煤礦開采沉陷的部分充填開采技術(shù)

李 勱

(太原正越工程設(shè)計(jì)有限公司，山西 太原 030001)

我國煤礦開采工作主要采用井工開采方式，垮落法管理頂板，隨著地下煤炭開采量逐年增多，在地下形成了大量采空區(qū)，若采空區(qū)的地下結(jié)構(gòu)發(fā)生失穩(wěn)或強(qiáng)度明顯下降的問題，或維護(hù)結(jié)構(gòu)自身存在不足，地表底層附著于上部的建筑物就可能出現(xiàn)沉陷問題，進(jìn)而引發(fā)房屋開裂下沉，最終造成嚴(yán)重的安全隱患。相應(yīng)的，煤礦開采工作中也出現(xiàn)了較為明顯的地質(zhì)沉陷問題，會(huì)產(chǎn)生地下水下滲的情況，極大程度地影響了地表生態(tài)。

1 煤礦開采沉陷的影響

煤礦開采工作主要集中于地下，需要挖掘并搬運(yùn)地表層下的煤炭資源。在挖掘和傳輸支撐地殼平衡的煤礦后，會(huì)破壞地層結(jié)構(gòu)，從而產(chǎn)生地質(zhì)沉陷問題。如煤礦開采上方有建筑物，則會(huì)直接破壞建筑物的穩(wěn)定性，進(jìn)而引發(fā)嚴(yán)重的安全和質(zhì)量隱患。若想規(guī)避安全事故，就應(yīng)在煤礦開采前，拆除地質(zhì)上方的建筑物，而這也需要投入更高的采礦成本，無法保障煤礦開采工作的經(jīng)濟(jì)效益。與此同時(shí)，長時(shí)間開采煤礦也會(huì)對地表生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，甚至是引發(fā)嚴(yán)重的自然災(zāi)害。若想在煤礦開采后恢復(fù)地表生態(tài)，則需要消耗較多的人力、物力和財(cái)力等資源，會(huì)影響采煤單位的效益。為此，有關(guān)部門一方面要高度關(guān)注采礦人員的人身安全，另一方面也需大力保障生態(tài)環(huán)境的穩(wěn)定發(fā)展[1]。

2 充填開采技術(shù)概述

依據(jù)煤礦開采方式和填充漿料的濃度來劃分，充填開采技術(shù)分為膏體充填技術(shù)、高濃度充填技術(shù)、低濃度充填技術(shù)、非膠結(jié)充填技術(shù)、膠結(jié)充填技術(shù)。以開采位置和開采區(qū)域分類，主要分為采空區(qū)域充填技術(shù)、冒落充填技術(shù)、離層區(qū)域充填技術(shù)。在填充設(shè)計(jì)中，既要考慮采空區(qū)塌陷對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響，又需考量填充技術(shù)技術(shù)及成本，必須全方位、科學(xué)選用填充工藝[2]。

3 煤礦充填開采技術(shù)現(xiàn)狀

填充技術(shù)在金屬礦石開采中得到廣泛應(yīng)用，該技術(shù)進(jìn)入到成熟期。但在煤礦開采中，該技術(shù)依然處于發(fā)展初期。這主要是因?yàn)槊旱V是層狀巖石層，開采可能會(huì)破壞巖石，引發(fā)巖石移動(dòng)。在煤礦開采中利用填充技術(shù)所需解決的問題與金屬礦石存在較大的差異。據(jù)相關(guān)研究顯示，我國采煤后填充沉陷區(qū)域的方法依然選擇傳統(tǒng)的模式，某礦結(jié)合傾斜上行水砂填充長壁采煤方式開采了工廠的保護(hù)煤柱。對此，我國學(xué)習(xí)和借鑒了國外的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，以完善填充技術(shù)，規(guī)避開采煤礦后產(chǎn)生的大面積地表沉陷問題。

技術(shù)發(fā)展中，為有效解決水砂填充中泌水和隔離排水系統(tǒng)建設(shè)問題，德國在20世紀(jì)80年代就研制了新型的采礦技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)能夠合理利用沉陷部位的填充料制作不泌水的牙膏狀漿體。之后以較低流速在建設(shè)泵的支持下，將材料輸送至沉陷區(qū)域，以此提高填充效率，縮短填充料凝結(jié)的時(shí)間。

