摘 要：文章介紹了目前我國(guó)“三下”采煤的主要技術(shù)，對(duì)發(fā)展迅速的充填采煤技術(shù)分別從固體充填、水力充填、膠結(jié)充填等三個(gè)方面進(jìn)行了著重論述，提出了充填采煤技術(shù)設(shè)計(jì)體系，希望對(duì)煤礦充填開采提供參考。

關(guān)鍵詞：“三下”采煤；充填采煤；綠色開采

1 概述

我國(guó)煤炭資源豐富，目前累計(jì)查明資源儲(chǔ)量約1150億噸，煤炭在我國(guó)一次能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)中所占比重達(dá)到70%，未來(lái)以煤炭供給為主的能源格局短期內(nèi)不會(huì)改變，實(shí)現(xiàn)煤炭的綠色開采和清潔高效利用是解決能源問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題、保障國(guó)家能源安全的最主要途徑。

當(dāng)前我國(guó)“三下”壓煤量已達(dá)到140億噸，占累計(jì)查明資源儲(chǔ)量的12%。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)家建設(shè)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(fèi)，也嚴(yán)重制約著礦區(qū)的可持續(xù)發(fā)展。因地制宜的推廣應(yīng)用充填采煤技術(shù)成為解放“三下”壓煤、保護(hù)煤炭資源、實(shí)現(xiàn)綠色開采、構(gòu)建和諧礦區(qū)的重要措施。

2 我國(guó)“三下”采煤技術(shù)現(xiàn)狀

目前，我國(guó)“三下”采煤技術(shù)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(guò)鉆孔注入煤層上覆圍巖的離層空間，漿料凝結(jié)后對(duì)上覆圍巖特別是關(guān)鍵巖層起到支撐作用，從而減少采煤活動(dòng)對(duì)地表的影響。我國(guó)20世紀(jì)80年代在撫順老虎臺(tái)煤礦、大屯徐莊煤礦、新漢華豐煤礦等地進(jìn)行了離層注漿實(shí)驗(yàn)，取得了一定的效果和經(jīng)驗(yàn)，但該技術(shù)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(jìn)行支撐，從而使地表只產(chǎn)生較小的移動(dòng)或變形。條帶開采在我國(guó)東北、河南等地區(qū)得到了應(yīng)用，該技術(shù)雖然便于實(shí)施，但是該技術(shù)本身必然會(huì)降低資源回收率，回采巷道每次僅能服務(wù)一個(gè)工作面使得噸煤掘進(jìn)率高，另外在防治煤層瓦斯、煤層自燃等方面也會(huì)增加難度。

充填開采就是把充填物（如矸石、砂漿等物料）通過(guò)專用設(shè)備充填入工作面采空區(qū)來(lái)控制頂板的冒落，從而使地表僅產(chǎn)生微小的移動(dòng)或變形。我國(guó)使用充填采煤技術(shù)起步較晚，20世紀(jì)70年代方在山東、河南等地區(qū)試驗(yàn)充填采煤技術(shù)，但由于性價(jià)比低、效率低、技術(shù)難度大等原因制約了這一方法的推廣和應(yīng)用。進(jìn)入21世紀(jì)以來(lái)，國(guó)家、高校、企事業(yè)單位在充填采煤技術(shù)方面投入了大量人力物力，在理論研究和實(shí)踐成果、充填設(shè)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(shù)越來(lái)越被廣泛應(yīng)用。下文將對(duì)充填采煤技術(shù)進(jìn)行著重介紹。

3 充填采煤技術(shù)

3.1 固體充填采煤技術(shù)

固體充填是將矸石、礫石等固體廢棄物或混凝土、粉煤灰預(yù)制塊運(yùn)送到采空區(qū)進(jìn)行堆放充填，在充填區(qū)與采煤面之間通常還應(yīng)設(shè)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(guò)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(wú)法由專用管道輸送使得轉(zhuǎn)運(yùn)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(shí)或注漿補(bǔ)強(qiáng)使得充填環(huán)節(jié)多、充填效果差，因而該技術(shù)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(guān)鍵是投料系統(tǒng)，這對(duì)于提高充填效率、改善充填效果起到至關(guān)重要的作用，對(duì)于產(chǎn)能低的采煤工作面可采用拋?lái)窓C(jī)，對(duì)于產(chǎn)能高的采煤工作面應(yīng)選用充填支架。

3.2 水力充填采煤技術(shù)

