1、专题部分浅析采空区充填技术摘要：介绍了国内外采空区充填工艺现状，总结了传统矿山采空区充填工艺的特点。对我国充填采矿现状和充填采矿的种类进行了分析，对充填技术的应用前景进行了展望。关键词：采空区；充填开采 1 引言 煤炭是我国的主要能源, 在一次能源的生产和消费结构中, 煤炭约占70%, 在未来30 50 年,我国以煤为主的能源结构不会改变。解放初期兴建的煤炭工业基地, 大多已步入中老年期, 资源枯竭与经济发展之间的矛盾日益突出。而另一方面, 全国三下压煤约140 亿工, 其中建下压煤约90 亿工。这些储量大多集中分布于工业基础较好、开发条件较为优越、对煤炭需求较为迫切的沿海或中原城市。因此,
2、大力研究和发展建下煤层的开采技术对合理开发和充分利用地下资源, 延长濒临破产的煤炭企业的寿命, 促进社会安定都具有重大意义。 煤炭的开采，兴起了许多以此为主导产业的工业城市。同时，在城市的周边外围形成了大范围的采空区域。地下岩体结构被破坏，造成地面塌陷、位移，致使地面上的建筑物、公路、铁路及桥涵受到破坏。为了解决采空区造成的种种问题，有必要进行采空区充填开采技术的研究。我国矿山在20世纪70年代即对充填采矿法有一定的应用，后因经济、效率等原因制约了这一技术的使用和推广。随着国民经济的持续稳定发展和我国对矿山资源回收率要求的提高，特别是矿产资源中煤炭价格的回升。利用充填采煤法进行“三下”采煤以及
3、保护煤柱的开采已经提到了议事日程。充填采空区的开采方法具有改善深井支护条件、提高矿物回采率、减少贫化率、充分利用资源及有效控制地压等优点，因此充填采煤法越来越被人们所重视，这为我国今后矿山事业的发展走向成熟指明了方向。2 采空区地表沉陷影响因素及控制方法煤层开采所引起的采空区地表沉陷对地面建筑物及生态环境有重要影响。弄清影响采空区地表沉陷的各项因素及影响规律，是研究采空区地表沉陷的基础。针对采空区地表沉陷的特点，采用各种技术措施，将采空区地表沉陷控制在合理范围，最终实现对矿区地表建筑物的保护及生态环境的有效维护，为实现绿色开采奠定基础。本文首先对采空区地表沉陷各项影响因素进行深入分析，并对各种
4、控制措施进行了详细论述。2.1采空区地表沉陷影响因素采空区地表沉陷影响因素主要可以从煤层赋存条件、采空区上覆岩层性质、煤层开采条件及采场结构特征等三方面进行分析：2.1.1 煤层赋存条件 煤层的倾角对影响采空区上方岩层运移方向。水平煤层采空区上方，岩层下沉方向垂直于岩层层理；而在倾斜煤层中，岩层下沉在主断面上有垂直于层理和平行于层理的两个分量，而且移动盆地最大下沉淀的位置也向下山方向偏移。相同条件下，煤层厚度越大，覆岩运移越剧烈，地表下沉值越大。煤层埋深在煤层充分采动和超充分采动条件下对地表下沉影响很小；当煤层处于非充分采动阶段时，煤层埋深越大，相应的地表下沉值越小。同时，埋深与采厚之比越大，
5、地表移动越平缓；反之比值越小，地表移动变形表现的越剧烈。当覆岩中存在断层等地质构造时，会破坏岩层的正常运移规律，并造成构造附近岩层移动异常，进一步影响地表移动。当覆岩中存在对含水量对其物理性质影响较大的岩层时，岩层受采动影响含水量变化并导致力学性质改变，导致岩层移动规律明显异于正常情况。2.1.2 采空区上覆岩层性质 覆岩性质对地表最大下沉值、移动角、边界角、充分采动角与最大下沉角等都有影响。覆岩的硬度越大，移动角和边界角越大，而最大下沉值、充分采动角与最大下沉角则随之减小；反之亦然。岩层其硬影响其悬露距离，进而影响拐点向采空区的偏移距离。2.1.3 煤层开采条件及采场结构特征采煤方法和顶板管
