固體充填采煤充實率設(shè)計與控制理論研究

高博 韓濤 張旭

摘要：在煤礦開采工作中，充填采煤是重要的工作內(nèi)容。隨著國家對環(huán)境保護力度的不斷增加，綠色采煤也成為煤礦行業(yè)關(guān)注的重點。為了實現(xiàn)綠色采煤的目標(biāo)，本文具體分析影響充實率設(shè)計的各種因素，并根據(jù)制約固體充填采煤發(fā)展的因素提出相應(yīng)的解決對策，旨在促使采煤行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：固體充填；綠色采煤；控制

當(dāng)前，我國礦業(yè)研究者對充實率的研究主要集中在固體充填采煤方面。在煤礦采煤技術(shù)中，固體充填采煤技術(shù)是較有效的采煤工藝，通過充填體的充實率可以直觀了解固體充填采煤礦層的移動情況。通常情況下，開展固體充填采煤工程時，首先需要初步設(shè)計好充填采煤充實率，然后在具體施工過程中實時監(jiān)測。在設(shè)計充實率時，要結(jié)合地面建筑物和地底巖層的實際情況以及工程要求的采高標(biāo)準(zhǔn)等方面進行設(shè)計。當(dāng)前，經(jīng)過多年發(fā)展，煤礦充填采煤技術(shù)已成為有效解決環(huán)境保護與開采煤炭的重要手段之一，在推廣與應(yīng)用過程中，得到了國家的大力支持，可以說，對促使煤礦開采和提高煤炭利用率具有重要的現(xiàn)實作用。

一、國內(nèi)外礦山充填采煤技術(shù)的發(fā)展情況

早在1915年，澳大利亞采用廢石充填礦房的方法，成為世界上較早計劃充填采礦的國家，此后，國內(nèi)外的煤礦與礦山都開始嘗試使用充填進行開采，根據(jù)充填材料的類型，礦山充填主要經(jīng)歷以下階段：

第一階段，二十世紀(jì)四十年代前，充填采煤技術(shù)主要以廢石干式充填為主，由于技術(shù)尚未成熟，普遍存在勞動強度大、生產(chǎn)能力低與效率不足等問題，因此無法在煤礦領(lǐng)域中得到廣泛推廣。

第二階段，二十世紀(jì)四十到五十年代，廢石干式充填技術(shù)應(yīng)用比例下降，充填采煤較應(yīng)用水砂充填技術(shù)，運輸時會使用運輸管道，可以大幅提升充填效率，其中，波蘭水砂充填采煤技術(shù)超過了50%，不過，這種方法同樣也存在一些不足，較突出的問題是成本高、系統(tǒng)復(fù)雜、需要脫排水等，所以充填采煤技術(shù)發(fā)展到后期，此技術(shù)的使用頻率在逐漸降低。

第三階段，二十世紀(jì)六十到七十年代，此時，衍生出一種低濃度尾砂膠結(jié)充填技術(shù)，在充填采煤工作中，由于充填體具備膠結(jié)體自立能力、減少排水量等優(yōu)勢，在使用過程中，依舊存在較嚴(yán)重的泌水問題，因此尚未得到廣泛推廣。

第四階段，二十世紀(jì)八十年代以后，基于先前的充填采煤技術(shù)，研發(fā)出一種濃度高、膏體充填的材料，固結(jié)體強度得到進一步提升，也減少了泌水問題。2021年以來，智能高效與功能性充填成為該階段的主要研發(fā)目標(biāo)，充填開采技術(shù)自身智能升級，作為較成熟的技術(shù)，拓展用于地?zé)崤c煤炭資源協(xié)同開采、儲能、儲熱及二氧化碳封存等為典型代表的功能性充填方向，即拓展至礦山采熱、CO2地質(zhì)封存等領(lǐng)域，且逐漸優(yōu)化與完善了充填技術(shù)。