但是依據(jù)目前實(shí)際情況來看，我國對煤礦的需求量顯著升高，國內(nèi)開采煤礦后引發(fā)的沉陷問題日益嚴(yán)重，且地質(zhì)概況也存在明顯差異，對填充方法也提出了不同的要求。若統(tǒng)一使用相同的施工方法，則不能達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。據(jù)相關(guān)調(diào)查顯示，我國現(xiàn)階段約有1500座煤礦矸石山，煤礦開采時(shí)可能產(chǎn)生較多的矸石，而矸石堆積又會(huì)消耗大量的土地資源，破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，進(jìn)而引發(fā)環(huán)境污染問題。所以，認(rèn)真分析煤礦開采后的填充方法和技術(shù)，也可有效解決生態(tài)環(huán)境問題，促使綠色資源的有序開采。

4 部分填充開采技術(shù)分析

4.1 覆巖離層注漿技術(shù)

實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，覆巖離層主要位于關(guān)鍵層，在相鄰相關(guān)層斷裂中并未出現(xiàn)離層。該技術(shù)是按照過往經(jīng)驗(yàn)和規(guī)律，明確覆巖離層的位置和離層梁，進(jìn)而合理掌控注漿的時(shí)間，優(yōu)化注漿質(zhì)量。關(guān)鍵層接近初次破裂時(shí)是最好的時(shí)間，關(guān)鍵層與初次破裂接近時(shí)的離層最大，因此可采用箱內(nèi)注漿的施工方法。而若關(guān)鍵層破裂，則注漿的難度會(huì)隨之加大。此時(shí)，離層量會(huì)隨之減少。離層填充材料具有特殊性，主要為非固結(jié)性材料，底濃度漿液也會(huì)隨采面向前緩慢流動(dòng)[3]。

在研究中，關(guān)鍵層第一次破裂問題的控制是當(dāng)前尤為重要的內(nèi)容，如關(guān)鍵層下方離層處在空洞狀態(tài)，且在關(guān)鍵層首次破裂前，則無法保證填充效果。填充漿液無法對關(guān)鍵層起到支撐效果。相關(guān)人員采用上述方式解決了這一問題。這種方法主要是利用關(guān)鍵層第一次破裂時(shí)承受的最大跨距，切實(shí)加強(qiáng)采面的分區(qū)處理。利用區(qū)間跳采方式能夠使?jié){液填不同離層，防止關(guān)鍵層脫落，確保關(guān)鍵層的穩(wěn)定性。

4.2 采空區(qū)膏體條帶技術(shù)

嚴(yán)格控制地表淪陷，覆巖主關(guān)鍵層初次破裂的跨度不得小于未填充的采空區(qū)，使填充條帶處于長期穩(wěn)定的狀態(tài)。但是煤層采出后，頂板冒落前采空區(qū)的膏體帶填充和構(gòu)筑間的填充能夠支持覆巖石。采空區(qū)膏體條帶填充原理示意圖，如圖1所示。

圖1 采空區(qū)膏體條帶填充原理示意圖

采空區(qū)條帶填充技術(shù)有兩種，一種是隔條帶充填開采短壁間方法。如圖2所示，開采布置短帶壁條工作面，工作面間應(yīng)間隔填充。圖2中的數(shù)字主要指不同工作面開采的順序。另外一種相對簡單的方法是長壁條帶充填開采，長壁工作面是需要布置的工作面，僅需在采空區(qū)間順著推進(jìn)方向建設(shè)填充袋，該開采模式廣泛應(yīng)用于多個(gè)礦區(qū)[4]。

圖2 隔條帶充填開采短壁間方法示意圖

如某煤礦首次開采的地面建筑物壓煤量。結(jié)合過往經(jīng)驗(yàn)，合理利用概率積分法，幾率可達(dá)到68%以上，若想讓地面變形破壞等級不超過一級，則可在處理中采用40 m～60 m的條帶開采。但是該方法不具有煤炭回采的功能。在該地區(qū)主要使用短壁間隔條帶填充，嚴(yán)格把控開采沉陷，并對此進(jìn)行深入的模擬和研究，希望全方位提高煤炭回采率。采寬短壁間隔條帶充填開采方案可替代原有的開采方案，但應(yīng)確保其具有厚度為20 m的主關(guān)鍵層，該處理方式能夠使成本降低4層～5層，而且煤炭采出率也提高4成左右，具有較為理想的推廣應(yīng)用價(jià)值。

4.3 條帶開采冒落區(qū)注漿技術(shù)

建筑物壓煤條帶開采是條帶開采冒落區(qū)注漿填充。該方法需在地面或井下使用破碎石子填充，如圖3所示，當(dāng)中所展示的填充破碎矸石空隙。該技術(shù)主要利用填充材料及冒落區(qū)的石頭共同構(gòu)成相同的承受體，所以可適度縮短留條的寬度，該操作可有效減少資源的消耗。不僅如此，該方法也可減輕建筑物承受的荷載，控制由于自重過大所引發(fā)的變形問題，全面維護(hù)施工操作的安全性。該技術(shù)的優(yōu)勢特點(diǎn)也為煤碳再利用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖3 充填破碎矸石空隙