6、理方法对岩层移动有重要影响。如厚煤层一次采全高和分层开采岩层移动规律有明显区别；顶板管理方法的区别直接影响到覆岩运动的空间。采场结构决定采空区的形态，直接影响到岩层移动范围；同时采场周边结构如是否临采空区，也对覆岩运移有很大影响。2.2 采空区地表沉陷控制方法 对采空区地表沉陷的控制主要有以下思路：一是减小煤层开采后形成的开采空间；二是支撑或充填开采空间；三是对覆岩运动进行控制。通常采用的具体技术措施与方法有以下几种：2.2.1 留设保护煤柱 留设煤柱支撑采空区，限制岩层移动，减少地表位移。这种方法多用于采空区上方存在工业广场、井筒等重要建筑物或煤层埋深较浅时。根据不同的具体情况设计留设煤柱的
7、尺寸，再进行工作面的正常回采。留设保护煤柱可以有效地限制岩层移动，但往往会造成煤炭的损失，虽然所留设煤柱在后期可设法回采，但采出率仍然较低。同时，保护煤柱的留设给工作面生产系统的布置增大了难度，影响工作面生产效率。2.2.2 局部开采局部开采法主要包括房柱式开采、条带开采和限厚开采。房柱式开采和条带开采是在保证地表不出现波浪式不均匀下沉的前提下，根据煤层和上覆岩层组合条件，选择适当的采留比开采煤层的局部，在被开采的煤层中采出一部分，保留一部分，减少开采后形成的采空空间，从而减少覆岩移动，进而有效控制地表下沉。限厚开采是根据煤层赋存情况、围岩性质及水文地质情况，以控制地表沉陷在一定范围为目的，确
8、定煤层可以开采的最大厚度，工作面回采时仅采一定厚度的煤层，煤层其余部分不予开采，相当于开采厚度减小，直接减小了岩层下沉空间。由于局部开采仅是采出煤层的一部分，保留一部分煤以煤柱形支撑采空区或不予开采减小岩层下沉，控制地表下沉量。但局部开采法采出率较低，仅可回收4060%的煤，而且生产成本显著增加，降低工作面生产效率。2.2.3 采空区充填 采空区充填就是在工作面推进后采空区顶板未冒落前，用充填材料对工作面采空区实施密实充填，使顶板岩层仅有少量下沉空间，以限制岩层移动并最终减少地表下沉。作为一项有效的控制地表沉降的技术措施，主要用于厚煤层的开采及对开采沉陷要求较高的煤层的开采。采用采空区充填这种
9、方法，可以显著减小煤层开采后所形成的空间，有效限制覆岩的运动，降低覆岩的破坏下沉，从而大大减少了地表下沉量。根据充填方式的不同，采空区充填又可分为水沙充填、风力充填、条带充填、矸石带状充填、矸石自溜充填等。其中减少地表下沉效果最好的是水沙充填法，然后是矸石自溜充填法和风力充填法。矸石作为充填材料充填采空区，减少了运输成本及对地面土地占用和对环境的污染。但是相对于一般的顶板管理方法，采空区充填增加了采煤工序，需要专门的采空区充填设备，使工作面推进速度降低，而且生产费用提高、生产效率降低。2.2.4 离层充填 煤层开采后，采空区上方覆岩移动并形成一些离层空间，离层充填法就是在回采后一定时间范围内，
10、通过地面钻孔向用充填材料将离层带空间充填密实，使离层带空间上方岩层不再继续运动下沉传递至地表；限制岩层下沉并增强岩层力学性能，使覆岩形成的承载结构更加稳定并发挥较好支承作用，以控制岩层下沉量减弱地表下沉。与其他方法相比，离层充填在地面完成，不影响工作面回采工作，对已有生产系统和生产活动不产生干扰，可以独立使用离层充填，也可结合其他措施共同使用，有利于实现工作面高产高效，既可将地表下沉控制在很小的范围，又不曾加过多生产成本。但离层充填技术难度较大，其基础理论、工艺流程等方面细节仍需深入研究和完善。2.2.5 协调开采 协调开采就是通过优化布置采场生产系统，合理设计工作面开采顺序、工作面间开采间距
11、、相互位置等采场结构参数，使工作面回采与相临工作面回采时所产生的覆岩移动及地表变形相互抵消或抵消一部分，以减少采动引起的地表下沉。但该技术对生产系统的设计优化有很高要求，因此组织生产难度较大。3 充填采煤技术在煤层开采中的技术要点分析 充填开采技术从1915 年在澳大利亚北莱尔矿应用废弃矿石充填矿房以来，在近百年的发展过程中，充填开采技术在金属矿山等采矿工程应用中获得长足进步，并取得非常良好的应用效果。但在煤炭开采过程中还没有得到广泛退刚使用，这主要与煤炭开采的特殊环境条件等因素密不可分。因此，发展先进的煤矿充填采煤技术就成为煤炭开采研究人员研究的一个热点和难点。就目前我国常采用的充填采煤技术