國外礦山與國內(nèi)金屬礦較早應(yīng)用到充填采礦技術(shù)，隨著充填開采技術(shù)的不斷深入，礦井應(yīng)用充填技術(shù)的力度加大，為充填采煤研究提供了便捷。1967年，波蘭利用水砂充填法開采多個城鎮(zhèn)下的壓煤。德國利用風(fēng)力充填開展了開采試驗，隨后DMT公司研發(fā)出一種高濃漿“尾管”充填技術(shù)，提高了采煤效率。南非在開采地面建筑物壓煤時，主要以粉煤灰作為充填物，然后通過房柱法進行分層充填與開采，進一步保障了建筑物的穩(wěn)定性。二十世紀(jì)七十年代，我國招遠金礦等采用細砂膠結(jié)充填，提高了煤礦采出率與質(zhì)量。九十年代末，國內(nèi)不少煤礦企業(yè)看到了充填采煤技術(shù)帶來的實際效益，研發(fā)出一套膏體充填泵送系統(tǒng)，被湖田鋁土礦、銅綠山銅礦、克拉同科銅礦等所使用。隨著充填采煤技術(shù)的不斷深入，逐漸在煤礦行業(yè)得以推廣和應(yīng)用，也為煤礦行業(yè)的發(fā)展作出了一定貢獻。

二、我國充填采煤技術(shù)的進步

進入二十一世紀(jì)以來，我國的充填采煤技術(shù)得到了進一步發(fā)展。隨著全民環(huán)保意識的不斷增強，充填開采技術(shù)作為綠色開采手段中逐漸被人們重視。2002年，煤炭行業(yè)由低谷期走向正軌并得到迅速發(fā)展，促使煤礦充填技術(shù)得以推廣和使用。2018年，基于煤矸分選與井下就地充填的研究主題獲批國家重點研發(fā)計劃深地資源勘查開采重點專項立項，并于2021年經(jīng)科技部驗收通過。2022年，多個研究團隊與礦山企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，在冀中能源股份有限公司邢東礦建成全國首個固體智能充填采煤工作面，實現(xiàn)了煤基固廢充填開采技術(shù)的進一步升級，經(jīng)過多年的發(fā)展，基本形成井下充填開采模式，有效推動了我國煤礦充填采煤技術(shù)的發(fā)展，也有不少研究成果已達到國際領(lǐng)先水平。

（一）固體充填材料

隨著充填采煤技術(shù)的不斷推進，固體充填材料被使用的頻率也逐漸增多，對于固體充填材料的使用，實際上是對符合粒徑要求的固體塊體使用，此材料的優(yōu)勢是成本低、系統(tǒng)簡單。當(dāng)前，在應(yīng)用充填材料中使用最多的是矸石，其次是粉煤灰與建筑垃圾等材料，由于眾多學(xué)者分析了固體充填材料的壓縮性，所以在所得到的結(jié)論中，大體相同。以矸石為例，可以分為三個階段：首先，初步壓實階段，盡管載荷較低，不過矸石之間存在較大空隙，通過相互擠壓，空隙會慢慢縮小，壓縮速度也會加快；其次，破裂壓密階段，矸石塊體發(fā)生變形，壓碎矸石隨即會填充細小的空間，達到壓密的效果；最后，整體穩(wěn)定壓實階段，隨著應(yīng)力的不斷增加，矸石的壓縮變形量也會發(fā)生改變，最終趨于平穩(wěn)。

（二）超高水充填材料

超高水材料主要由石膏、鋁土礦、石灰等加水組成，在實際應(yīng)用中，由于超高水充填體含水量大、需要固體材料少等優(yōu)勢，能彌補傳統(tǒng)開采依賴大宗固體物料的缺陷。同時，超高水材料具有速凝性，有助于工作面充填，超高水材料凝固后，抗壓強大較高，可以消除采煤工作中存在的一些安全隱患，為采煤人員的開采工作提供便捷。不過，超高水材料固結(jié)體中含有鈣礬石等物質(zhì)，如果置于干燥或高溫等環(huán)境中，容易被釋放，不利于開采工作。由于超高水材料充填工藝使用雙槳輸送系統(tǒng)會將相關(guān)漿液充填到工作面，因此要想充分混勻漿液，在混勻物料時，一般會結(jié)合混合管、混合器或混合三通使用，以此確保超高水固體材料的性能，為下一步的充填開采工作奠定基礎(chǔ)。

