開始了水砂充填采煤，但機械化程度與生產效率較低，缺乏對充填材料、充填工藝、充填開采巖層控制方面的系統研究。系統而有規模地進行煤礦充填開采的理論研究與工業試驗則是從近幾年開始的，目前仍處于試驗與發展之中。

本文從充填采煤技術特點出發，介紹了充填采煤技術現狀，展望了未來充填采煤的發展前景。

1 充填采煤技術特點

1.1 充填采煤技術特點

近幾十年來，充填開采在金屬礦山的推廣應用獲得長足進步，但在煤礦還沒有得到廣泛使用，這與煤礦采用充填開采的特殊條件密不可分。與金屬礦充填開采相比，煤礦充填開采的特點主要表現在:

(1)采煤生產能力與充填生產能力均衡問題。眾所周知，充填開采中，采礦和充填互相制約，不繼續采礦就無處充填，不充填也就不能采礦，使得由采礦和充填這兩個作業環節組成的回采作業大循環共同決定礦井的開采。因此，只有實現采礦和充填的均衡，充填技術才有生命力，才會在礦山有效應用。

事實上，采煤生產能力與充填生產能力均衡問題非常突出，即目前充填生產能力與采煤生產能力無法相匹配。與金屬礦山炮采工藝相比，煤炭地下采礦法早就實現綜合機械化，即落煤、裝煤、運煤、支護和放頂五道工序全部采用機械化作業，出現了工作面年單產百萬噸以上甚至千萬噸的地下特大型礦山。因此，煤礦的充填技術必須適應高產高效的發展。但是目前的充填能力一般無法與高產高效的采煤技術相匹配。

(2)充填材料供需均衡問題。金屬礦山一般采用掘進廢石、尾砂(約占礦石開采量的50% ～99%)、冶煉爐渣等廢棄物作為充填料，完全解決了充填材料供需均衡的問題。同金屬礦相比，煤礦自身工業廢棄物比例小，煤礦的矸石一般僅為煤炭開采量的15%左右，采空區全部充填難以解決充填材料來源困難的問題。因此，尋找豐富低廉的合適充填材料滿足回填空間的要求，解決充填材料供需均衡問題是充填采煤方法成功應用的一個必要條件。

(3)充填成本與采礦效益均衡問題。充填開采與其他開采方法相比，最大限度地采出了地下煤炭資源、保證了安全生產、增加了礦山經濟效益。但充填開采需要增設充填設備、增加充填工序，礦山必須為此支出充填成本。

充填成本與采礦效益均衡問題就是:充填開采中因充填而增加的經濟效益能否抵消充填成本?就我國煤礦充填而言，只有當充填成本小于因開采引起的土地破壞和村莊搬遷賠償費用時，充填成本與采礦效益才實現均衡，充填技術才會在煤礦得到有效應用。

研究表明[5～6]，村莊每戶壓煤量越大(如厚煤層條件)，充填開采較村莊搬遷開采的適應性越差。充填開采在薄及中厚煤層的密集建筑物條件下(此時每戶壓煤量相對較小)的適應性要好于在厚煤層的非密集建筑條件。

(4)煤系地層采后巖層移動與破壞規律復雜，充填作業時空受限。金屬礦脈及其頂底板一般都屬于硬巖，礦石被采出后留下的地下空間在相當長時間內可以保持穩定，因此，其充填的空間非常規則和完整，而且充填的頂板巖體運動控制十分簡單，基本可以實現采礦與充填作業的分離，充填與采礦作業相互干擾相對較小。而煤炭資源分布在層狀沉積巖層中，采用長壁垮落法開采時采空區覆巖隨采隨垮，難以維護充填所需的空間與通道，而頂板巖體運動控制困難，可進行充填作業的時間極短。煤礦充填與采礦作業相互干擾嚴重。

1.2 充填采煤方法分類

煤礦充填開采方法按充填介質類型及其運送時的物相狀態，可以分為:水砂充填、膏體充填、矸石充填、高水材料充填。

按照運送充填材料動力不同，可分為:自溜充填、風力充填、機械充填、水力充填。自溜充填，即利用充填料本身的自重沿管、槽或巷道將充填料溜送至采空區;風力充填，即利用壓縮空氣為動力沿管道或借助風力充填機將充填料運送至采空區;機械充填，即利用專用投擲機將充填物料拋至采空區。上述3種方法的充填料一般是干的固體松散廢棄物，所以又統稱為干式充填。水力充填，是利用水為動力沿管將充填料充入采空區。水力充填按充填料漿的濃度大小，又可分為:低濃度充填、高濃度充填和膏體充填。按充填料漿是否膠結，煤礦充填開采可分為:膠結充填、非膠結充填。

