煤礦開采沉陷充填開采技術(shù)應(yīng)用研究

張宏遠(yuǎn)

摘 要：減少煤炭開采中發(fā)生的沉降問題是煤炭開采中的關(guān)鍵，需要實(shí)施有效的處理計(jì)劃。 受礦井開采的影響，導(dǎo)致破壞了地表水位，降低地下水位，造成山體滑坡，影響煤礦開采和周圍的環(huán)境，并緊急對(duì)其進(jìn)行改善。 在此基礎(chǔ)上，本文結(jié)合礦山開采控制沉降的措施，詳細(xì)分析了部分填充技術(shù)的原理，并考察了該技術(shù)的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：煤礦開采；沉陷充填；開采技術(shù)

中圖分類號(hào)：TD823 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）11-0151-02

0 引言

近年來，煤炭已被視作社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的重要資源，并得到了廣泛的應(yīng)用。然而，在煤礦中，這經(jīng)常導(dǎo)致采礦區(qū)域的地質(zhì)沉降，這不僅影響整個(gè)巖石表面結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，而且還影響環(huán)境。隨著煤炭需求的增長(zhǎng)，加強(qiáng)對(duì)煤礦坍塌的控制至關(guān)重要。在實(shí)踐中，可以使用部分填充技術(shù)將注意力集中在整個(gè)采煤過程中，避免惡性情況的發(fā)生，并不斷提高采礦效率。因此，加強(qiáng)對(duì)這一主題的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

1 部分填充開采技術(shù)原理

填充采礦是通過適當(dāng)?shù)呐渲?，滿足開采漿液的要求，填補(bǔ)礦區(qū)的沉降，從而消除沉降，確保采煤安全。結(jié)合大量實(shí)際分析，結(jié)果表明填充開采涉及大量技術(shù)過程。目前應(yīng)用最常見的填充方法，例如使用膏體和膠結(jié)體，并且實(shí)現(xiàn)控制沉降范圍的目標(biāo)。如果在處理期間使用填充物填充采空區(qū)，則可以進(jìn)行膠體填充并且需要確保膠體的濃度。在存在采空的情況下，必須實(shí)施注漿碎石的手段并選擇低濃度的非膠體以完成填充。這里需要說明一下，不同的填充模式適用于不同的沉降環(huán)境。由于膠體的相對(duì)濃度不高，它可以適應(yīng)分離區(qū)的基本需要。結(jié)合填料量與開采的煤量之間的關(guān)系，填充模式可分為兩種類型的填充模式：一種是一切都在采礦后發(fā)生，進(jìn)行了采空區(qū)處理，達(dá)到了填充目標(biāo)，避免了沉降的發(fā)生。另一種是部分填充包括在采空層中添加一定量的填料以幫助形成巖石的支撐并控制和防止通過基巖的主要結(jié)構(gòu)的下沉?；谏鲜龇治?，可以在填料量和開采煤量水平之間建立聯(lián)系：有必要結(jié)合實(shí)際采礦量并選擇適當(dāng)?shù)奶盍虾吞盍霞夹g(shù)開采煤礦并確保煤礦開采過程中盡可能減少出現(xiàn)安全問題。所有填充技術(shù)旨在確保采空區(qū)的填充和控制，以避免出現(xiàn)任何沉降。對(duì)于更高完整性的煤層，需要關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的可靠性更好，然后可以實(shí)施部分填充以控制填充水平并且可以實(shí)現(xiàn)采空區(qū)降低控制。此外，在使用部分填充礦物技術(shù)時(shí)，必須使用巖層運(yùn)動(dòng)規(guī)律和控制理論作為確保合理使用該技術(shù)的主要依據(jù)。減少煤炭開采的問題是煤炭開采中的關(guān)鍵問題，需要實(shí)施有效的處理計(jì)劃。受礦井沉降影響，可能會(huì)破壞地表水位，降低地下水位，造成山體滑坡，影響煤礦開采和周圍環(huán)境，需要緊急對(duì)其進(jìn)行改善。

