充填采煤理論與技術(shù)的新進(jìn)展

邢攸臣

摘要：本文在闡述充填采煤技術(shù)發(fā)展歷史的基礎(chǔ)上，介紹充填采煤技術(shù)的重大突破，提出研發(fā)新型低成本充填材料、提高充填采煤技術(shù)的自動(dòng)化水平、地下水環(huán)境保護(hù)等是煤礦充填采煤技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。

關(guān)鍵詞：綜合機(jī)械化開采;充填與采煤一體化;綠色開采

1.引言

煤炭開采為保證我國能源利用做出了巨大貢獻(xiàn)，通過充填采煤技術(shù)可以有效控制巖層移動(dòng)和地表沉陷，可以提高煤炭資源的回收率，經(jīng)過多年的發(fā)展，充填采煤技術(shù)已經(jīng)成為煤炭開采和環(huán)境保護(hù)問題最有效的技術(shù)途徑之一，在國家“十三五”規(guī)劃編制提綱中，已經(jīng)明確提出按照綠色、安全、集約和高效的原則加強(qiáng)大型煤炭基地的建設(shè)，需要進(jìn)一步推廣充填采煤技術(shù)的應(yīng)用。

2.充填采煤技術(shù)的發(fā)展歷史

充填采煤技術(shù)是為了滿足采礦工業(yè)的需要而發(fā)展起來的，在國際上已經(jīng)有上百年的歷史，早期澳大利亞萊爾礦的工人為了減小礦井輔助運(yùn)輸?shù)膲毫⒕聫U石排棄到采空區(qū)進(jìn)行充填，不是真正意義上的充填，到20世紀(jì)30年代充填才開始作為礦山開采的工序，用來減少礦山開采沉陷，經(jīng)過60多年的發(fā)展，充填采煤技術(shù)在國內(nèi)外非煤礦山的研究和應(yīng)用中得到了長足的發(fā)展，但是在煤礦開采領(lǐng)域中，由于煤層賦存條件、地質(zhì)條件和采空區(qū)的限制，在形成穩(wěn)定充填空間等開采方面存在巨大的差異，不能將金屬礦山較為成熟的充填技術(shù)應(yīng)用到煤礦。目前水砂充填技術(shù)在國內(nèi)外已經(jīng)很少使用了。淮南地區(qū)、北京礦區(qū)、中梁礦區(qū)等在開采急傾斜煤層中曾經(jīng)使用過矸石自溜的方法，雖然取得了一定成效，但是受到充填機(jī)械、充填工藝和巖層控制理論的影響，充填質(zhì)量和充填控制效果不明顯，直接限制了在煤礦充填采煤技術(shù)中的推廣。進(jìn)入到21世紀(jì)后，在傳統(tǒng)充填采煤技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過煤礦企業(yè)改進(jìn)充填設(shè)備和引入金屬礦山充填采礦技術(shù)等，相繼研發(fā)出拋矸充填、膏體充填、原生矸石綜采架后充填和高水材料充填技術(shù)，顯著提高了充填采煤效率，促進(jìn)了充填采煤技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。

3.充填采煤技術(shù)的重大突破

開發(fā)和綜合機(jī)械化采煤技術(shù)相匹配的充填采煤技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綠色開采需要突破的核心技術(shù)之一，在現(xiàn)代采煤技術(shù)和傳統(tǒng)充填采煤技術(shù)的基礎(chǔ)上，根據(jù)充填采煤礦山壓力和巖層控制理論的研究，提出了長壁工作面采充一體化的理論，最后發(fā)明出綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了密實(shí)充填，從而有效的控制了巖層運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)，發(fā)展為綠色采煤技術(shù)的核心。

3.1長壁工作面采充一體化原理

面對綜合機(jī)械化長壁采煤工作面，采空區(qū)的上覆巖層會隨著工作面的推進(jìn)隨采隨垮，所以充填采煤技術(shù)必須要克服三個(gè)問題，一是在煤炭開采過程中，要形成相對穩(wěn)定的動(dòng)態(tài)充填空間;二是要保留開采過程中充填材料的安全輸送通道;三是確保采空區(qū)充填材料的密實(shí)度。為了解決以上三個(gè)問題提出了采充一體化原理，根據(jù)現(xiàn)代化礦井建設(shè)和生產(chǎn)模式，在生產(chǎn)過程中實(shí)現(xiàn)前部采煤、后部充填的并行作業(yè)的雙工作面形式，利用現(xiàn)代化礦井配套的煤炭運(yùn)輸和充填材料的運(yùn)輸系統(tǒng)，使采煤生產(chǎn)能力和充填生產(chǎn)能力均衡，匹配采煤工藝和充填工藝，形成和適應(yīng)現(xiàn)代化礦井的采煤、充填一體化的開采模式。

3.2綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)

