充填采煤技术的特性及应用分类研究

郭传鹏

（大同市同煤集团四台矿，山西 大同 037007）

在我国国民经济快速发展的同时，对资源消耗越来越大，而现阶段我国能源结构中煤炭资源有着举足轻重的地位，占全部能源消耗的比例高达2/3[1]。我国煤矿除少量分布于水域及森林下方无人区域外，绝大部分都分布在城市或农村等人口较为集中的区域，其占比约80%。而煤矿开采的同时，常常都会伴随着各种地质状况的变化，从而会造成煤矿周边生态环境与资源的破坏，并最终对周边人类的生存与正常生产造成严重负面效应，同时造成巨大的经济损耗。因此如何降低煤矿开采活动对煤矿区域原始自然环境以及居民生活的影响程度，具有十分重大的意义，有利于极大地提升我国煤矿开采技术水平与全体居民的生活水平。

充填开采技术现已在金属矿的开采中取得重大实际应用进展，其作为一种绿色环保的开采方法[2]，也已引入到煤矿开采中，但由于煤矿开采与金属矿开采的差异性，导致其应用范围有限，本文从介绍充填采煤的概念出发，介绍了其分类以及各种方法的技术特点，进一步阐述了部分充填采煤技术，最后对充填采煤技术的未来发展进行了展望。

1 充填采煤技术的概念

充填采煤是一种不同于传统采煤方法的新型采煤方法，它是在煤矿初始地质条件下，采用一定技术手段将膏体、矸石等填充物对采空区进行实时填充，避免了大范围地下空洞区域的产生，从而有效减少了采空区地面下降现象的发生。充填采煤还能够极大地减少采煤区域岩层的破坏和运动，有效提高了煤矿开采过程的安全性。

2 充填采煤技术的特点

充填开采技术最大的特点是对岩层破坏小，因此其可以有效控制岩层位移与地面塌陷。充填开采技术应用于煤炭开采中，上述优势使得其受到越来越多的关注与重视[3]。国内最早在20 世纪60 年代就开始讲充填技术引入煤矿开采，最初使用水砂充填采煤时，由于采煤过程的自动化程度不高，且对填充材料、工艺等方面理论研究欠缺，导致生产效率与经济效益低下。与金属矿的充填开采对比，充填采煤具有以下特征：

1）充填能力与采煤能力不匹配。目前煤矿开采的机械化程度较高，生产过程中的采煤、装运、支护与放顶基本实现了机械化，与之相反，充填能力远远跟不上。而在充填采煤过程中，充填与采煤是一个完整的生产循环，两者相互制约着。煤矿的充填技术应往高效上迅速发展。

2）充填材料不足。传统充填开采技术主要使用废石、炉渣等作为充填材料，但煤矿开采过程由于矸石等工业废物占比低，导致充填材料无法满足充填作业的需求。因此，开发廉价丰富的填充材料是充填采煤技术应用的重要条件。

3）充填采煤的成本与效益之间的矛盾。充填采煤可大大提高煤矿的开采率，并且可以极大降低拆迁成本，但与此同时，充填开采本身所需的设备、工时等也导致了其成本增加。因此，必须平衡成本与效益之间的矛盾。通常户均压煤量越小，充填开采的经济效益越显著。

3 充填采煤技术的分类

充填采煤技术的分类有多种方法，通常可按照充填材料、充填位置、充填动力或充填量来进行分类，具体分类如下页图1 所示。

充填采煤技术依据充填材料的种类与物相状态可以分为：水砂充填、膏体充填、矸石充填、高水材料充填。其中，膏体充填是将矸石、煤灰、河砂、工业炉渣、劣质土以及固体垃圾等制成浆体后，再利用泵加压后经由管道输送至井下充填采空区[4]，典型膏体充填系统如图2 所示。

图1 充填采煤技术分类

图2 典型膏体充填系统示意图

充填采煤技术依据充填过程的动力源不同，通常可以分为：自溜充填、风力充填、机械充填、水力充填等。其中自溜充填的动力来源于充填材料的自身质量；风力充填的动力来源于压缩空气；机械充填的动力来源于投掷机等专用设备。这三种充填方法主要用于填充材料为松散固态物质的情形。水力充填又可依据充填物浓度分为低浓度、高浓度以及膏体充填。

充填采煤技术依据充填位置的不同可分为：采空区充填、冒落区充填、离层区充填。通常采空区充填所使用的充填物质为高浓度充填料或膏体充填料，与之相反，冒落区与离层区所使用的充填物质为低浓度充填料。

充填采煤技术依据充填量和充填范围的不同，通常可以分为：全部充填与部分充填。其中全部充填的充填量与煤矿的采出量基本相当；而部分充填的充填量通常少于煤矿的采出量。

4 部分充填采煤技术

部分充填采煤技术仅仅对局部采空区、离层区或冒落区进行充填，填充后的支撑系统由覆岩结构、充填体及部分煤柱三部分所组成。部分填充采煤技术有效利用了覆岩结构自身的承载能力，从而极大地减小充填量，使得充填成本有效降低，采煤的经济效益得到提升。部分充填采煤技术依据其填充的区域与时间可分为采空区条带充填技术、冒落区注浆充填技术、离层区注浆充填技术等。

1）采空区条带充填技术。煤炭开采后采空区的顶板冒落之前，先及时使用填充材料对部分采空区进行充填，从而形成相互交错的条带以起到支撑作用。

2）冒落区注浆充填技术指的是将采空区岩层缝隙被压实前将浆态的充填料填充进去，从而形成充填料与冒落共同形成的支撑系统。

3）离层区注浆充填技术。随着岩层的位移运动，覆岩内会产生缝隙，再经由地面的钻孔把充填料压入离层间隙，充填料将下方岩层压缩，使得离层空间加大，进而减少了岩层位移向地表的传导。

5 结语

当前充填能力不足与煤矿开采高效要求之间的矛盾是制约充填采煤技术应用的主要矛盾。为解决这一矛盾，应从改善填充料与优化填充工艺两方面作为技术突破口。