充填采煤技術的現狀與發展分析

蘇建

(山西高平科興平泉煤業有限公司，山西 高平 048400)

充填采煤一般是將矸石等固體廢料用作充填材料進行井下充填，一方面能夠減少矸石廢料的排放量，另一方面還能夠控制巖層移動與開采淪陷，保證地面建筑物的安全，保護土地資源。所以，對煤礦充填的開采技術進行深入研究對綠色開采的發展具有非常重要的意義。

一、充填采煤的技術現狀

（一）高水材料充填技術

高水速凝固結材料由兩種材料構成，主要有高鋁水泥、石膏、石灰、速凝劑、懸浮劑、解凝劑等組分，是一種膠凝材料。高水材料具有流動性和單漿懸浮性強、凝固和強度增長的速度快、固水能力強的特點，能夠迅速將高比例水凝固成具備一定的承載能力的固體。

由于高水材料用水量高，對固體材料需求少，克服了煤礦缺乏固體充填材料的問題，而且充填系統比較簡單。另外，由于其所需的固體充填材料少，所以基本不會對礦井的輔助運輸產生影響。

高水材料充填系統的初期投資比較少，一般在500萬元以下，充填料漿的流動性非常好，不堵管，并且工作面不會泌水。但是，高水材料的抗高溫及抗風化的性能差，而且無法保證充填材料的長期穩定性。

（二）膏體充填技術

膏體充填技術就是將煤礦附近的矸石、工業爐渣、城市固體垃圾等在地面進行加工制作，成為不需進行脫水處理的漿體，通過管道，用充填泵或者重力加壓將其輸送至井下，進行采空區充填的一種開采方法。

膏體料漿密實度高、流動性好，充填體的強度也比較高，所以膏體充填方法能夠對地表沉陷與巖層移動起到很好的控制效果。但是膏體充填系統的初期投資比較高，一般約達3000萬元，噸煤的充填成本一般每噸約60-100元。

（三）矸石充填技術

矸石充填方法是對機械、重力、風力等動力加以利用，將作為充填材料的矸石輸入或拋入采空區的一種充填采煤技術方法。依據充填材料充填采空區所使用的動力方式進行劃分，可以將矸石充填方法劃分為人工充填、風力充填、自溜充填和機械充填四類，充填材料通常由矸石、糟煤灰、砂子、碎石等組成，以矸石為主，一般無需添加膠結料或者其他的添加劑。

人工充填矸石生產能力弱，勞動強度大，生產效率低，同回采工藝的適應性比較差，所以很少在實踐中采用。自溜充填應用范圍窄，只能應用在急傾斜的煤層中。機械化的矸石充填按照工作面的采煤工藝不同可以分為普通的機械充填與綜合機械充填，前者在普采和炮采工作面應用比較廣泛，后者在綜采工作面非常適用。

普通的機械化充填多應用專門機具將矸石向采空區拋射填充，比如應用拋矸機作業等。這種方法利用井下的矸石對采空區進行充填，系統簡單，裝備的投資較少。綜合機械充填技術，是在綜合機械化的采煤作業面上能夠同時實現矸石充填作業，其技術難點在于實施充填作業的空間、動力和充填通道的問題。綜合機械充填技術能夠在同一個液壓支架的掩護下實現采煤和充填作業并行，而且采煤和運煤系統的布置上同傳統的綜采是完全相同的。

該充填系統相對來說比較簡單，而且機械化的程度相對較高，初期投資比膏體充填方法要地，一般在1000萬元以下，噸煤的充填成本一般在40-80元左右。但是矸石充填不能保證較高的密實度，對于地表沉陷與巖層移動的控制次于膏體充填的效果。

（四）部分充填技術

部分充填開采是全部充填開采的相對概念，其充填的范圍和充填量都僅是采出的煤量一部分，而且只對冒落區與離層區或者采空區的局部進行充填，依靠充填體、部分煤柱及覆巖結構共同對覆巖進行支持，對開采淪陷進行控制。部分充填不僅可以在采空區進行，而且在冒落區或者離層區也可以進行。這種充填方法對覆巖結構自承載能力加以充分利用，減少充填量，節省了充填的開采成本，使充填采煤的效益得以提高。

