浅谈充填采煤技术在开采“三下”压煤中的应用
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摘 要：文章介绍了目前我国“三下”采煤的主要技术，对发展迅速的充填采煤技术分别从固体充填、水力充填、胶结充填等三个方面进行了着重论述，提出了充填采煤技术设计体系，希望对煤矿充填开采提供参考。
关键词：“三下”采煤；充填采煤；绿色开采
1 概述
我国煤炭资源丰富，目前累计查明资源储量约1150亿吨，煤炭在我国一次能源消费结构中所占比重达到70%，未来以煤炭供给为主的能源格局短期内不会改变，实现煤炭的绿色开采和清洁高效利用是解决能源问题、环境问题、保障国家能源安全的最主要途径。
当前我国“三下”压煤量已达到140亿吨，占累计查明资源储量的12%。随着国民经济和国家建设的快速发展，“三下”压煤量还将持续增加，这不但造成了煤炭资源的巨大浪费，也严重制约着矿区的可持续发展。因地制宜的推广应用充填采煤技术成为解放“三下”压煤、保护煤炭资源、实现绿色开采、构建和谐矿区的重要措施。
2 我国“三下”采煤技术现状
目前，我国“三下”采煤技术主要有离层注浆、条带开采、充填开采。
离层注浆是将粉煤灰、水泥、胶结物等制备而成的浆料通过钻孔注入煤层上覆围岩的离层空间，浆料凝结后对上覆围岩特别是关键岩层起到支撑作用，从而减少采煤活动对地表的影响。我国20世纪80年代在抚顺老虎台煤矿、大屯徐庄煤矿、新汉华丰煤矿等地进行了离层注浆实验，取得了一定的效果和经验，但该技术尚不能非常有效的控制地表下沉。
条带开采是将采区或盘区划分成较为规则的条带，相邻条带间隔开采，上覆围岩的重量将由保留的条带煤柱进行支撑，从而使地表只产生较小的移动或变形。条带开采在我国东北、河南等地区得到了应用，该技术虽然便于实施，但是该技术本身必然会降低资源回收率，回采巷道每次仅能服务一个工作面使得吨煤掘进率高，另外在防治煤层瓦斯、煤层自燃等方面也会增加难度。
充填开采就是把充填物（如矸石、砂浆等物料）通过专用设备充填入工作面采空区来控制顶板的冒落，从而使地表仅产生微小的移动或变形。我国使用充填采煤技术起步较晚，20世纪70年代方在山东、河南等地区试验充填采煤技术，但由于性价比低、效率低、技术难度大等原因制约了这一方法的推广和应用。进入21世纪以来，国家、高校、企事业单位在充填采煤技术方面投入了大量人力物力，在理论研究和实践成果、充填设备和充填材料、降低成本和充填效果等方面取得了重大突破，该技术越来越被广泛应用。下文将对充填采煤技术进行着重介绍。
3 充填采煤技术
3.1 固体充填采煤技术
固体充填是将矸石、砾石等固体废弃物或混凝土、粉煤灰预制块运送到采空区进行堆放充填，在充填区与采煤面之间通常还应设置隔离网，以便把充填物料与采落的煤炭隔开，提高资源回收率。固体充填有效地利用了煤矿生产过程产生的垃圾和废物，可大幅降低充填成本，但充填物料无法由专用管道输送使得转运环节多、充填能力低，充填物料在一次充填后往往不够致密，需要二次夯实或注浆补强使得充填环节多、充填效果差，因而该技术逐渐被更加高效的水力充填或胶结充填等方式取代。
固体充填的关键是投料系统，这对于提高充填效率、改善充填效果起到至关重要的作用，对于产能低的采煤工作面可采用抛矸机，对于产能高的采煤工作面应选用充填支架。
3.2 水力充填采煤技术