（三）膏體充填材料

膏體充填材料按照一定比例，混合好凝膠材料、骨料與水等物質(zhì)，制定的膏體充填材料質(zhì)量約為80%，即使在管路輸送中也不會發(fā)生離析、沉淀等現(xiàn)象，甚至達到充填區(qū)域后泌水現(xiàn)象也不會嚴(yán)重，充填體凝固后，具有很強的抗壓性，特別是在多軸的共同作用下，可以穩(wěn)固支撐覆巖與頂板，確保開采人員的安全。不過，根據(jù)現(xiàn)有研究可知，原材料來源范圍廣，易造成材料特性差異較大，不能很好地控制膏體指標(biāo)，且在學(xué)術(shù)界中，尚未形成對膏體、似膏體與高濃度的統(tǒng)一區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)。同時，膏體充填材料普遍存在先漿體后固體的狀態(tài)，較適合控制覆巖移動與地表沉陷。因此，膏體充填材料的配比要滿足實際施工要求，充填體強度要滿足開采標(biāo)準(zhǔn)，以免發(fā)生沉陷、塌方等事故。

三、充實率設(shè)計的原理

充實率設(shè)計并不是隨意進行的，在實際充填采煤工藝中，要想達到良好的充填開采效果，需要結(jié)合礦區(qū)實際情況以及各種設(shè)備參數(shù)等內(nèi)容，在了解礦區(qū)地質(zhì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計并確定固體充填采煤充實率，以此提升采煤效率，提高采煤質(zhì)量，確保采煤人員的安全。

（一）影響充實率設(shè)計的因素

在設(shè)計充實率時，往往會受到各種內(nèi)外部因素的影響，例如實施的充填工藝、覆巖結(jié)構(gòu)、壓煤類型等。充實率設(shè)計的采高主要由地表建筑物與壓煤類型決定，但覆巖結(jié)構(gòu)也會影響采煤充實率。在保障充實率的安全性方面，根據(jù)充填采煤液壓支架設(shè)計，同時在控制管理上，科學(xué)管理地質(zhì)條件，以此較好地控制與調(diào)整充實率，另外，要采用有效的充填技術(shù)提高采煤質(zhì)量。在固體充填采煤工程中，采煤充填體的壓縮量與穩(wěn)定性由充填體的力學(xué)特性決定，如果固體充填材料的力學(xué)特性較好，表明其穩(wěn)定性更好，關(guān)于充實率的各個因素也都會在一定程度上影響充實率的設(shè)計，這些設(shè)計因素既相互影響又獨立存在，每個設(shè)計因素都發(fā)揮著一定的作用，在實際應(yīng)用中促使各項設(shè)計因素相結(jié)合，才能更好地發(fā)揮充實率設(shè)計的作用與效能。

（二）地質(zhì)條件充實率的設(shè)計

在了解地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，明確密實充填體的下沉量，根據(jù)前人的密實充填概念得出充實率，同時結(jié)合物料的接頂量等因素，得出充填體的最終壓縮量表達式：充填體最終壓縮量=（采高－頂板最終下沉量）×充填材料的壓縮率。根據(jù)采高與最終壓縮量可以計算頂板的最終壓縮量，結(jié)合選定條件，了解基于地質(zhì)條件的充實率設(shè)計原理，即選定固體充填材料后，同時控制好制頂板提前下沉量，并減少對頂板最終下沉量的影響，以此得到基于地質(zhì)條件下的充實率設(shè)計，為充填開采工作提供便利，由于頂板下沉量等因素嚴(yán)重影響充實率設(shè)計，所以，要盡量得到精準(zhǔn)的下沉量，明確獲得各個相關(guān)參數(shù)后，確保地質(zhì)條件充實率的設(shè)計。

（三）充實率的設(shè)計

結(jié)合現(xiàn)有研究成果得出，在充實率設(shè)計的理論基礎(chǔ)上，以建筑物下的固體充填采煤充實率設(shè)計為例，具體設(shè)計流程按照壓煤類型與覆巖結(jié)構(gòu)，根據(jù)地面保護對象的抗變形能力明確極限采厚，以此獲得充實率的控制參數(shù)，接著由控制參數(shù)篩選充填設(shè)備，再優(yōu)化工作面的布置與設(shè)計，減少沉降問題，并評估影響地質(zhì)條件的相關(guān)因素，最終判斷實施充填工藝后的效果。同時，在充填率工程中，要實時監(jiān)測各項參數(shù)，及時反饋異常問題，以供管理人員調(diào)整和優(yōu)化指標(biāo)參數(shù)，從而實現(xiàn)充實率的設(shè)計，為充填采煤工作帶來效益和方便，推動煤礦產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