為了解決煤礦充填過程中的三大問題，通過利用綜合機(jī)械化固體充填采煤技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)工作面采煤和充填的同時(shí)進(jìn)行，固體充填材料主要有矸石、黃土、粉煤灰、風(fēng)積沙以及建筑垃圾等，工作面布置方式和傳統(tǒng)綜采工作面的布置方式基本一樣，形成前方機(jī)械化采煤、后方機(jī)械化充填的雙工作面的格局，采煤工作面關(guān)鍵設(shè)備是充填采煤液壓支架，采煤和充填工序必須在液壓支架的掩護(hù)下進(jìn)行作業(yè)的，充填采煤液壓支架將傳統(tǒng)的綜采支架掩護(hù)后頂梁變?yōu)樗胶箜斄海诤箜斄旱难谧o(hù)下完成充填作業(yè)，通過充填采煤液壓支架后頂梁懸掛多孔底卸式輸送機(jī)完成充填材料的連續(xù)運(yùn)輸，在充填采煤液壓支架的后底座安裝夯實(shí)機(jī)構(gòu)，將充填材料向采空區(qū)推壓進(jìn)行夯實(shí)，達(dá)到充填密實(shí)的要求。此技術(shù)的主要原理是利用機(jī)械設(shè)備將礦區(qū)中的矸石、粉煤灰、風(fēng)積沙、黃土等固體廢棄物充填到采空區(qū)中，使控制巖層移動(dòng)目標(biāo)控制在合理范圍內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)采煤技術(shù)等沒辦法實(shí)現(xiàn)煤炭資源回收。另外還可以改善我國煤炭大規(guī)模開采帶來的礦區(qū)資源浪費(fèi)和生態(tài)環(huán)境的破壞，此技術(shù)的實(shí)施可以實(shí)現(xiàn)多重目標(biāo)，可以提高煤炭資源的回收率，使礦區(qū)固體廢棄物得到充分利用，保護(hù)礦區(qū)構(gòu)建物、土地、水體和生態(tài)環(huán)境，可以對采空區(qū)瓦斯、水、火和沖擊礦壓等重大災(zāi)害進(jìn)行防治。

3.充填采煤理論與技術(shù)的發(fā)展展望

總體來看，我國充填開采理論和技術(shù)在我國取得了突破性進(jìn)展，總體上是領(lǐng)先于世界水平的，其中綜合機(jī)械化固體直接充填采煤技術(shù)是近百年來國內(nèi)外在充填采煤技術(shù)上的重大突破，具備一定推廣應(yīng)用和商業(yè)開發(fā)的條件，但是還存在一些問題，主要有：（1）由于充填開采系統(tǒng)中設(shè)備比較多，工藝較復(fù)雜，技術(shù)要求比較高，在礦井地質(zhì)條件多變的情況下，生產(chǎn)效率相對比較低;還需要進(jìn)一步完善充填開采巖層控制理論和充填工藝與裝備水平;（2）充填材料的來源和供應(yīng)量無法滿足大面積充填開采的需要;（3）該技術(shù)的初期投資巨大，和傳統(tǒng)普通垮落法相比成本高，是阻礙該技術(shù)進(jìn)一步發(fā)展的主要因素之一;（4）設(shè)備的型號比較少，設(shè)備技術(shù)的穩(wěn)定性能比較差;（5）缺乏一套完整的充填開采行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，相配套的法規(guī)和政策不完善。

充填采煤的最終目標(biāo)是有效控制巖層移動(dòng)和地表沉陷，結(jié)合目前煤礦的發(fā)展?fàn)顩r，結(jié)合綜合機(jī)械化采煤技術(shù)、越來越復(fù)雜的煤礦開采條件，創(chuàng)新發(fā)展安全高效的充填采煤技術(shù)和設(shè)備，充填采煤技術(shù)綜合創(chuàng)新發(fā)展方向?yàn)椋海?）解決充填采煤的基礎(chǔ)理論和工程問題，加強(qiáng)充填采煤巖層移動(dòng)和地表沉陷的觀測工作，深入對充填體、覆巖、煤柱和支架之間的協(xié)同作用進(jìn)行研究，分析地復(fù)雜支撐體系中的各種因素幾何、力學(xué)特征和時(shí)空關(guān)系上的覆巖層運(yùn)動(dòng)影響規(guī)律，建立復(fù)雜體系變形和強(qiáng)度性質(zhì)上的覆巖層運(yùn)動(dòng)模型，深入對充填采煤及時(shí)相結(jié)合的地表沉陷進(jìn)行研究，降低充填材料的需求量，控制充填技術(shù)的成本;（2）提升充填采煤裝備的可靠性，研究自動(dòng)化裝備，對系統(tǒng)布置和工藝進(jìn)行優(yōu)化。和現(xiàn)代綜合機(jī)械化采煤工作面的生產(chǎn)能力相匹配是未來充填技術(shù)發(fā)展需要解決的關(guān)鍵性問題，結(jié)合目前充填采煤的發(fā)展?fàn)顩r，需要進(jìn)一步提升充填采煤裝備的可靠性，研究新型自動(dòng)化裝備，對系統(tǒng)布置和工藝進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高效充填采煤。（3）研發(fā)新型充填材料的特性。充填材料的性能直接決定了采空區(qū)的充填效果，所以要不斷研發(fā)更加適應(yīng)充填采煤環(huán)境的充填材料。（4）建立充填效果評價(jià)體系，進(jìn)一步研究充實(shí)率和巖層移動(dòng)的關(guān)系，建立科學(xué)合理的充填效果評價(jià)體系，為充填采煤技術(shù)效果的驗(yàn)證提供依據(jù)。

4.結(jié)語

通過充填采煤技術(shù)的利用可以有效控制巖層移動(dòng)和地表沉陷，提高煤炭資源的回收率，做到矸石不升井、消化地面矸石，節(jié)約大量土地，減輕地層的沉降，保護(hù)水資源，減少煤礦瓦斯和礦井的積聚，實(shí)現(xiàn)礦區(qū)生態(tài)和安全生產(chǎn)環(huán)境由被動(dòng)治理向主動(dòng)防治的轉(zhuǎn)變。

參考文獻(xiàn)：

[1]繆協(xié)興，張吉雄，郭廣禮.綜合機(jī)械化固體廢棄物充填采煤方法與技術(shù)[M].徐州：中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2010：25-59.

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