2 煤礦充填開采技術(shù)的基本現(xiàn)狀

一般而言，填充技術(shù)適用于金屬礦開采。因此，該技術(shù)的發(fā)展運(yùn)用比較成熟。然而，在煤炭開采方面，填充技術(shù)仍處于學(xué)習(xí)階段。實(shí)際上煤礦部分屬于層狀巖石層，這將導(dǎo)致開采煤礦的過程中不可避免的發(fā)生巖石的位移以及破壞的結(jié)構(gòu)，使填充和其解決的最終目標(biāo)是因該金屬礦石而發(fā)生不同。有研究表明，中國(guó)在沉降區(qū)的開采填充方法仍然是20世紀(jì)60年代。撫順勝利礦通過傾斜沙子并填充煤礦，成功地開采了工廠的保護(hù)煤柱。后期中國(guó)學(xué)習(xí)了國(guó)外的一些經(jīng)驗(yàn)，即使用離層注漿來進(jìn)行開采，從而優(yōu)化了中國(guó)填充技術(shù)，有效減緩中國(guó)采礦活動(dòng)造成的大規(guī)模沉降。此外，在20世紀(jì)80年代的技術(shù)發(fā)展過程中，德國(guó)開發(fā)了一種填充技術(shù)，以進(jìn)一步解決水砂填充中出現(xiàn)的問題和復(fù)雜而困難排水系統(tǒng)的建設(shè)問題。此技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于，用于填充沉降部分的填充材料被科學(xué)地轉(zhuǎn)換成非疏水性牙膏狀懸浮液。提高填充效率還有效地減少了填充材料的凝結(jié)時(shí)間。然而，隨著對(duì)煤礦的需求增加，國(guó)內(nèi)煤礦開采造成的沉陷程度也在增加。除了不同的地質(zhì)條件外，對(duì)混合填充方法的要求也各不相同。如果使用單一相同的填充物。該方法將無法滿足沉陷區(qū)的填充要求，并且可能無法達(dá)到預(yù)期的填充目標(biāo)。

3 煤礦沉陷充填開采技術(shù)的應(yīng)用

采煤填充技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用可以有效地解決資源破壞問題，但使用該技術(shù)的成本高，一般難以推廣。在這種情況下，必須充分考慮使用填充技術(shù)的成本，特別是必須充分考慮對(duì)煤礦運(yùn)行開采的補(bǔ)償。調(diào)查表明，采礦的技術(shù)成本仍然是一個(gè)非常嚴(yán)重的問題，在這種情況下，國(guó)家應(yīng)公布有關(guān)文件，以便為采礦補(bǔ)償提供具體的政策支持，以擴(kuò)大采礦填充技術(shù)的應(yīng)用范圍，從而得以對(duì)環(huán)境資源達(dá)到保護(hù)的目的。

3.1 條帶采空區(qū)膏體充填技術(shù)

采空區(qū)條帶膏體技術(shù)主要用于在屋頂頂部的煤層耗盡時(shí)用膏體狀材料填充采空區(qū)，填充條帶用于支撐覆蓋層。為了控制表面的沉降，未填充的采空區(qū)的寬度必須小于初始覆蓋層發(fā)生故障的寬度，由此填充條帶的長(zhǎng)期性和穩(wěn)定性能夠得到保障。這種填充技術(shù)的原理如圖1所示。該技術(shù)主要控制采煤過程中的沉陷的部分，并且存在兩種類型：一種是條帶必須被布置在適當(dāng)位置，以使煤開采期間被布置為短壁條帶開采，然后開采完一個(gè)工作表面后進(jìn)行填充，再填充該第三個(gè)工作面。換句話說，填充過程由單個(gè)工作間隔分開進(jìn)行填充，并且該模式的填充操作相對(duì)簡(jiǎn)單。另一種是在完成工作面開采完成后，使用長(zhǎng)壁條帶開采模式來構(gòu)造長(zhǎng)壁填充條帶，并且在這段時(shí)間內(nèi)必須控制好條帶之間的間隔。

3.2 注漿充填技術(shù)

該項(xiàng)技術(shù)主要是為了補(bǔ)充條帶開采技術(shù)。由于使用條帶采礦技術(shù)，采空區(qū)將有采空區(qū)域，隨著這些采空區(qū)域的承載能力降低，這些區(qū)域上所產(chǎn)生的壓力將轉(zhuǎn)移到煤巖柱，導(dǎo)致煤巖柱變形，出現(xiàn)坍塌的問題。此時(shí)，采用注漿填充技術(shù)，相關(guān)工作人員可以使用鉆孔將注漿注入采空區(qū)，從而增加其承載能力，并減少了煤柱上的負(fù)荷，從而降低煤柱的變形速率并減緩沉降。