四、充填采煤技術(shù)的發(fā)展和展望

隨著充填開采理論研究的不斷深入，煤礦充填開采理論與技術(shù)已取得了不錯的進展，在我國，煤礦行業(yè)中的充填開采技術(shù)一直處于領(lǐng)先水平，甚至有的已與國際水平相接近。近年來，不斷推出采煤充填技術(shù)的應(yīng)用，可見，在煤礦領(lǐng)域中充填開采技術(shù)具有較高的行業(yè)價值。相信在未來發(fā)展中，隨著人們綠色環(huán)保意識的不斷加強以及機械化、智能化程度的不斷加深，充填采煤技術(shù)的應(yīng)用也會越來越廣泛。其中，創(chuàng)新發(fā)展高效及安全的充填采煤技術(shù)和設(shè)備時，可以從以下幾方面出發(fā)：

（一）控制成本

在研究如何加強煤礦充填采煤技術(shù)方面，往往會投入一定的人力、物力與財力，具體研究充填材料的特性時，研究者為了探究適合充填采煤環(huán)境的充填材料，會創(chuàng)建一套較完善的充填效果評價體系，以便為充填采煤工程帶來便捷，同時為了減少成本投入，煤礦企業(yè)可以聯(lián)系實際開采需求，對比衡量各指標(biāo)后選出最佳的充填采煤方法，深入研究充填采煤技術(shù)相結(jié)合的控制理論，在滿足標(biāo)準(zhǔn)需求的前提下，減少充填材料的需求量，以此在一定程度上降低成本，提高開采效率，為企業(yè)的有序發(fā)展提供保障。

（二）拓展充填技術(shù)的適用范圍

充填開采技術(shù)在不斷進步與發(fā)展，為我國的經(jīng)濟發(fā)展與社會穩(wěn)定作出貢獻。在組成我國的經(jīng)濟結(jié)構(gòu)體系中，煤炭產(chǎn)業(yè)具有推動作用，煤炭經(jīng)濟對國家經(jīng)濟發(fā)展的重要性不容忽視，充填采煤技術(shù)的推廣和應(yīng)用推動了經(jīng)濟發(fā)展。目前，隨著自動化采煤設(shè)備、充填采煤設(shè)備的優(yōu)化與完善，充填技術(shù)的應(yīng)用范圍得到進一步拓展，除了日常被應(yīng)用到采煤采礦等領(lǐng)域外，還能延伸到其他金屬等物質(zhì)的開采工作中。同時，隨著充填采煤技術(shù)的不斷升級與進步，將會帶來更高的經(jīng)濟效益，因此應(yīng)積極研發(fā)與探究相關(guān)充填開采技術(shù)。

（三）保護綠色生態(tài)環(huán)境

煤炭資源所處的環(huán)境往往較復(fù)雜多樣，有些煤礦企業(yè)在不恰當(dāng)?shù)拈_采作業(yè)中，不僅難以達到高效開采的目的，還會嚴(yán)重破壞賴以生存的生態(tài)環(huán)境，危害人們的健康。例如，以地下水資源保護與煤礦開采為例，在水體下開采煤礦時，易出現(xiàn)的是水體污染，所以，在實際開采過程中，要兼顧到地下水資源環(huán)境和充填采煤工藝的協(xié)調(diào)性，以此實現(xiàn)綠色采煤。煤礦企業(yè)要注重經(jīng)濟效益和綠色發(fā)展，使充填采煤走上可持續(xù)發(fā)展的道路，促進我國經(jīng)濟的穩(wěn)定發(fā)展。

五、結(jié)語

綜上所述，本文重點揭示充實率設(shè)計的依據(jù)與理論，由于充實率不同，充填體對地表變形的抑制程度也不同，不同覆巖壓煤條件承受的變形指標(biāo)對充實率提出的要求不同。通過理論研究得出，充實率指標(biāo)會受到固體充填材料、關(guān)鍵充填采煤裝置與成本等因素影響，所以在具體應(yīng)用中，需要作出精準(zhǔn)設(shè)計。結(jié)合理論分析得出，充實率的設(shè)計會受到礦區(qū)地質(zhì)條件、覆巖結(jié)構(gòu)、壓煤類型、固體充填材料類型與充填工藝等因素影響，本文基于理論研究，創(chuàng)建設(shè)計的流程與方法，明確提出控制充實率的影響因素。在實際工程應(yīng)用中，固體充填采煤階段不同，控制充實率應(yīng)用的方法也不同，例如，在工程實施階段，要控制好頂板下沉量、動態(tài)監(jiān)測采空區(qū)的充實率，以此更好地指導(dǎo)施工實踐，進一步確保采煤安全。

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