充填采煤理论与技术的新进展

邢攸臣

摘要：本文在阐述充填采煤技术发展历史的基础上，介绍充填采煤技术的重大突破，提出研发新型低成本充填材料、提高充填采煤技术的自动化水平、地下水环境保护等是煤矿充填采煤技术发展的必然趋势。

关键词：综合机械化开采;充填与采煤一体化;绿色开采

1.引言

煤炭开采为保证我国能源利用做出了巨大贡献，通过充填采煤技术可以有效控制岩层移动和地表沉陷，可以提高煤炭资源的回收率，经过多年的发展，充填采煤技术已经成为煤炭开采和环境保护问题最有效的技术途径之一，在国家“十三五”规划编制提纲中，已经明确提出按照绿色、安全、集约和高效的原则加强大型煤炭基地的建设，需要进一步推广充填采煤技术的应用。

2.充填采煤技术的发展历史

充填采煤技术是为了满足采矿工业的需要而发展起来的，在国际上已经有上百年的歷史，早期澳大利亚莱尔矿的工人为了减小矿井辅助运输的压力将井下废石排弃到采空区进行充填，不是真正意义上的充填，到20世纪30年代充填才开始作为矿山开采的工序，用来减少矿山开采沉陷，经过60多年的发展，充填采煤技术在国内外非煤矿山的研究和应用中得到了长足的发展，但是在煤矿开采领域中，由于煤层赋存条件、地质条件和采空区的限制，在形成稳定充填空间等开采方面存在巨大的差异，不能将金属矿山较为成熟的充填技术应用到煤矿。目前水砂充填技术在国内外已经很少使用了。淮南地区、北京矿区、中梁矿区等在开采急倾斜煤层中曾经使用过矸石自溜的方法，虽然取得了一定成效，但是受到充填机械、充填工艺和岩层控制理论的影响，充填质量和充填控制效果不明显，直接限制了在煤矿充填采煤技术中的推广。进入到21世纪后，在传统充填采煤技术的基础上，通过煤矿企业改进充填设备和引入金属矿山充填采矿技术等，相继研发出抛矸充填、膏体充填、原生矸石综采架后充填和高水材料充填技术，显著提高了充填采煤效率，促进了充填采煤技术的进一步发展。

3.充填采煤技术的重大突破

开发和综合机械化采煤技术相匹配的充填采煤技术是实现绿色开采需要突破的核心技术之一，在现代采煤技术和传统充填采煤技术的基础上，根据充填采煤矿山压力和岩层控制理论的研究，提出了长壁工作面采充一体化的理论，最后发明出综合机械化固体充填采煤技术，实现了密实充填，从而有效的控制了岩层运动的目标，发展为绿色采煤技术的核心。

3.1长壁工作面采充一体化原理

面对综合机械化长壁采煤工作面，采空区的上覆岩层会随着工作面的推进随采随垮，所以充填采煤技术必须要克服三个问题，一是在煤炭开采过程中，要形成相对稳定的动态充填空间;二是要保留开采过程中充填材料的安全输送通道;三是确保采空区充填材料的密实度。为了解决以上三个问题提出了采充一体化原理，根据现代化矿井建设和生产模式，在生产过程中实现前部采煤、后部充填的并行作业的双工作面形式，利用现代化矿井配套的煤炭运输和充填材料的运输系统，使采煤生产能力和充填生产能力均衡，匹配采煤工艺和充填工艺，形成和适应现代化矿井的采煤、充填一体化的开采模式。