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(guò)水流和重力的作用進(jìn)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(dòng)和變形。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于成本低、輸送量大、充填效率高、生態(tài)破壞小，但該技術(shù)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(guān)鍵是輸送工藝，充填濃度宜為60%～70%，可以實(shí)現(xiàn)自流輸送，壓力不足時(shí)輔以料泵輸送，輸送管路宜選用無(wú)縫鋼管，管徑要根據(jù)充填能力、充填壓力、經(jīng)濟(jì)流速等參數(shù)計(jì)算選型。

3.3 膠結(jié)充填采煤技術(shù)

膠結(jié)充填有三個(gè)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?？梢詫⑷咴诘孛姘匆欢ū壤旌现苽涑闪蠞{沿專用管道充填進(jìn)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(jìn)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(guò)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(dú)立性和較高強(qiáng)度的承載體，從而起到控制地表移動(dòng)和變形的作用。

膠結(jié)充填的關(guān)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(yùn)送能力、充填時(shí)間、充填效果等關(guān)鍵指標(biāo)。除了傳統(tǒng)的水泥、粉煤灰等膠結(jié)材料外，我國(guó)也已研制出高水速凝充填材料，前者價(jià)格相對(duì)低廉但是輸送線路長(zhǎng)時(shí)容易堵管，后者比較昂貴而且耗水量大但是輸送距離遠(yuǎn)、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(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到了礦山企業(yè)的重視，廣泛應(yīng)用于“三下”采煤及堅(jiān)硬頂板管理等環(huán)節(jié)。

4 充填采煤技術(shù)設(shè)計(jì)步驟

收集設(shè)計(jì)資料。赴煤礦實(shí)地踏勘，收集地質(zhì)報(bào)告、水文地質(zhì)類型劃分報(bào)告、隱蔽致災(zāi)因素普查報(bào)告、采掘工程平面圖、井上下對(duì)照?qǐng)D等資料，測(cè)定下沉系數(shù)、水平移動(dòng)系數(shù)、邊界角、移動(dòng)角等參數(shù)。

評(píng)價(jià)充填開采保護(hù)技術(shù)難度。計(jì)算當(dāng)不使用充填開采時(shí)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(yīng)的設(shè)防值之比，比值越大則保護(hù)技術(shù)難度越大，反之則越小。地表變形設(shè)防值可參考《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》選取。

設(shè)計(jì)充填開采技術(shù)方案。保護(hù)技術(shù)難度不大時(shí)，根據(jù)實(shí)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(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求；保護(hù)技術(shù)難度大時(shí)，采取提高充填率、夯實(shí)充填體和離層注漿等補(bǔ)強(qiáng)措施；保護(hù)技術(shù)難度很大時(shí)，采取充填條帶開采措施，采空的條帶由充填體補(bǔ)充，使充填體和條帶煤柱共同支撐上覆圍巖的重量。

試驗(yàn)充填開采技術(shù)方案。結(jié)合煤礦開拓采區(qū)布置，選取無(wú)地面建構(gòu)筑物壓覆的區(qū)域試驗(yàn)設(shè)計(jì)的充填開采技術(shù)方案，驗(yàn)證過(guò)程中必須實(shí)時(shí)監(jiān)控頂板和地表的移動(dòng)變形量、試驗(yàn)用地面建構(gòu)筑物變形和破壞情況，實(shí)時(shí)調(diào)整充填時(shí)間、充填率、充填濃度等參數(shù)，使得充填效果滿足設(shè)防要求。

實(shí)施充填開采技術(shù)方案。經(jīng)試驗(yàn)論證合理有效的充填開采設(shè)計(jì)方案報(bào)煤礦上級(jí)主管部門驗(yàn)收投產(chǎn)，生產(chǎn)過(guò)程中煤礦要嚴(yán)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(chǎng)施工、充填效果檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)，加強(qiáng)對(duì)地表移動(dòng)和變形的監(jiān)測(cè)監(jiān)控，制定突發(fā)事故應(yīng)急預(yù)案并定期演練。煤礦在掌握了地表移動(dòng)變形量與充填工藝的關(guān)系后，可適當(dāng)調(diào)整充填參數(shù)，修改完善充填開采技術(shù)方案。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著煤炭資源的逐漸減少，人類更加注重保護(hù)生態(tài)環(huán)境，國(guó)家和社會(huì)大力加強(qiáng)民生改善，煤礦充填開采技術(shù)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(duì)于保障民生、保護(hù)生態(tài)環(huán)境、提高資源利用率、促進(jìn)礦區(qū)經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

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