淺談充填采煤技術在開采“三下”壓煤中的應用

摘 要：文章介紹了目前我國“三下”采煤的主要技術，對發(fā)展迅速的充填采煤技術分別從固體充填、水力充填、膠結(jié)充填等三個方面進行了著重論述，提出了充填采煤技術設計體系，希望對煤礦充填開采提供參考。

關鍵詞：“三下”采煤；充填采煤；綠色開采

1 概述

我國煤炭資源豐富，目前累計查明資源儲量約1150億噸，煤炭在我國一次能源消費結(jié)構(gòu)中所占比重達到70%，未來以煤炭供給為主的能源格局短期內(nèi)不會改變，實現(xiàn)煤炭的綠色開采和清潔高效利用是解決能源問題、環(huán)境問題、保障國家能源安全的最主要途徑。

當前我國“三下”壓煤量已達到140億噸，占累計查明資源儲量的12%。隨著國民經(jīng)濟和國家建設的快速發(fā)展，“三下”壓煤量還將持續(xù)增加，這不但造成了煤炭資源的巨大浪費，也嚴重制約著礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。因地制宜的推廣應用充填采煤技術成為解放“三下”壓煤、保護煤炭資源、實現(xiàn)綠色開采、構(gòu)建和諧礦區(qū)的重要措施。

2 我國“三下”采煤技術現(xiàn)狀

目前，我國“三下”采煤技術主要有離層注漿、條帶開采、充填開采。

離層注漿是將粉煤灰、水泥、膠結(jié)物等制備而成的漿料通過鉆孔注入煤層上覆圍巖的離層空間，漿料凝結(jié)后對上覆圍巖特別是關鍵巖層起到支撐作用，從而減少采煤活動對地表的影響。我國20世紀80年代在撫順老虎臺煤礦、大屯徐莊煤礦、新漢華豐煤礦等地進行了離層注漿實驗，取得了一定的效果和經(jīng)驗，但該技術尚不能非常有效的控制地表下沉。

條帶開采是將采區(qū)或盤區(qū)劃分成較為規(guī)則的條帶，相鄰條帶間隔開采，上覆圍巖的重量將由保留的條帶煤柱進行支撐，從而使地表只產(chǎn)生較小的移動或變形。條帶開采在我國東北、河南等地區(qū)得到了應用，該技術雖然便于實施，但是該技術本身必然會降低資源回收率，回采巷道每次僅能服務一個工作面使得噸煤掘進率高，另外在防治煤層瓦斯、煤層自燃等方面也會增加難度。

充填開采就是把充填物（如矸石、砂漿等物料）通過專用設備充填入工作面采空區(qū)來控制頂板的冒落，從而使地表僅產(chǎn)生微小的移動或變形。我國使用充填采煤技術起步較晚，20世紀70年代方在山東、河南等地區(qū)試驗充填采煤技術，但由于性價比低、效率低、技術難度大等原因制約了這一方法的推廣和應用。進入21世紀以來，國家、高校、企事業(yè)單位在充填采煤技術方面投入了大量人力物力，在理論研究和實踐成果、充填設備和充填材料、降低成本和充填效果等方面取得了重大突破，該技術越來越被廣泛應用。下文將對充填采煤技術進行著重介紹。

3 充填采煤技術

3.1 固體充填采煤技術

固體充填是將矸石、礫石等固體廢棄物或混凝土、粉煤灰預制塊運送到采空區(qū)進行堆放充填，在充填區(qū)與采煤面之間通常還應設置隔離網(wǎng)，以便把充填物料與采落的煤炭隔開，提高資源回收率。固體充填有效地利用了煤礦生產(chǎn)過程產(chǎn)生的垃圾和廢物，可大幅降低充填成本，但充填物料無法由專用管道輸送使得轉(zhuǎn)運環(huán)節(jié)多、充填能力低，充填物料在一次充填后往往不夠致密，需要二次夯實或注漿補強使得充填環(huán)節(jié)多、充填效果差，因而該技術逐漸被更加高效的水力充填或膠結(jié)充填等方式取代。

固體充填的關鍵是投料系統(tǒng)，這對于提高充填效率、改善充填效果起到至關重要的作用，對于產(chǎn)能低的采煤工作面可采用拋矸機，對于產(chǎn)能高的采煤工作面應選用充填支架。

3.2 水力充填采煤技術

水力充填是將水做為載體，將矸石、礫石等物料經(jīng)專用管道輸送到采空區(qū)后通過水流和重力的作用進行充填，排空水和泥沙后可以形成較為致密的充填體，從而減小地表的移動和變形。該技術的優(yōu)點在于成本低、輸送量大、充填效率高、生態(tài)破壞小，但該技術在控制地面沉陷、提高煤炭采出率等方面仍存在不盡人意之處。