條帶開采冒落區(qū)注漿技術(shù)存在十分顯著的不足采。其中，煤炭出率較低是十分顯著的不足，具體的煤炭出采率僅在50%以下。對此，相關(guān)人員需要不斷優(yōu)化和完善相關(guān)技術(shù)。條帶冒落區(qū)主要是基于條帶采出后，可在巖層內(nèi)形成該區(qū)域，因此其承載力較差。作業(yè)人員可于兩側(cè)設(shè)置煤柱，以此承受上部巖層的大部分重量。地表淪陷主要表現(xiàn)在煤柱和上方巖柱上的負(fù)荷，進(jìn)而致使煤巖柱壓縮變形，產(chǎn)生一定的安全隱患，為整體煤礦開采工作帶來麻煩。

5 煤礦開采的展望

在我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，能源需求顯著增加，因此，不同的結(jié)構(gòu)也需要適應(yīng)不同的要求，以此保障生產(chǎn)安全，按照基礎(chǔ)應(yīng)用的作用和功能體現(xiàn)其生產(chǎn)保障價(jià)值。在現(xiàn)代化煤礦業(yè)發(fā)展中，需要結(jié)合實(shí)際情況，推動(dòng)行業(yè)結(jié)構(gòu)形態(tài)建設(shè)的全面發(fā)展。使用開采技術(shù)時(shí)，要求人員認(rèn)真分析采煤工作面的生產(chǎn)能力，考慮到生產(chǎn)效益與環(huán)境效益，有效控制生產(chǎn)成本。目前，條帶開采技術(shù)主要應(yīng)用于建筑物下壓煤開采之中，該技術(shù)的開采率較低，僅為30%～50%。條帶開采后地表下沉，于采空區(qū)及上部特定的空間中形成了冒落區(qū)。條帶冒落區(qū)承載能力喪失后，可將上部巖層的荷載直接轉(zhuǎn)移至兩側(cè)留置的煤巖柱上，最終在壓縮變形后便會(huì)引發(fā)地表沉陷問題[5]。

在填充過程中，部分填充僅需要填充采空區(qū)局部或離層區(qū)和冒落區(qū)，主要依據(jù)覆巖關(guān)鍵層結(jié)構(gòu)、填充題和部分煤柱承受控制開采沉陷，有效減輕了充填工作的壓力，減少了材料的用量，同時(shí)也達(dá)到了成本控制的目的。部分充填開采技術(shù)在煤礦填充材料數(shù)量不多，或采煤工作面生產(chǎn)能力較大的區(qū)域較為常見，并且也成為煤礦低成本填充技術(shù)的主要發(fā)展趨勢。

煤礦開采相關(guān)企業(yè)需要高效利用現(xiàn)有技術(shù)，明確煤礦開發(fā)方向，做好安全生產(chǎn)應(yīng)用規(guī)劃工作。現(xiàn)代采煤技術(shù)發(fā)展中，科學(xué)開發(fā)井下煤炭生產(chǎn)技術(shù)能夠有效保證基礎(chǔ)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的科學(xué)性與穩(wěn)定性，將規(guī)劃建設(shè)落到實(shí)處。此外，在現(xiàn)代化生產(chǎn)建設(shè)中，為改善煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)代化建設(shè)的水平，還需要在現(xiàn)代化生產(chǎn)中高度重視每層開采沉陷建設(shè)，以此為安全生產(chǎn)奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

綜上所述，嚴(yán)格控制煤礦開采引起的開采淪陷有利于綠色煤礦的發(fā)展。部分充填技術(shù)能夠有效解決地質(zhì)淪陷，規(guī)避結(jié)構(gòu)受損，同時(shí)也可達(dá)到保護(hù)土地資源的目的，促進(jìn)煤礦行業(yè)的綠色開發(fā)。對此，相關(guān)部門需深入了解和掌握該項(xiàng)技術(shù)，該技術(shù)一方面能夠合理開采資源，另一方面也可推動(dòng)煤礦開采業(yè)的全方位發(fā)展，降低開采成本，產(chǎn)生較高的經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)維護(hù)環(huán)境效益。大范圍應(yīng)用該技術(shù)也成為了未來行業(yè)發(fā)展主流趨勢，具有廣闊的發(fā)展前景。