按充填位置，煤礦充填開采方法可分為:采空區充填，即在煤層采出后頂板未冒落前的采空區域進行充填;冒落區充填，即在煤層采出后頂板已冒落的破碎矸石中進行注漿充填;離層區充填，即在煤層采出后覆巖離層空洞區域進行注漿充填。一般情況下，采空區充填宜采用高濃度或膏體的膠結充填，離層區充填和冒落區充填宜采用低濃度充填。

按充填量和充填范圍占采出煤層的比例，煤礦充填開采方法可分為:全部充填與部分充填。全部充填開采即在煤層采出后頂板未冒落前，對所有采空區域進行充填，充填量和充填范圍與采出煤量大體一致。部分充填開采，是相對全部充填而言的，其充填量和充填范圍僅是采出煤量的一部分。

充填采煤方法的分類如圖1所示。

圖1 充填采煤方法分類

2 充填采煤技術現狀

2.1 膏體充填采煤技術

膏體充填采煤技術就是把煤礦附近的煤矸石、粉煤灰、河砂、風積砂、工業爐渣、劣質土、城市固體垃圾等在地面加工制作成不需要脫水處理的牙膏狀漿體，采用充填泵或重力加壓，通過管道輸送到井下，適時充填采空區的開采方法[8～13]。

與金屬礦山膏體充填相比，煤礦膏體充填開采具有如下特點:充填與采煤在同一個工作面，充填體構筑方法不同于金屬礦山，煤礦需要發展專門膏體充填隔離支架;充填材料強度性能要求不同，煤礦充填以后數小時后就要求充填體承載;煤礦膏充填原料主要是煤矸石、坑口電廠低質粉煤灰等，材料品質差，質量波動大。

典型的膏體充填系統由以下三部分組成:配料制漿系統、泵送系統和工作面充填子系統。配料制漿系統把煤矸石、粉煤灰、工業爐渣、膠結料和水配制成膏體充填料漿;泵送系統采用充填泵把膏體充填料漿通過充填管路由地面輸送到井下采煤工作面;工作面充填子系統將膏體材料充填到后方采空區。典型的膏體充填系統如圖2、圖3所示。

膏體充填具有料漿流動性好、密實度高、充填體強度高的優勢，故其對巖層移動與地表沉陷的控制效果較好。但其充填系統初期投資較高，一般達3000萬元左右;噸煤充填成本相對較高，一般達60～100元/t。膏體充填技術在金屬礦山已經有近30年的發展歷史，在煤礦應用最早的是德國，我國煤礦于2004年開始在峰峰、焦作、淄博等礦區開展膏體充填采煤試驗研究和應用，表1為膏體充填采煤技術在部分煤礦中的應用情況。

圖2 膏體充填系統[9]

圖3 綜采膏體充填工作面設備布置[10]

表1 膏體充填采煤應用項目

2.2 矸石充填采煤技術

矸石充填采煤法是利用風力、重力、機械等動力將充填材料煤矸石拋入或輸入采空區的充填采煤方法。根據充填料充填采空區的動力方式來劃分，矸石充填方法包括人工充填、自溜充填、風力充填、機械充填。不同的充填系統的充填料一般由矸石、砂子、采石場碎石及粉煤灰等組成，但成分以煤矸石為主，一般不需要加入膠結料或其他添加劑。人工矸石充填因其生產能力小、效率低、勞動強度大，與回采工藝適應性較差，故很少采用。矸石自溜充填只能在急傾斜煤層中應用，淮南、北京、北票及中梁山等礦區曾應用過這種充填開采方法。機械化矸石充填又根據工作面采煤工藝不同分為普通機械化矸石充填和綜合機械化矸石充填2種類型，前者主要應用于炮采、普采工作面，后者應用于綜采工作面。

普通機械化矸石充填工藝特點是多采用專門的機具(如拋矸機等)將矸石拋射向采空區進行充填。新汶礦業集團泉溝煤礦于2006年最早開始試驗和使用這種充填采煤法。該法利用井下矸石充填采空區，充填系統簡單，裝備投資少，多用于薄及中厚煤層普采或炮采工作面回收井筒煤柱、工業場地煤柱，煤層有一定傾角有利于充填矸石密實[14，15]。

綜合機械化矸石充填采煤[8，16～18]，是指在綜合機械化采煤作業面上同時實現綜合機械化矸石充填作業。實現充填采煤的技術難點是要解決實施充填的充填空間、充填通道和充填動力問題。該技術可實現在同一液壓支架掩護下采煤與充填并行作業，且采煤與運煤系統布置與傳統綜采完全相同。為實現矸石從地面運至充填工作面的高效連續充填，需布置1個充填運輸系統。

圖4 普通機械化矸石充填工作面布置[15]

