充填采煤理論與技術(shù)的新進(jìn)展及展望

趙上策

摘 要：充填采煤技術(shù)屬于煤炭開采中的綠色開采，本文從充填采煤技術(shù)的發(fā)展歷史出發(fā)，簡單介紹了我國采用綜合機(jī)械化進(jìn)行充填采煤的重大突破，簡要分析了下充填采煤的巖層移動(dòng)控制理論，指出了充填采煤理論與技術(shù)未來的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：充填與采煤一體化；固體充填采煤；綜合機(jī)械化開采

煤炭在進(jìn)行開采時(shí)，采用的采空區(qū)處理方法一般是垮落法，這種方法會(huì)使覆巖大范圍的垮落，引發(fā)地下水系的破壞、采空區(qū)遺留的煤炭引發(fā)自燃、頂板裂隙透水和瓦斯積聚等一些安全隱患。當(dāng)采煤工作面推進(jìn)后，將一些矸石、粉煤灰、膏體和建筑垃圾充填到采空區(qū)，這種技術(shù)稱為充填采煤技術(shù)，應(yīng)用充填采煤技術(shù)有很多的優(yōu)勢，比如可以使矸石不用升井，節(jié)約大量土地，減少了礦井水的積聚和煤礦瓦斯的積聚等優(yōu)勢，這就實(shí)現(xiàn)了保護(hù)生態(tài)環(huán)境和煤炭開采之間平衡，充填采煤技術(shù)將是未來煤炭生產(chǎn)的發(fā)展方向。

1 充填采煤技術(shù)的發(fā)展歷史

充填開采技術(shù)是隨著煤炭開采的需求逐漸發(fā)展起來的，100多年以前，澳大利亞就已經(jīng)開始使用充填技術(shù)，但當(dāng)時(shí)充填是為了減少輔助運(yùn)輸，不是真正意義上的充填，直到20世紀(jì)30年代，充填才被列為煤炭開采中的一個(gè)工序，被真正利用起來，以防礦山開采的沉陷。

此后的60年，國內(nèi)外的進(jìn)一步的對充填采煤技術(shù)進(jìn)行研究，發(fā)展到21世紀(jì)后，在原有充填采煤技術(shù)的基礎(chǔ)上，對充填采煤技術(shù)和充填設(shè)備進(jìn)行改進(jìn)，現(xiàn)在已有高水材料、膏體充填、綜采架后進(jìn)行原生矸石充填和拋矸充填技術(shù)，明顯的提高了采煤的效率，使充填采煤技術(shù)進(jìn)入了新的發(fā)展階段。

2 充填采煤技術(shù)的重大突破

目前煤炭開采大部分采用的是綜合機(jī)械化采煤方式，充填采煤技術(shù)與綜合機(jī)械化采煤相匹配是實(shí)現(xiàn)綠色開采的發(fā)展方向，根據(jù)巖層控制理論和煤礦的礦山壓力，提出采用長壁工作面的采充一體化的原理，結(jié)合控制原理發(fā)明了綜合機(jī)械化的固體充填的采煤技術(shù)，從而達(dá)到了密實(shí)充填的效果，有效的控制了巖層的運(yùn)動(dòng)，成為煤炭綠色開采的核心技術(shù)。

結(jié)合現(xiàn)代礦井的生產(chǎn)模式和建設(shè)形式，采充一體化的原理是煤炭在前部進(jìn)行開采而后部進(jìn)行充填的雙工作面同時(shí)進(jìn)行，建設(shè)礦井充填材料和煤炭運(yùn)輸系統(tǒng)相協(xié)調(diào)的配套設(shè)備，使采煤的生產(chǎn)能力和充填的生產(chǎn)能力相互協(xié)調(diào)進(jìn)行，研究采煤和工藝相匹配的工藝，從而實(shí)現(xiàn)采煤和充填統(tǒng)一進(jìn)行的的開采方式。

在采充一體化原理的基礎(chǔ)上，經(jīng)過多年研究，提出了綜合機(jī)械化固體充填的采煤技術(shù)，這種技術(shù)將綜合機(jī)械化采煤和固體充填結(jié)合起來，實(shí)現(xiàn)了采充一體化的原理，固體充填材料采用的是矸石、風(fēng)積沙和粉煤灰等固體廢棄物，與傳統(tǒng)的工作面布置方式基本一樣，形成了前方進(jìn)行綜合機(jī)械化采煤，后方進(jìn)行機(jī)械化充填的雙工作面的形式。

