充填采煤理论与技术的新进展及展望王守营

充填采煤理论与技术的新进展及展望王守营

王守营

冀中能源股份有限公司邢台矿通风科河北省邢台市054000

摘要：充填采煤技术属于煤炭开采中的绿色开采。本文探讨了充填采煤理论与技术的新进展及展望。

关键词：填充采煤理论；技术；新进展；展望

当前，充填采煤技术是煤矿绿色开采技术体系的重要组成部分，这种开采方法对煤层的破坏最小，能有效控制岩层移动，减缓地表的沉陷，能保护矿区的环境，是一种绿色环保技术。随着人们对环境保护的重视，充填采煤技术越来越受到人们的重视。

一、填充采煤技术的发展历史

填充采煤是顺应时代和工业技术发展而产生的一项技术。填充采煤最早应用在澳大利亚的一个矿井，工人利用采煤时所产生的废弃石渣丢弃在已开采过的采空区。最初的目的只是煤矿工人不愿将这些废弃的石渣搬运到地面上，浪费劳动力。由此慢慢演变成填充采煤法的雏形，人们发现将废弃石渣填充到采空区后，矿区的坍塌现象有所好转，于是慢慢将这个做法应用在各地矿区。在上世纪30年代，填充采矿法开始作为矿山开采的一道工序被正式承认，人们开始利用这项技术防止矿山的下陷、坍塌等，并取得了长足的发展。

虽然在采矿行业，填充采矿法有着许多的益处，技术也日渐成熟，但在采煤行业中，由于煤层的分布特性及煤矿的储存特征，导致填充采煤法难以开展。煤炭在开采后，采空区会随着开采区域的移动而产生坍塌，导致开采难度增大。在普通采矿行业所应用的填充开采法无法直接照搬到采煤行业中，这对采煤行业的工程师及开采作业所使用的机械提出了极高的要求。

二、充填采煤技术分类

1、矸石充填。充填采煤技术是一种通过动力将充填的材料（煤矸石）运输到采空区的方法，动力可以是机械动力也可以是自然界中的风力、水利及重力。一般矸石填充技术施工时需要专用的机械将填充材料抛入采空区以实现充填，此种充填技术原理简单，操作方便，运作成本相对较低，在薄层、中厚层煤矿开采中应用广泛。矸石充填采煤技术由于能在一个液压支架的掩护下进行填充和采煤作业，很好的解决了充填技术中关于充填位置、动力、通道间不协调的问题。

2、膏体充填。在矿区周围能就地取材，收集一些城市固体废弃物、土砾、砂石及煤矿的其他废弃物等作为充填材料。使用以上材料几乎不用耗费太多的成本，但必须对它们进行充填前的加工。膏体加工需将充填材料与膏体物质同时输送到采空区域，利用膏体的凝合作用使充填材料形成固定的整体，从而实现对采空区的填充。煤矿利用膏体物质充填方式有别于金属矿坑的充填，因膏体充填的空间与煤开采挖掘的空间属于同一空间，在充填操作过程中需设置支架作为隔离。以膏体物质为填充物的采煤技术充填整个过程具有可控制性，容易与采煤工艺形成正规的循环作业。同时，膏体物质本身具有较高的强度与密度，加工完成后的充填材料具备良好的流动性与可塑性。但膏体材料一般成本较高，使用以膏体物质为主要充填材料的采煤技术会加大充填成本。

3、高水材料充填。高水材料具备良好的固水性能，不但对充填材料具有较强的凝固能力，还具有流动性与悬浮性等优点，它能通过改变水的性能，将充填材料转化为具有较高承载能力的固体充填物质。该项技术主要运用于具有良好水源情况下的充填采煤操作。高水材料的应用可适当降低固体充填材料的比例，减少各种施工设施的运用。该项技术资金投入相对较小，而且高水材料较强的流动性可使充填施工直接采用管道输送原料，提高工作效率。输送管道的维护相对简单，具有较高的稳定性。

三、充填采煤的岩层移动控制理论

与传统的综采岩层移动控制理论相比，充填采煤与其有很大的区别，充填采煤与煤层开时的极薄煤层开采一样，因此通过对充填采煤进行岩层移动预计的等价采高理论建立，得到了解析计算公式，计算公式是关于密实充填采煤岩层移动，为了满足被保护的对象在采空区进行充填时，在覆岩下沉的过程中，因覆压的作用造成一定的压缩变形。以固体充填作为例子，在固体从整体状态变为破碎状态时会产生一定的体积松散膨胀，受到不同作用的压力，将会产生相应的体积压缩量，当覆岩完全下沉压实后，此时充填的固体物料高度为MO，根据采高的定义，进行固体充填采煤时，等价采高为Me，实际采高为M，那最后的等价采高等于实际采高减去覆岩完全下沉压实后的固体物料高。

