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充填采煤技术的现状与发展分析
作者：苏建
来源：《中国新技术新产品》2012年第18期
摘要： 充填采煤一般是将矸石等固体废料用作充填材料进行井下充填，一方面能够减少矸石废料的排放量，另一方面还能够控制岩层移动与开采沦陷，保证地面建筑物的安全，保护土地资源。充填采煤是一种对环境破坏小、回收率高的矿井开采方法，能够提高煤矿作业对开采条件的适应性，尤其能够避免对地表造成的破坏。本文分析了充填采煤的技术现状及发展，对于煤矿充填开采实践具有一定的参考意义。 关键词：充填开采；采煤技术；绿色开采 中图分类号：TD82 文献标识码：A
充填采煤一般是将矸石等固体废料用作充填材料进行井下充填，一方面能够减少矸石废料的排放量，另一方面还能够控制岩层移动与开采沦陷，保证地面建筑物的安全，保护土地资源。所以，对煤矿充填的开采技术进行深入研究对绿色开采的发展具有非常重要的意义。 一、充填采煤的技术现状 （一）高水材料充填技术
高水速凝固结材料由两种材料构成，主要有高铝水泥、石膏、石灰、速凝剂、悬浮剂、解凝剂等组分，是一种胶凝材料。高水材料具有流动性和单浆悬浮性强、凝固和强度增长的速度快、固水能力强的特点，能够迅速将高比例水凝固成具备一定的承载能力的固体。
由于高水材料用水量高，对固体材料需求少，克服了煤矿缺乏固体充填材料的问题，而且充填系统比较简单。另外，由于其所需的固体充填材料少，所以基本不会对矿井的辅助运输产生影响。
高水材料充填系统的初期投资比较少，一般在500万元以下，充填料浆的流动性非常好，不堵管，并且工作面不会泌水。但是，高水材料的抗高温及抗风化的性能差，而且无法保证充填材料的长期稳定性。 （二）膏体充填技术
膏体充填技术就是将煤矿附近的矸石、工业炉渣、城市固体垃圾等在地面进行加工制作，成为不需进行脱水处理的浆体，通过管道，用充填泵或者重力加压将其输送至井下，进行采空区充填的一种开采方法。
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膏体料浆密实度高、流动性好，充填体的强度也比较高，所以膏体充填方法能够对地表沉陷与岩层移动起到很好的控制效果。但是膏体充填系统的初期投资比较高，一般约达3000万元，吨煤的充填成本一般每吨约60—100元。 （三）矸石充填技术
矸石充填方法是对机械、重力、风力等动力加以利用，将作为充填材料的矸石输入或抛入采空区的一种充填采煤技术方法。依据充填材料充填采空区所使用的动力方式进行划分，可以将矸石充填方法划分为人工充填、风力充填、自溜充填和机械充填四类，充填材料通常由矸石、糟煤灰、砂子、碎石等组成，以矸石为主，一般无需添加胶结料或者其他的添加剂。 人工充填矸石生产能力弱，劳动强度大，生产效率低，同回采工艺的适应性比较差，所以很少在实践中采用。自溜充填应用范围窄，只能应用在急倾斜的煤层中。机械化的矸石充填按照工作面的采煤工艺不同可以分为普通的机械充填与综合机械充填，前者在普采和炮采工作面应用比较广泛，后者在综采工作面非常适用。
普通的机械化充填多应用专门机具将矸石向采空区抛射填充，比如应用抛矸机作业等。这种方法利用井下的矸石对采空区进行充填，系统简单，装备的投资较少。综合机械充填技术，是在综合机械化的采煤作业面上能够同时实现矸石充填作业，其技术难点在于实施充填作业的空间、动力和充填通道的问题。综合机械充填技术能够在同一个液压支架的掩护下实现采煤和充填作业并行，而且采煤和运煤系统的布置上同传统的综采是完全相同的。
该充填系统相对来说比较简单，而且机械化的程度相对较高，初期投资比膏体充填方法要地，一般在1000万元以下，吨煤的充填成本一般在40—80元左右。但是矸石充填不能保证较高的密实度，对于地表沉陷与岩层移动的控制次于膏体充填的效果。 （四）部分充填技术
部分充填开采是全部充填开采的相对概念，其充填的范围和充填量都仅是采出的煤量一部分，而且只对冒落区与离层区或者采空区的局部进行充填，依靠充填体、部分煤柱及覆岩结构共同对覆岩进行支持，对开采沦陷进行控制。部分充填不仅可以在采空区进行，而且在冒落区或者离层区也可以进行。这种充填方法对覆岩结构自承载能力加以充分利用，减少充填量，节省了充填的开采成本，使充填采煤的效益得以提高。
按照部分充填时机与位置的不同，部分充填开采可以分为：冒落区的注浆充填、离层区的注浆充填和采空区的条带充填技术。 1冒落区注浆充填
冒落区的注浆技术是在采空区的冒落矸石空隙尚未被压实的时候，及时注入浆液，进行必要的充填，充填的浆液和冒落共同对上覆岩层进行支撑。
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2离层区注浆充填
离层区的注浆充填是利用岩层的移动过程当中形成的覆岩内离层空隙，在地面布置钻孔，利用高压将充填料浆液注入离层空隙，高压浆体压实下部岩层，从而使离层空间增加，充填体经脱水压实后，对上覆岩层能够起到支撑作用，进而使岩层的移动向地表传播得到缓解。 3采空区条带充填
采空区的条带充填就是煤层采出以后，顶板冒落之前，用胶结材料填充采空区的部分空间，相间构筑充填的条带，依靠充填条带对覆岩进行支撑，以控制地表的沉陷。用条带充填体对留设的煤柱进行置换，只要能够保证没有充填的采空区宽度比覆岩的关键层初次的破断跨距要小，覆岩的关键层能够保持稳定，不破断，而且充填的条带能够长期稳定，就能对地表沦陷加以有效的控制。
二、充填采煤的技术发展 （一）充填采煤技术发展的动力
传统的开采使采空区的出水、发火、上隅角的瓦斯超限，采空区的大面积垮落引起的大量瓦斯涌出等问题亟待解决；“三下”矿井优质的煤炭资源需要进行安全、高效的回采，而且大量的矸石与城市垃圾需要进行处理；我国部分矿井呈现衰老迹象，随着开采的深度不断下延，开采成本也不断加大，而且灾害严重，灾害的控制方法操作性不强，矿井越来越不适于继续开采等等问题，通过合理采用充填采煤技术，都能够有效地得到解决。充填开采必将成为煤矿行业新的效益增长点，成为我国的煤矿开采一场技术上的革命。基于此，充填开采方式正被大面积推广，其技术也将逐步走向成熟。 （二）充填采煤技术发展目标
充填开采技术的发展以高效率、低成本、设备标准化作为发展目标。膏体充填、超高水材料充填等充填技术设备简单，充填体具有流动性特点，使用管道运输，对于仰斜开采有一定适应性，但是充填的效率较低。目前正在研究同综合机械化的开采相配套的技术，充填效率也将进一步地提高。
（三）充填采煤技术发展方向
采用充填技术的目的是控制岩层的运动，所以，应当对充填开采地表沉陷与岩层破断的运动规律进行深入研究，形成能够满足地表沉陷与岩层移动控制要求的开采理论与方法。 由目前的充填开采实践来看，煤矿开采的技术推广主要制约因素之一就是充填采煤的能力不足，同高产高效的煤矿生产模式无法匹配。究其原因，主要是采煤工艺和充填工艺没有实现有效配合。所以，充填采煤能力的提高应当作为以后的研究重点。