充填裝備由后端帶懸梁的自移式液壓支架和充填刮板輸送機組成。充填輸送機中部溜槽內設置溜矸孔，溜矸孔開在溜槽的中板上。在溜矸幫上增設帶插板的插槽，以控制矸石的充填順序和范圍。刮板機上鏈運輸矸石充填，下鏈推平矸石。進行充填時，每次打開2個溜矸孔，自下而上地進行充填。采空區充填完畢后，隨工作面采煤機割煤及支架推移進入下一個循環。為了減少充填矸石的壓縮量以實現更好的減沉效果，支架后部增設了液壓夯實裝置，如圖5所示。

圖5 綜合機械化矸石充填工作面布置

該充填系統相對簡單，機械化程度高，充填系統的初期投資較膏體充填低，一般小于1000萬元，噸煤充填成本相對較低，一般為40～80元;但矸石充填的密實度相對較低，對巖層移動與地表沉陷的控制效果不如膏體充填。目前綜合機械化充填采煤技術已在新汶、淮北、皖北、平頂山等礦區開展試驗和推廣應用，表2為矸石充填采煤技術在部分煤礦中的應用情況。

表2 矸石充填采煤應用項目

2.3 高水材料充填采煤技術

高水速凝固結材料(簡稱高水材料)是一種膠凝材料，由A、B 2種材料構成，主要包括高鋁水泥、石灰、石膏、速凝劑、解凝劑、懸浮劑等組分[19]。其具有固水能力強、單漿懸浮性和流動性強、凝固速度快、強度增長速度快等特點，可以將高比例的水迅速凝固成具有一定承載能力的固體。使用時，A、B料以1∶1比例混合配制成漿液，體積含水率達85% ～97%，在5～30 min內凝固、硬化，最終形成堅固的高含水固體。

典型的高水材料充填采煤系統如圖6所示。該系統可置于井下或者地面。使用時，A、B漿液分別進行配制，配制的單漿液分別進入緩沖池。待A、B緩沖池分別儲存一定量的單漿液后，通過專用管路同時將A、B漿液輸送到工作面，然后進行混合，并隨工作面推進，將混合漿液注入采空區[20～22]。

圖6 高水材料充填系統及開放工充填工藝[20]

與其它充填技術相比，高水材料充填采煤具有以下優點:由于其用水量高，故所需固體材料少，一方面克服了煤礦固體充填材料缺乏的問題，另一方面，簡化了其他充填技術所需的龐大充填系統;由于所需固料少，對礦井輔助運輸影響基本沒有;充填系統簡單且初期投資少，一般小于500萬元，充填料漿流動性好，不易堵管，工作面不泌水。但該技術最大的缺點是高水材料抗風化及抗高溫性能差，充填材料長期穩定性差。

目前，該項技術正在陶一煤礦、田莊煤礦、邢東煤礦、城郊煤礦、淄博市王莊煤礦、淄博礦業集團埠村煤礦等礦井推廣試驗和應用。表3為高水材料充填采煤技術在部分煤礦中的應用情況。

表3 高水材料充填采煤應用項目

2.4 部分充填采煤技術

(1)部分充填開采的概念。部分充填開采，是相對全部充填開采而言的，其充填量和充填范圍僅是采出煤量的一部分，僅對采空區的局部或離層區與冒落區進行充填，靠覆巖結構、充填體及部分煤柱共同支撐覆巖控制開采沉陷[6]。全部充填的位置只能是采空區，而部分充填的位置可以是采空區、離層區或冒落區。

部分充填采煤法與全部充填采煤法的本質區別是:后者完全靠采空區充填體支撐上覆巖層控制開采沉陷，而前者靠覆巖結構、充填體及部分煤柱共同支撐覆巖來控制開采沉陷。其特點在于:充分利用了覆巖結構的自承載能力，減少了充填量，降低了充填開采成本。部分充填開采技術的優勢是降低了充填成本，提高了充填采煤效益。

按部分充填的位置與充填時機不同，煤礦部分充填開采分為[6]:采空區條帶充填技術、冒落區注漿充填技術、離層區注漿充填技術等。

(2)采空區條帶充填開采技術。采空區條帶充填就是在煤層采出后頂板冒落前，采用膠結材料對采空區的一部分空間進行充填，構筑相間的充填條帶，靠充填條帶支撐覆巖控制地表沉陷。其技術原理[23]是:采用條帶充填體置換條帶開采留設的煤柱，只要保證未充填采空區的寬度小于覆巖關鍵層的初次破斷跨距，覆巖關鍵層保持穩定不破斷，且充填條帶能保持長期穩定，就可有效控制地表沉陷。采空區條帶充填開采技術有2種模式，長壁條帶充填和短壁間隔條帶充填。