按照部分充填時機與位置的不同，部分充填開采可以分為：冒落區的注漿充填、離層區的注漿充填和采空區的條帶充填技術。

1冒落區注漿充填

冒落區的注漿技術是在采空區的冒落矸石空隙尚未被壓實的時候，及時注入漿液，進行必要的充填，充填的漿液和冒落共同對上覆巖層進行支撐。

2離層區注漿充填

離層區的注漿充填是利用巖層的移動過程當中形成的覆巖內離層空隙，在地面布置鉆孔，利用高壓將充填料漿液注入離層空隙，高壓漿體壓實下部巖層，從而使離層空間增加，充填體經脫水壓實后，對上覆巖層能夠起到支撐作用，進而使巖層的移動向地表傳播得到緩解。

3采空區條帶充填

采空區的條帶充填就是煤層采出以后，頂板冒落之前，用膠結材料填充采空區的部分空間，相間構筑充填的條帶，依靠充填條帶對覆巖進行支撐，以控制地表的沉陷。用條帶充填體對留設的煤柱進行置換，只要能夠保證沒有充填的采空區寬度比覆巖的關鍵層初次的破斷跨距要小，覆巖的關鍵層能夠保持穩定，不破斷，而且充填的條帶能夠長期穩定，就能對地表淪陷加以有效的控制。

二、充填采煤的技術發展

（一）充填采煤技術發展的動力

傳統的開采使采空區的出水、發火、上隅角的瓦斯超限，采空區的大面積垮落引起的大量瓦斯涌出等問題亟待解決；“三下”礦井優質的煤炭資源需要進行安全、高效的回采，而且大量的矸石與城市垃圾需要進行處理；我國部分礦井呈現衰老跡象，隨著開采的深度不斷下延，開采成本也不斷加大，而且災害嚴重，災害的控制方法操作性不強，礦井越來越不適于繼續開采等等問題，通過合理采用充填采煤技術，都能夠有效地得到解決。充填開采必將成為煤礦行業新的效益增長點，成為我國的煤礦開采一場技術上的革命。基于此，充填開采方式正被大面積推廣，其技術也將逐步走向成熟。

（二）充填采煤技術發展目標

充填開采技術的發展以高效率、低成本、設備標準化作為發展目標。膏體充填、超高水材料充填等充填技術設備簡單，充填體具有流動性特點，使用管道運輸，對于仰斜開采有一定適應性，但是充填的效率較低。目前正在研究同綜合機械化的開采相配套的技術，充填效率也將進一步地提高。

（三）充填采煤技術發展方向

采用充填技術的目的是控制巖層的運動，所以，應當對充填開采地表沉陷與巖層破斷的運動規律進行深入研究，形成能夠滿足地表沉陷與巖層移動控制要求的開采理論與方法。

由目前的充填開采實踐來看，煤礦開采的技術推廣主要制約因素之一就是充填采煤的能力不足，同高產高效的煤礦生產模式無法匹配。究其原因，主要是采煤工藝和充填工藝沒有實現有效配合。所以，充填采煤能力的提高應當作為以后的研究重點。

具體來說，在充填采煤技術的研究方向確定的前提下，可以從以下幾個方面著手進行研究：對充填材料的改善，盡量避免采煤作業受到充填體的固化時間限制，比如采用氣體作充填材料、充填材料早期強度提高；充填量控制，實施部分充填的方法；充填工藝的合理模式，比如采充分離等。

結語

總之，充填采煤技術是對解決“三下”壓煤開采問題最基本的途徑，是煤礦開采領域一項技術革新，為煤礦的安全生產、解決礦區垃圾污染、保護環境及地表建筑物提供了一個新的途徑。但是，充填采煤技術的發展仍然存在一些不完善之處，需要在實踐中總結更多經驗，對充填采煤技術進行完善，提升采煤效率，為我國的煤礦事業做出更大的貢獻。

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