3.3 膏體充填技術(shù)及應(yīng)用

膏體填充技術(shù)是一種基于全尾砂充填技術(shù)的技術(shù)，對(duì)全尾砂的總濃度提出了很高的要求。為了保證填充質(zhì)量，礦井對(duì)全尾砂的填充水平提出了更高的要求，使其濃度大于85%。但是，從運(yùn)輸?shù)娜采敖嵌葋砜矗瑵舛缺仨毐３衷?8%以下。這兩個(gè)不同的數(shù)字出現(xiàn)了矛盾。為了解決這個(gè)問題，全尾砂只能通過分級(jí)脫泥的方式來處理。在運(yùn)輸之前，全尾砂濃度設(shè)定在78%以下以滿足運(yùn)輸需求。一旦將填充物輸送到采礦區(qū)域，必須將其脫水至85%或更高的濃度。然而，這種方法顯著降低了全尾砂的利用率，導(dǎo)致水泥減少并且還降低了填料的強(qiáng)度。因此，為了同時(shí)解決填充強(qiáng)度的問題和運(yùn)輸條件的合理化，只能使用用于運(yùn)輸全尾砂的特殊裝置。在運(yùn)輸之前將全尾砂脫水至所需濃度，以便在進(jìn)入采礦區(qū)域后不需要進(jìn)一步純化。這不僅減少了材料浪費(fèi)，還減少了釋放到當(dāng)?shù)赝寥乐械乃斐傻奈廴?。同時(shí)，膏體尾砂含有較少的水，這有效地減少了凝固時(shí)間，并間接地減少了工作循環(huán)。該技術(shù)在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用帶來了非常顯著的成果。然而，由于運(yùn)輸過程中全尾砂的高濃度，泵送功率也需要更高的要求，這導(dǎo)致成本增加和運(yùn)輸過程中的頻繁堵塞，十分會(huì)影響運(yùn)輸過程。因此，需要進(jìn)一步研究以解決上述問題并提高往返運(yùn)輸全尾砂的效率。

3.4 塊石膠結(jié)充填技術(shù)

塊石膠結(jié)充填技術(shù)具有良好的填充結(jié)果和填充能力，并且工藝簡(jiǎn)單易行。通過充分利用礦山尾礦來確保填充的強(qiáng)度和彈性，而且還可以減少水泥用量。然而，該技術(shù)對(duì)應(yīng)用技能的要求非常高，并且通常用于含有更多廢石的采礦區(qū)域。這主要是因?yàn)榈V井中的巖石可以與膠結(jié)料混合并用作填充骨料。在水泥砂漿的作用下，骨料很容易凝結(jié)，從而使得不僅僅是填充沉降區(qū)，也避免了地表的下沉。此外，塊石膠結(jié)充填技術(shù)降低了生產(chǎn)成本和對(duì)于水泥的需求，從而降低了施工成本，降低了環(huán)境影響并加強(qiáng)了填充體的穩(wěn)定性。現(xiàn)如今，該技術(shù)已經(jīng)廣泛用于國(guó)內(nèi)的煤礦開采工程中。

3.5 全尾砂充填膠結(jié)技術(shù)及應(yīng)用

隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)一步的研究，在尾渣廠采用全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)，有效提高了尾砂的利用率。全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在20世紀(jì)80年代進(jìn)入試驗(yàn)階段，并在尾砂處理之前取得了一些成果。對(duì)于全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)主要是基于膠體化學(xué)和物理化學(xué)：當(dāng)尾砂處理中，尾砂被分為兩個(gè)部分，其中，使用真空過濾器和高性能的增稠劑，以保持砂漿脫水后濃度超過70%。選擇少量水并與適量的水泥和脫水后的殘留物混合以使攪拌更均勻。為了攪拌更加均勻，可以使用強(qiáng)力攪拌裝置。一旦混合物凝結(jié)成均勻的凝膠，它就可以通過管道移到礦井。但是全尾砂膠結(jié)充填技術(shù)在開發(fā)階段，除了研究填充性和材料利用率，有必要研究巖石層之間的相互作用和填充體的穩(wěn)定性。同時(shí)，該領(lǐng)域的研究技術(shù)人員已經(jīng)研究了輔助劑的使用以改善填充體的性能?？傊?，該技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用極大地緩解了原料資源的瓶頸，從而促進(jìn)了對(duì)生態(tài)環(huán)境的保護(hù)。然而，該技術(shù)對(duì)相關(guān)工藝過程提出了很高的要求：例如，脫水過程需要相對(duì)復(fù)雜的過程，這不可避免地增加了工程設(shè)計(jì)成本。因此，關(guān)于脫水工藝過程，需要進(jìn)一步研究以盡可能簡(jiǎn)化脫水過程，從而降低成本。

4 結(jié)語

隨著煤炭需求的增加，煤炭開采將不可避免地增加，同樣也不可避免地造成生態(tài)環(huán)境的進(jìn)一步破壞。在鼓勵(lì)煤炭工業(yè)發(fā)展的同時(shí)，相關(guān)研究人員必須優(yōu)化各種填充開采的解決方案，以減少煤炭開采造成的損害，并在一定程度上降低沉陷引發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)，更好地保護(hù)周圍的環(huán)境。

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