充填采煤技術的特性及應用分類研究

郭傳鵬

（大同市同煤集團四臺礦，山西 大同 037007）

在我國國民經濟快速發(fā)展的同時，對資源消耗越來越大，而現階段我國能源結構中煤炭資源有著舉足輕重的地位，占全部能源消耗的比例高達2/3[1]。我國煤礦除少量分布于水域及森林下方無人區(qū)域外，絕大部分都分布在城市或農村等人口較為集中的區(qū)域，其占比約80%。而煤礦開采的同時，常常都會伴隨著各種地質狀況的變化，從而會造成煤礦周邊生態(tài)環(huán)境與資源的破壞，并最終對周邊人類的生存與正常生產造成嚴重負面效應，同時造成巨大的經濟損耗。因此如何降低煤礦開采活動對煤礦區(qū)域原始自然環(huán)境以及居民生活的影響程度，具有十分重大的意義，有利于極大地提升我國煤礦開采技術水平與全體居民的生活水平。

充填開采技術現已在金屬礦的開采中取得重大實際應用進展，其作為一種綠色環(huán)保的開采方法[2]，也已引入到煤礦開采中，但由于煤礦開采與金屬礦開采的差異性，導致其應用范圍有限，本文從介紹充填采煤的概念出發(fā)，介紹了其分類以及各種方法的技術特點，進一步闡述了部分充填采煤技術，最后對充填采煤技術的未來發(fā)展進行了展望。

1 充填采煤技術的概念

充填采煤是一種不同于傳統采煤方法的新型采煤方法，它是在煤礦初始地質條件下，采用一定技術手段將膏體、矸石等填充物對采空區(qū)進行實時填充，避免了大范圍地下空洞區(qū)域的產生，從而有效減少了采空區(qū)地面下降現象的發(fā)生。充填采煤還能夠極大地減少采煤區(qū)域巖層的破壞和運動，有效提高了煤礦開采過程的安全性。

2 充填采煤技術的特點

充填開采技術最大的特點是對巖層破壞小，因此其可以有效控制巖層位移與地面塌陷。充填開采技術應用于煤炭開采中，上述優(yōu)勢使得其受到越來越多的關注與重視[3]。國內最早在20 世紀60 年代就開始講充填技術引入煤礦開采，最初使用水砂充填采煤時，由于采煤過程的自動化程度不高，且對填充材料、工藝等方面理論研究欠缺，導致生產效率與經濟效益低下。與金屬礦的充填開采對比，充填采煤具有以下特征：

1）充填能力與采煤能力不匹配。目前煤礦開采的機械化程度較高，生產過程中的采煤、裝運、支護與放頂基本實現了機械化，與之相反，充填能力遠遠跟不上。而在充填采煤過程中，充填與采煤是一個完整的生產循環(huán)，兩者相互制約著。煤礦的充填技術應往高效上迅速發(fā)展。

2）充填材料不足。傳統充填開采技術主要使用廢石、爐渣等作為充填材料，但煤礦開采過程由于矸石等工業(yè)廢物占比低，導致充填材料無法滿足充填作業(yè)的需求。因此，開發(fā)廉價豐富的填充材料是充填采煤技術應用的重要條件。

3）充填采煤的成本與效益之間的矛盾。充填采煤可大大提高煤礦的開采率，并且可以極大降低拆遷成本，但與此同時，充填開采本身所需的設備、工時等也導致了其成本增加。因此，必須平衡成本與效益之間的矛盾。通常戶均壓煤量越小，充填開采的經濟效益越顯著。

3 充填采煤技術的分類

充填采煤技術的分類有多種方法，通常可按照充填材料、充填位置、充填動力或充填量來進行分類，具體分類如下頁圖1 所示。

充填采煤技術依據充填材料的種類與物相狀態(tài)可以分為：水砂充填、膏體充填、矸石充填、高水材料充填。其中，膏體充填是將矸石、煤灰、河砂、工業(yè)爐渣、劣質土以及固體垃圾等制成漿體后，再利用泵加壓后經由管道輸送至井下充填采空區(qū)[4]，典型膏體充填系統如圖2 所示。

圖1 充填采煤技術分類

圖2 典型膏體充填系統示意圖

充填采煤技術依據充填過程的動力源不同，通常可以分為：自溜充填、風力充填、機械充填、水力充填等。其中自溜充填的動力來源于充填材料的自身質量；風力充填的動力來源于壓縮空氣；機械充填的動力來源于投擲機等專用設備。這三種充填方法主要用于填充材料為松散固態(tài)物質的情形。水力充填又可依據充填物濃度分為低濃度、高濃度以及膏體充填。

充填采煤技術依據充填位置的不同可分為：采空區(qū)充填、冒落區(qū)充填、離層區(qū)充填。通常采空區(qū)充填所使用的充填物質為高濃度充填料或膏體充填料，與之相反，冒落區(qū)與離層區(qū)所使用的充填物質為低濃度充填料。

充填采煤技術依據充填量和充填范圍的不同，通常可以分為：全部充填與部分充填。其中全部充填的充填量與煤礦的采出量基本相當；而部分充填的充填量通常少于煤礦的采出量。

4 部分充填采煤技術

部分充填采煤技術僅僅對局部采空區(qū)、離層區(qū)或冒落區(qū)進行充填，填充后的支撐系統由覆巖結構、充填體及部分煤柱三部分所組成。部分填充采煤技術有效利用了覆巖結構自身的承載能力，從而極大地減小充填量，使得充填成本有效降低，采煤的經濟效益得到提升。部分充填采煤技術依據其填充的區(qū)域與時間可分為采空區(qū)條帶充填技術、冒落區(qū)注漿充填技術、離層區(qū)注漿充填技術等。

1）采空區(qū)條帶充填技術。煤炭開采后采空區(qū)的頂板冒落之前，先及時使用填充材料對部分采空區(qū)進行充填，從而形成相互交錯的條帶以起到支撐作用。

2）冒落區(qū)注漿充填技術指的是將采空區(qū)巖層縫隙被壓實前將漿態(tài)的充填料填充進去，從而形成充填料與冒落共同形成的支撐系統。

3）離層區(qū)注漿充填技術。隨著巖層的位移運動，覆巖內會產生縫隙，再經由地面的鉆孔把充填料壓入離層間隙，充填料將下方巖層壓縮，使得離層空間加大，進而減少了巖層位移向地表的傳導。

5 結語

當前充填能力不足與煤礦開采高效要求之間的矛盾是制約充填采煤技術應用的主要矛盾。為解決這一矛盾，應從改善填充料與優(yōu)化填充工藝兩方面作為技術突破口。