李 勱

(太原正越工程設計有限公司，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)或強度明顯下降的問題，或維護結(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，進而引發(fā)房屋開裂下沉，最終造成嚴重的安全隱患。相應的，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，則會直接破壞建筑物的穩(wěn)定性，進而引發(fā)嚴重的安全和質(zhì)量隱患。若想規(guī)避安全事故，就應在煤礦開采前，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)濟效益。與此同時，長時間開采煤礦也會對地表生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，甚至是引發(fā)嚴重的自然災害。若想在煤礦開采后恢復地表生態(tài)，則需要消耗較多的人力、物力和財力等資源，會影響采煤單位的效益。為此，有關部門一方面要高度關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，充填開采技術分為膏體充填技術、高濃度充填技術、低濃度充填技術、非膠結(jié)充填技術、膠結(jié)充填技術。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、冒落充填技術、離層區(qū)域充填技術。在填充設計中，既要考慮采空區(qū)塌陷對環(huán)境產(chǎn)生的負面影響，又需考量填充技術技術及成本，必須全方位、科學選用填充工藝[2]。

3 煤礦充填開采技術現(xiàn)狀

填充技術在金屬礦石開采中得到廣泛應用，該技術進入到成熟期。但在煤礦開采中，該技術依然處于發(fā)展初期。這主要是因為煤礦是層狀巖石層，開采可能會破壞巖石，引發(fā)巖石移動。在煤礦開采中利用填充技術所需解決的問題與金屬礦石存在較大的差異。據(jù)相關研究顯示，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煤柱。對此，我國學習和借鑒了國外的先進經(jīng)驗，以完善填充技術，規(guī)避開采煤礦后產(chǎn)生的大面積地表沉陷問題。

技術發(fā)展中，為有效解決水砂填充中泌水和隔離排水系統(tǒng)建設問題，德國在20世紀80年代就研制了新型的采礦技術。該項技術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)的時間。

但是依據(jù)目前實際情況來看，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，則不能達到預期的目標。據(jù)相關調(diào)查顯示，我國現(xiàn)階段約有1500座煤礦矸石山，煤礦開采時可能產(chǎn)生較多的矸石，而矸石堆積又會消耗大量的土地資源，破壞當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，進而引發(fā)環(huán)境污染問題。所以，認真分析煤礦開采后的填充方法和技術，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 部分填充開采技術分析

4.1 覆巖離層注漿技術

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

在研究中，關鍵層第一次破裂問題的控制是當前尤為重要的內(nèi)容，如關鍵層下方離層處在空洞狀態(tài)，且在關鍵層首次破裂前，則無法保證填充效果。填充漿液無法對關鍵層起到支撐效果。相關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鍵層第一次破裂時承受的最大跨距，切實加強采面的分區(qū)處理。利用區(qū)間跳采方式能夠使?jié){液填不同離層，防止關鍵層脫落，確保關鍵層的穩(wěn)定性。

4.2 采空區(qū)膏體條帶技術

嚴格控制地表淪陷，覆巖主關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)間順著推進方向建設填充袋，該開采模式廣泛應用于多個礦區(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，合理利用概率積分法，幾率可達到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，嚴格把控開采沉陷，并對此進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，但應確保其具有厚度為20 m的主關鍵層，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用價值。

4.3 條帶開采冒落區(qū)注漿技術

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，當中所展示的填充破碎矸石空隙。該技術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，全面維護施工操作的安全性。該技術的優(yōu)勢特點也為煤碳再利用奠定了堅實的基礎。

圖3 充填破碎矸石空隙

條帶開采冒落區(qū)注漿技術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，相關人員需要不斷優(yōu)化和完善相關技術。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荷，進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)也需要適應不同的要求，以此保障生產(chǎn)安全，按照基礎應用的作用和功能體現(xiàn)其生產(chǎn)保障價值。在現(xiàn)代化煤礦業(yè)發(fā)展中，需要結(jié)合實際情況，推動行業(yè)結(jié)構(gòu)形態(tài)建設的全面發(fā)展。使用開采技術時，要求人員認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，條帶開采技術主要應用于建筑物下壓煤開采之中，該技術的開采率較低，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，同時也達到了成本控制的目的。部分充填開采技術在煤礦填充材料數(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的主要發(fā)展趨勢。

煤礦開采相關企業(yè)需要高效利用現(xiàn)有技術，明確煤礦開發(fā)方向，做好安全生產(chǎn)應用規(guī)劃工作?，F(xiàn)代采煤技術發(fā)展中，科學開發(fā)井下煤炭生產(chǎn)技術能夠有效保證基礎生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的科學性與穩(wěn)定性，將規(guī)劃建設落到實處。此外，在現(xiàn)代化生產(chǎn)建設中，為改善煤礦安全生產(chǎn)現(xiàn)代化建設的水平，還需要在現(xiàn)代化生產(chǎn)中高度重視每層開采沉陷建設，以此為安全生產(chǎn)奠定堅實的基礎。

6 結(jié)語

綜上所述，嚴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。部分充填技術能夠有效解決地質(zhì)淪陷，規(guī)避結(jié)構(gòu)受損，同時也可達到保護土地資源的目的，促進煤礦行業(yè)的綠色開發(fā)。對此，相關部門需深入了解和掌握該項技術，該技術一方面能夠合理開采資源，另一方面也可推動煤礦開采業(yè)的全方位發(fā)展，降低開采成本，產(chǎn)生較高的經(jīng)濟效益，同時維護環(huán)境效益。大范圍應用該技術也成為了未來行業(yè)發(fā)展主流趨勢，具有廣闊的發(fā)展前景。