3 充填采煤的巖層移動(dòng)控制理論

與傳統(tǒng)的綜采巖層移動(dòng)控制理論相比，充填采煤與其有很大的區(qū)別，充填采煤與煤層開時(shí)的極薄煤層開采一樣，因此通過對充填采煤進(jìn)行巖層移動(dòng)預(yù)計(jì)的等價(jià)采高理論建立，得到了解析計(jì)算公式，此計(jì)算公式是關(guān)于密實(shí)充填采煤巖層移動(dòng)，為了滿足被保護(hù)的對象在進(jìn)行

在采空區(qū)進(jìn)行充填時(shí)，在覆巖下沉的過程中，因覆壓的作用造成一定的壓縮變形。以固體充填作為例子，在固體從整體狀態(tài)變?yōu)槠扑闋顟B(tài)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一定的體積松散膨脹，受到不同作用的壓力，將會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的體積壓縮量，當(dāng)覆巖完全下沉壓實(shí)后，此時(shí)充填的固體物料高度為M0，根據(jù)采高的定義，進(jìn)行固體充填采煤時(shí)，等價(jià)采高為Me，實(shí)際采高為M，那最后的等價(jià)采高等于實(shí)際采高減去覆巖完全下沉壓實(shí)后的固體物料的高。

根據(jù)數(shù)值模擬、現(xiàn)場實(shí)測和物理模擬的研究發(fā)現(xiàn)，采用綜合機(jī)械化進(jìn)行固體密實(shí)充填采煤的技術(shù)可以控制巖層的移動(dòng)，這樣就可以使采空區(qū)覆巖中沒有垮落帶的形成，裂隙帶也只能發(fā)育到直接頂，在老頂巖層中，也只是發(fā)生了彎曲而沒有形成破斷，所以在對老頂和以上巖層進(jìn)行巖層力學(xué)分析的時(shí)候，可以采用連續(xù)介質(zhì)的力學(xué)模型進(jìn)行分析。

4 充填采煤理論與技術(shù)的發(fā)展展望

從以上分析，近年來，充填采煤技術(shù)在我國得到了突破性的發(fā)展，領(lǐng)先于世界水平，采充一體化的原理是近百年來充填采煤技術(shù)的創(chuàng)新成果，但也存在著一定的缺陷，比如在礦井地質(zhì)條件復(fù)雜的情況下，其生產(chǎn)效率會(huì)相對的降低，對于充填材料的來源和供應(yīng)量上也無法滿足進(jìn)行大面積的充填的需求，目前的的設(shè)備的型號比較少，不能實(shí)現(xiàn)完全配套，且設(shè)備的技術(shù)穩(wěn)定性也比較差，另外還沒有一套比較完整的充填采煤技術(shù)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)的法規(guī)和政策。

充填采煤技術(shù)的最終目標(biāo)是有效的控制地表沉陷和巖層的移動(dòng)，根據(jù)我國現(xiàn)有的煤礦發(fā)展的現(xiàn)狀，綜合機(jī)械化采煤技術(shù)也越來越成熟，煤礦的開采地質(zhì)條件也越來越復(fù)雜，綜合機(jī)械化采煤和充填采煤技術(shù)相協(xié)調(diào)發(fā)展，研究出與現(xiàn)代綜合機(jī)械化采煤技術(shù)相匹配的充填采煤技術(shù)裝備，從而實(shí)現(xiàn)煤炭的高效高產(chǎn)的目標(biāo)，未來充填采煤理論與技術(shù)的發(fā)展方向是，第一個(gè)是要解決充填采煤理論和工程之間的問題，第二是對充填采煤的設(shè)備進(jìn)行研究改進(jìn)，提出更加自動(dòng)化的設(shè)備，使系統(tǒng)的布置和工藝更加的優(yōu)化，第三是對充填材料進(jìn)行研究，找出更加適應(yīng)充填環(huán)境的材料，第四是建立一套比較系統(tǒng)的充填效果評價(jià)體系和方法，第五是進(jìn)一步的拓展充填采煤技術(shù)的應(yīng)用，第六是對地下水環(huán)境和充填采煤的協(xié)調(diào)做進(jìn)一步的研究。

5 結(jié)語

為了更好的實(shí)現(xiàn)能源保護(hù)和環(huán)境保護(hù)之間的相互協(xié)調(diào)問題，解決煤炭開采中采空區(qū)對建筑物下、鐵路下和水體下的資源造成威脅，充填采煤技術(shù)的發(fā)展將會(huì)成為未來進(jìn)行綠色開采的核心技術(shù)，本文介紹了充填采煤技術(shù)的重大突破，簡單分析了充填采煤的巖層移動(dòng)控制理論，對未來充填采煤理論與技術(shù)的發(fā)展提出一些意見，希望可以為實(shí)現(xiàn)綠色開采提供一些參考意見。

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