水力充填是将水做为载体，将矸石、砾石等物料经专用管道输送到采空区后通过水流和重力的作用进行充填，排空水和泥沙后可以形成较为致密的充填体，从而减小地表的移动和变形。该技术的优点在于成本低、输送量大、充填效率高、生态破坏小，但该技术在控制地面沉陷、提高煤炭采出率等方面仍存在不尽人意之处。
水力充填的关键是输送工艺，充填浓度宜为60%～70%，可以实现自流输送，压力不足时辅以料泵输送，输送管路宜选用无缝钢管，管径要根据充填能力、充填压力、经济流速等参数计算选型。
3.3 胶结充填采煤技术
胶结充填有三个要素，一是矸石、砾石等惰性材料，二是水泥、粉煤灰等胶结材料，三是水。可以将三者在地面按一定比例混合制备成料浆沿专用管道充填进采空区后再脱去多余的水分，也可以先将惰性材料堆放进采空区，再把胶结材料与水混合制成的净浆由专用管路通过压注、喷淋的方式填满惰性材料之间的空隙，两种方法的结果都是形成具有整体性、独立性和较高强度的承载体，从而起到控制地表移动和变形的作用。
胶结充填的关键是胶结材料，胶结材料本身的属性以及与惰性材料的配合比将直接影响运送能力、充填时间、充填效果等关键指标。除了传统的水泥、粉煤灰等胶结材料外，我国也已研制出高水速凝充填材料，前者价格相对低廉但是输送线路长时容易堵管，后者比较昂贵而且耗水量大但是输送距离远、输送能力大、充填效果更好。目前，胶结充填已经因其施工速度快、充填效果好、环境影响小、适应性强等优点得到了矿山企业的重视，广泛应用于“三下”采煤及坚硬顶板管理等环节。
4 充填采煤技术设计步骤
收集设计资料。赴煤矿实地踏勘，收集地质报告、水文地质类型划分报告、隐蔽致灾因素普查报告、采掘工程平面图、井上下对照图等资料，测定下沉系数、水平移动系数、边界角、移动角等参数。
评价充填开采保护技术难度。计算当不使用充填开采时产生的地表下沉最大值、地表水平变形最大值、地表倾斜变形最大值、地表曲率变形最大值与它们相应的设防值之比，比值越大则保护技术难度越大，反之则越小。地表变形设防值可参考《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》选取。
设计充填开采技术方案。保护技术难度不大时，根据实际情况选用固体充填或水力充填或胶结充填，优化物料配比、输送工艺、充填工艺，保证支撑强度满足设计要求；保护技术难度大时，采取提高充填率、夯实充填体和离层注浆等补强措施；保护技术难度很大时，采取充填条带开采措施，采空的条带由充填体补充，使充填体和条带煤柱共同支撑上覆围岩的重量。
试验充填开采技术方案。结合煤矿开拓采区布置，选取无地面建构筑物压覆的区域试验设计的充填开采技术方案，验证过程中必须实时监控顶板和地表的移动变形量、试验用地面建构筑物变形和破坏情况，实时调整充填时间、充填率、充填浓度等参数，使得充填效果满足设防要求。
实施充填开采技术方案。经试验论证合理有效的充填开采设计方案报煤矿上级主管部门验收投产，生产过程中煤矿要严格按照方案施工，控制好原材料制备、充填物料输送、充填现场施工、充填效果检验等环节，加强对地表移动和变形的监测监控，制定突发事故应急预案并定期演练。煤矿在掌握了地表移动变形量与充填工艺的关系后，可适当调整充填参数，修改完善充填开采技术方案。
5 结束语
随着煤炭资源的逐渐减少，人类更加注重保护生态环境，国家和社会大力加强民生改善，煤矿充填开采技术将成为解放“三下”压煤的主要手段，是煤炭绿色开发的重要组成部分，对于保障民生、保护生态环境、提高资源利用率、促进矿区经济可持续发展具有重要意义。
参考文献
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