(3)冒落區注漿充填開采技術。冒落區充填技術是指在采空區冒落矸石之間的空隙未被壓實之前及時地注入漿液進行充填，充填漿液與冒落共同支撐上覆巖層[24]。該技術可分為長壁開采冒落區注漿充填、房柱式冒落區注漿充填和條帶開采冒落區注漿充填。

長壁開采冒落區注漿充填技術主要應用于德國、波蘭[25]，在我國尚未使用。根據波蘭經驗，長壁冒落區注漿充填率為20% ～30%，地表下沉系數由不充填的 0.7 ～0.8 減少為 0.4 ～0.5，充填增加噸煤成本24～32元。房柱式冒落區注漿充填技術主要應用于美國、加拿大等國。房柱式開采后，對冒落的礦房進行注漿充填加固，最后回采部分煤柱，使回采率得到提高。

條帶開采冒落區注漿充填技術[26～28]是:在條帶開采情況下，對采出條帶冒落區實施注漿充填，加固破碎巖石，使得采出條帶冒落區重新發揮承載作用，有效減輕留設條帶煤柱及其上方巖柱上所承受的載荷，減小其壓縮變形，從而減緩覆巖移動向地表的傳播，減小地表移動變形值;充填材料與冒落矸石形成的共同承載體后，可以減小留設條帶寬度，達到提高資源回采率的目的。該技術常用的模式有:隨采隨充;冒落條帶封閉集中充填。

隨冒隨充工藝方案是把充填管道布置到采煤工作面冒落區底板，充填管隨工作面推進拖動前移，在頂板冒落矸石未壓實之前把非膠結性粉煤灰充填料漿壓入矸石空隙。冒落條帶封閉集中充填工藝為:條帶開采順序由低向高開采，先采完較低條帶，對較低條帶進行封閉;利用較高的相鄰條帶機巷施工充填鉆孔，往已開采條帶冒落區充填粉煤灰料漿。

(4)離層區注漿充填開采技術。覆巖離層區注漿充填的基本原理是:利用巖層移動過程中覆巖內形成的離層空隙，從地面布置鉆孔將充填料漿液高壓注入離層空間，高壓漿體對下部巖層的壓實作用，從而增加離層空間，經脫水壓實后的充填體對上覆巖層的支撐作用從而減緩巖層移動向地表的傳播。表4列出了我國多個礦區部分礦井的試驗情況。

表4 離層區注漿充填開采實例

根據各礦區離層區注漿充填開采實踐來看[29～32]:該方法僅在非充分開采時減沉效果較好;若開采區域達到充分采動時，即使充填效果較好，其減沉率也僅為30%～50%，仍無法滿足建下采煤的減沉要求。針對這一問題，組合注漿充填與條帶開采技術，筆者提出了覆巖離層分區隔離注漿充填開采技術[6，30，31]。其基本原理見圖7，即:依據關鍵層初次破斷前允許的極限跨距確定工作面合理長度，通過留設一定寬度自身穩定的分區隔離煤柱隔離各個工作面，使工作面上方的關鍵層保持穩定并使關鍵層下形成各自獨立封閉的離層空間，從而保證充填材料注滿離層區，充填體對關鍵層起到有效的支撐作用。分區隔離煤柱與條帶開采留設煤柱不同之處在于，對分區隔離煤柱的寬度設計要求較低，只要能起到隔離離層空間作用并保持穩定就行。離層區充填后的充填體能夠起到支撐作用，此時離層區充填體承載了上覆巖層的部分載荷，“離層區充填體+關鍵層+分區隔離煤柱”構成共同承載體。

覆巖離層分區隔離注漿充填開采技術的理想適用條件應為:在分區隔離工作面采寬較大的情況下，既能保證關鍵層下的離層盆地達到充分采動，又能保證覆巖關鍵層不破斷失穩。該技術目前已在淮北礦業集團海孜煤電公司1031工作面順利實施，且正在劉店煤礦104采區、103采區推廣應用。

3 充填采煤技術展望

煤礦充填的目的是為了控制巖層運動，因此，應深入研究充填開采巖層破斷運動與地表沉陷規律，形成基于巖層移動和地表沉陷控制要求的充填采煤設計理論和方法。

從目前充填采煤實踐來看，制約煤礦開采技術推廣應用的主要因素之一是充填采煤能力較低，與煤礦高產高效生產模式不匹配，其主要原因是充填工藝與采煤工藝沒有實現合理配合。因此，應著重研究如何提高充填采煤生產能力，可從以下幾個方面著手:合理選擇充填工藝模式，如實施采充分離;減少充填量，實施部分充填;改善充填材料，減小采煤對充填體固化時間的依賴，如提高充填材料的早期強度、采用氣體作為充填材料等。

圖7 覆巖離層分區隔離注漿充填原理與充填系統

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