水力充填的關鍵是輸送工藝，充填濃度宜為60%～70%，可以實現(xiàn)自流輸送，壓力不足時輔以料泵輸送，輸送管路宜選用無縫鋼管，管徑要根據(jù)充填能力、充填壓力、經(jīng)濟流速等參數(shù)計算選型。

3.3 膠結(jié)充填采煤技術

膠結(jié)充填有三個要素，一是矸石、礫石等惰性材料，二是水泥、粉煤灰等膠結(jié)材料，三是水。可以將三者在地面按一定比例混合制備成料漿沿專用管道充填進采空區(qū)后再脫去多余的水分，也可以先將惰性材料堆放進采空區(qū)，再把膠結(jié)材料與水混合制成的凈漿由專用管路通過壓注、噴淋的方式填滿惰性材料之間的空隙，兩種方法的結(jié)果都是形成具有整體性、獨立性和較高強度的承載體，從而起到控制地表移動和變形的作用。

膠結(jié)充填的關鍵是膠結(jié)材料，膠結(jié)材料本身的屬性以及與惰性材料的配合比將直接影響運送能力、充填時間、充填效果等關鍵指標。除了傳統(tǒng)的水泥、粉煤灰等膠結(jié)材料外，我國也已研制出高水速凝充填材料，前者價格相對低廉但是輸送線路長時容易堵管，后者比較昂貴而且耗水量大但是輸送距離遠、輸送能力大、充填效果更好。目前，膠結(jié)充填已經(jīng)因其施工速度快、充填效果好、環(huán)境影響小、適應性強等優(yōu)點得到了礦山企業(yè)的重視，廣泛應用于“三下”采煤及堅硬頂板管理等環(huán)節(jié)。

4 充填采煤技術設計步驟

收集設計資料。赴煤礦實地踏勘，收集地質(zhì)報告、水文地質(zhì)類型劃分報告、隱蔽致災因素普查報告、采掘工程平面圖、井上下對照圖等資料，測定下沉系數(shù)、水平移動系數(shù)、邊界角、移動角等參數(shù)。

評價充填開采保護技術難度。計算當不使用充填開采時產(chǎn)生的地表下沉最大值、地表水平變形最大值、地表傾斜變形最大值、地表曲率變形最大值與它們相應的設防值之比，比值越大則保護技術難度越大，反之則越小。地表變形設防值可參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設與壓煤開采規(guī)程》選取。

設計充填開采技術方案。保護技術難度不大時，根據(jù)實際情況選用固體充填或水力充填或膠結(jié)充填，優(yōu)化物料配比、輸送工藝、充填工藝，保證支撐強度滿足設計要求；保護技術難度大時，采取提高充填率、夯實充填體和離層注漿等補強措施；保護技術難度很大時，采取充填條帶開采措施，采空的條帶由充填體補充，使充填體和條帶煤柱共同支撐上覆圍巖的重量。

試驗充填開采技術方案。結(jié)合煤礦開拓采區(qū)布置，選取無地面建構(gòu)筑物壓覆的區(qū)域試驗設計的充填開采技術方案，驗證過程中必須實時監(jiān)控頂板和地表的移動變形量、試驗用地面建構(gòu)筑物變形和破壞情況，實時調(diào)整充填時間、充填率、充填濃度等參數(shù)，使得充填效果滿足設防要求。

實施充填開采技術方案。經(jīng)試驗論證合理有效的充填開采設計方案報煤礦上級主管部門驗收投產(chǎn)，生產(chǎn)過程中煤礦要嚴格按照方案施工，控制好原材料制備、充填物料輸送、充填現(xiàn)場施工、充填效果檢驗等環(huán)節(jié)，加強對地表移動和變形的監(jiān)測監(jiān)控，制定突發(fā)事故應急預案并定期演練。煤礦在掌握了地表移動變形量與充填工藝的關系后，可適當調(diào)整充填參數(shù)，修改完善充填開采技術方案。

5 結(jié)束語

隨著煤炭資源的逐漸減少，人類更加注重保護生態(tài)環(huán)境，國家和社會大力加強民生改善，煤礦充填開采技術將成為解放“三下”壓煤的主要手段，是煤炭綠色開發(fā)的重要組成部分，對于保障民生、保護生態(tài)環(huán)境、提高資源利用率、促進礦區(qū)經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

參考文獻

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