根据数值模拟、现场实测和物理模拟的研究发现，采用综合机械化进行固体密实充填采煤的技术可控制岩层的移动，这样能使采空区覆岩中没有垮落带的形成，裂隙带也只能发育到直接顶，在老顶岩层中，只发生了弯曲而没有形成破断，所以在对老顶和以上岩层进行岩层力学分析时，可采用连续介质的力学模型进行分析。

四、充填采煤理论与技术的发展展望

近年来，煤矿充填开采理论与技术在我国取得了突破性进展，其中综合机械化固体直接充填采煤技术是近年来国内外充填采煤技术攻关的重大创新成果，具备了一定的商业开发和推广应用条件。但该方法存在的问题同样突出，主要表现在：①由于充填开采系统设备较多，工艺复杂，技术要求高，在矿井地质条件多变的情况下，生产效率相对较低，另外充填开采岩层控制理论、充填工艺与装备还需进一步完善；②用于充填的充填材料来源及供应量无法满足大面积充填开采的需求；③技术的初期投资巨大，开采成本较传统普通垮落法采煤要高，阻碍了该技术的进一步推广应用；④设备型号较少，不够配套，且设备的技术性能稳定性差；⑤缺乏一套完整的充填开采行业标准和相对配套的法规及政策。

充填采煤始终以有效控制岩层移动与地表沉陷为重要目标，以目前我国煤矿发展现状，随着综合机械化采煤技术成熟及越来越复杂化的煤矿开采条件，充填采煤技术应与现代化的综合机械化采煤技术相配套，创新发展安全高效高采出率的充填采煤技术与装备，充填采煤理论与技术的综合创新发展方向如下：

1、解决充填采煤的基础理论与工程问题。加强充填采煤的岩层移动和地表沉陷观测工作，深入研究充填体、煤柱、覆岩、支架的协同作用机理，揭示地下复杂支撑体系中各因素几何、力学特征及时空关系对上覆岩层运动的影响规律，建立兼顾复杂支撑体系变形和强度性质的上覆岩层运动的模型。深入研究多种充填采煤技术相结合的地表沉陷控制理论，努力降低充填材料的需求量，同时控制充填成本。

2、提升充填采煤装备的可靠性，研发自动化装备，优化系统布置与工艺。与现代化综合机械化采煤工作面生产能力相匹配是充填采煤技术发展需要解决的关键问题，根据目前充填采煤发展状况，应进一步提升充填采煤装备的可靠性，开发一系列自动化装备，优化系统布置与工艺，实现高效充填采煤。

3、研究充填材料特性，研发更为适应充填采煤环境的充填材料。充填材料的性能直接决定了采空区的充填效果，深入研究充填材料的相关特性，开发更适应于充填采煤环境的新型低成本充填材料。

4、建立充填效果评价体系与方法。进一步研究充实率与岩层移动的关系，建立科学的充填效果评价体系与方法，为充填采煤技术效果的验证提供依据。

5、拓展充填采煤技术的应用领域。以矿区环境保护为基础，发展煤流矸石井下分选等技术方法，进一步拓展充填采煤技术的应用领域。

6、研究充填采煤与地下水环境协调发展关系。水资源的保护是煤矿开采需考虑的重要问题，充填采煤采用的充填材料融入至地下水环境内，需考虑充填采煤与地下水环境协调发展的关系，尤其是化学材料对水资源的影响研究。

五、结语

充填开采是煤矿绿色开采技术体系的主要内容之一，因其对岩层扰动小，具有控制岩层移动与地表沉陷的作用，是解决煤矿开采环境问题的有效途径。因此，充填采煤技术近年来受到了广泛关注与重视。

参考文献：

[1]缪协兴.充填采煤理论与技术的新进展及展望[J].中国矿业大学学报，2015，44（03）：391-399.

[2]毕智强.充填采煤理论与技术的新进展及展望[J].工程技术：文摘版：00291-00291.

[3]赵上策.充填采煤理论与技术的新进展及展望[J].科技风，2016（06）：63-63.