12、来看，大致可以分为膏体充填采煤技术、矸石充填采煤技术、以及高水材料充填采煤技术等多种充填采煤技术。3.1膏体充填采煤技术膏体充填采矿技术在充填采矿工程中发挥非常重要的作用，尤其是在金属采矿工程中得到广泛推广使用。膏体充填采煤技术实际就是将煤矿矿井附近的煤矸石、粉煤灰、河砂、以及城市固体废弃垃圾等在需要填充的地面，按照相关配比要求加工制作成不需要进行脱水处理的牙膏状浆体，然后利用高压充填泵或重力加压进行加压灌注，通过浆体输送管道送入到需要充填的矿井下，根据工程实际地形适时充填已经采空的采煤区的充填采煤方法。由于膏体充填采煤技术所进行的充填与采煤工序均位于同一个工作面，同时充填体的构筑方法与金属矿
13、山充填有所不同，需要构筑专门的充填膏体充填隔离支架，同时在充填过程中煤矿对充填材料强度性能水平要求较高，需要充填体在充填后数小时就能承载整个采煤过程。煤矿膏体充填采煤技术所采用的充填原材料多为劣质低质固体废弃物，其充填原材料品质间差距较大，质量波动非常大。膏体充填采煤技术在采空区充填过程中具有料浆流动性好、充填密实度高、以及充填体强度较高等优势，能够对采矿区周围的岩层移动与地表沉陷进行有效控制。但由于整个膏体充填工程在初期投资非常高，根据大量文献资料和实际工作经验分析，初期投资通常高达3000 万元左右，这样会导致煤矿吨煤充填成本相应大大增高，大致为60100 元/t，这也就限制了膏体充填技术
14、在采煤过程中的应用。3.2矸石充填采煤技术 矸石充填采煤技术其主要充填材料为煤炭开采过程中产生的煤矸石，其主要动力是靠风力、重力、或其他机械等动力将以煤矸石为主的固体废弃物抛入或输送到矿井采空区进行充填采煤的方法。根据煤矸石动力源的不同，可以将矸石充填采煤技术划分为人工充填、自溜充填、风力充填、普通机械化充填、以及综合机械化充填等。人工煤矸石充填采煤技术由于其综合充填效率水平较低、劳动工作强度较大，加上回采工艺适应性非常差，在煤炭充填开采中很少采用。自溜充填和风力充填技术由于受到源动力输送不稳定等因素的制约，只有在外部条件非常优越特殊的矿区使用。普通机械化是根据采空区实际情况，采用专门机械如抛
15、矸机等)将采煤过程中产生的煤矸石抛射向采空区进行充填采煤。普通机械化煤矸石充填技术利用井下开采过程中形成的煤矸石进行填充，其充填系统较为简单，装备综合投资成本较低，多用在薄及中厚煤层普采工艺中进行充填采煤。综合机械化矸石充填采煤技术，是指在综合机械化采煤作业工作面上，同时利用相关机械实现综合机械化矸石充填工程，是一个在采煤作业工作面上集采煤和充填等多工艺为一体的综合采煤技术。3.3高水材料充填煤采技术 高水材料充填采煤技术就是在充填材料中加入高水速凝固结材料的一种充填采煤技术，此采煤技术由于其用水量高，相应填充材料中所需固体材料就会减少，不仅可以有效克服煤矿充填过程中固体充填材料不足问题，同时
16、有效简化其他充填技术在实际填充过程中需要购置庞大充填系统的填充工艺，加上填充固体材料使用量减少，充填料浆流动性好，填充施工操作较为方便，且投资较小，可以降低煤炭填充开采综合投资成本。但由于该技术中所使用高水材料填充物的抗风化及抗高温性能较差，煤矿采空区的充填物质量长期稳定性能较差。此外，相对于全部充填采煤技术而言，部分充填采煤技术充分利用了采煤区的覆岩结构的自承载能力，从而大大减少充填工程量，有效降低了煤矿充填开采综合成本。 实现综合机械化固体充填采煤的技术难点在于解决采空区实施充填的充填空间、充填通道、以及充填过程所带来的动力学问题。从大量工程实践，笔者认为在采用综合机械化固体充填技术进行综合采煤时，可以采取以下几种方法来解决综采作业面上进行综合机械化固体充填采煤工艺中所存