3.2综合机械化固体充填采煤技术

为了解决煤矿充填过程中的三大问题，通过利用综合机械化固体充填采煤技术可以实现工作面采煤和充填的同时进行，固体充填材料主要有矸石、黄土、粉煤灰、风积沙以及建筑垃圾等，工作面布置方式和传统综采工作面的布置方式基本一样，形成前方机械化采煤、后方机械化充填的双工作面的格局，采煤工作面关键设备是充填采煤液压支架，采煤和充填工序必须在液压支架的掩护下进行作业的，充填采煤液压支架将传统的综采支架掩护后顶梁变为水平后顶梁，在后顶梁的掩护下完成充填作业，通过充填采煤液压支架后顶梁悬挂多孔底卸式输送机完成充填材料的连续运输，在充填采煤液压支架的后底座安装夯实机构，将充填材料向采空区推压进行夯实，达到充填密实的要求。此技术的主要原理是利用机械设备将矿区中的矸石、粉煤灰、风积沙、黄土等固体废弃物充填到采空区中，使控制岩层移动目标控制在合理范围内，可以实现传统采煤技术等没办法实现煤炭资源回收。另外还可以改善我国煤炭大规模开采带来的矿区资源浪费和生态环境的破坏，此技术的实施可以实现多重目标，可以提高煤炭资源的回收率，使矿区固体废弃物得到充分利用，保护矿区构建物、土地、水体和生态环境，可以对采空区瓦斯、水、火和冲击矿压等重大灾害进行防治。

3.充填采煤理论与技术的发展展望

总体来看，我国充填开采理论和技术在我国取得了突破性进展，总体上是领先于世界水平的，其中综合机械化固体直接充填采煤技术是近百年来国内外在充填采煤技术上的重大突破，具备一定推广应用和商业开发的条件，但是还存在一些问题，主要有：（1）由于充填开采系统中设备比较多，工艺较复杂，技术要求比较高，在矿井地质条件多变的情况下，生产效率相对比较低;还需要进一步完善充填开采岩层控制理论和充填工艺与装备水平;（2）充填材料的来源和供应量无法满足大面积充填开采的需要;（3）该技术的初期投资巨大，和传统普通垮落法相比成本高，是阻碍该技术进一步发展的主要因素之一;（4）设备的型号比较少，设备技术的稳定性能比较差;（5）缺乏一套完整的充填开采行业标准，相配套的法规和政策不完善。

充填采煤的最终目标是有效控制岩层移动和地表沉陷，结合目前煤矿的发展状况，结合综合机械化采煤技术、越来越复杂的煤矿开采条件，创新发展安全高效的充填采煤技术和设备，充填采煤技术综合创新发展方向为：（1）解决充填采煤的基础理论和工程问题，加强充填采煤岩层移动和地表沉陷的观测工作，深入对充填体、覆岩、煤柱和支架之间的协同作用进行研究，分析地复杂支撑体系中的各种因素几何、力学特征和时空关系上的覆岩层运动影响规律，建立复杂体系变形和强度性质上的覆岩层运动模型，深入对充填采煤及时相结合的地表沉陷进行研究，降低充填材料的需求量，控制充填技术的成本;（2）提升充填采煤装备的可靠性，研究自动化装备，对系统布置和工艺进行优化。和现代综合机械化采煤工作面的生产能力相匹配是未来充填技术发展需要解决的关键性问题，结合目前充填采煤的发展状况，需要进一步提升充填采煤装备的可靠性，研究新型自动化装备，对系统布置和工艺进行优化，实现高效充填采煤。（3）研发新型充填材料的特性。充填材料的性能直接决定了采空区的充填效果，所以要不断研发更加适应充填采煤环境的充填材料。（4）建立充填效果评价体系，进一步研究充实率和岩层移动的关系，建立科学合理的充填效果评价体系，为充填采煤技术效果的验证提供依据。

4.结语

通过充填采煤技术的利用可以有效控制岩层移动和地表沉陷，提高煤炭资源的回收率，做到矸石不升井、消化地面矸石，节约大量土地，减轻地层的沉降，保护水资源，减少煤矿瓦斯和矿井的积聚，实现矿区生态和安全生产环境由被动治理向主动防治的转变。

参考文献：

[1]缪协兴，张吉雄，郭广礼.综合机械化固体废弃物充填采煤方法与技术[M].徐州：中国矿业大学出版社，2010：25-59.

（菏泽能化有限公司赵楼煤矿 山东省菏泽市 274900）