煤矿井下采空区顶板管理及充填开采的应用

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【摘 要】煤矿井下采空区顶板管理方式关系到地面建构筑物、地下水、瓦斯和生态环境保护等，是井下开采的重要课题。介绍了我国煤矿顶板管理现状，提出充填开采管理顶板的重大现实意义，阐述了国内充填开采的分类及布置、并进行了优缺点分析，提出了具体的适用性特征。对于采空区顶板管理的选择和发展具有促进作用。

【关键词】采空区顶板管理；充填开采；适用性

1 引言

能源是人类活动的物质基础，人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。能源的发展以及对环境的影响，是全世界、全人类共同关心的问题，也是我国社会经济发展的重要问题。目前全球能源消费结构为：石油33.6%，煤炭29.6%，天然气23.8%，其他13%。截止2012年底，中国原煤产量为36.5亿吨，约为世界的50%，由于我国“三下”压煤严重（部分地区达数十亿吨）以及落后的开采工艺（部分地方煤矿采用房柱式、刀柱式等落后采煤方法），使得我国的煤炭资源平均采出率仅为40%左右，比世界先进国家少20%～30%，每年煤炭资源浪费30亿t，如此下去，难以持续发展！

2 我国煤矿顶板管理现状

目前，我国煤矿井下采煤工作面顶板管理可分为：全部跨落法、煤柱支撑法、缓慢下沉法和充填法四种管理方法，各种方法特点各异，使用范围也各有不同。

全部跨落法：是回采工作面采完回柱后，采空区顶板自行垮落或者强制垮落。该方法因便于实现机械化开采、操作方便、适应各类煤层，为国内煤矿多采用，是我国煤矿开采主导顶板控制方法，但是这种方法主要考虑顶板灾害对于回采空间的危害，而未考虑开采后岩层移动、下层以及破坏并造成地面建构筑物、生态和环境等的破坏，使得建构筑物损坏、土地荒漠化、破坏地下水资源、排放大量瓦斯、煤矸石、矿井水，污染环境，因此全部跨落法的使用条件与改进途径是一个值得去深化和研究的课题。

煤柱支撑法：是工作面推进一定距离后，在采空区中留适当宽度煤柱以支撑顶板的岩层控制方法。主要适用于顶板岩石特别坚硬、人工强制放顶也很难垮落的顶板条件。存在煤炭回收率低和近距离煤层群回采时会产生集中压力造成顶板较难管理的确定。从保证回采作业空间安全和保护地表环境来衡量，这种方法属于淘汰对象。

缓慢下沉法：是在采空区后方利用顶板下沉和底板隆起的特性任其自然合拢的岩层控制方法。主要适用于薄煤层工作面。由于其对采空区管理基本是属于放任状态，安全性较差，国内也较少采用。

充填法：是由地面或井下把矸石、粉煤灰、建筑垃圾以及专用充填材料等不可燃物品充填入工作面采空区支撑顶板，来控制顶板的冒落，以达到安全管理顶板的目的。充填开采优点主要为：可以减少井下采空区水、瓦斯积聚空间，降低采空区突水、瓦斯爆炸、有害气体突出、浮煤自燃等事故发生可能性，抑制煤层及顶底板的矿压集中和显现，提高矿井安全保障程度；可以充分回收“三下一上”呆滞煤炭资源，延长矿井服务年限；可以使固体废物在矿山得到资源化利用，用固体废物置换煤炭资源，减轻煤炭开采对地表的影响，减少耕地占用和矿区村庄搬迁，保护和改善矿区生态环境，促进资源开发与生态环境协调发展；但也存在以下缺点：回采工艺和充填工艺复杂、充填和采矿工序交替可能会影响生产效率、充填料的开采、加工、输送、管路设备、辅料及其他一系列消耗使吨煤成本增高约百元。

总体来看，基于充填法对建构筑物、采空区、地下水和生态环境保护、资源回收率的提升和经济及社会环境改善等的突出贡献，具备了一定的推广应用条件，在条件许可的情况下，可取代全部跨落法优先使用。

3 充填开采的分类及应用

根据充填采空区的程度不同，可分为全部充填法和局部充填法，全部充填法即把采空区全部填满，多用于开采厚煤层或“三下采煤”，局部充填法，一般是砌筑矸石条带，支撑采空区顶板，适用于开采顶板坚硬的薄煤层。

根据充填材料的不同，可分为煤矸石等固体材料充填、膏体材料充填、高水材料充填等充填工艺技术。

3.1 固体材料充填

充填材料为煤矸石或其它固体废料（粉煤灰、沙、碎石、固体垃圾、黄土等），利用井下掘进矸石（或洗选矸石）进行充填的置换开采技术，可实现矿井矸石的井下处理，做到矸石不升井，是实现煤矿绿色开采的关键技术途径之一。目前已经形成了矸石直接充填采煤的技术框架，其中包括综采矸石充填技术、普采矸石充填技术和掘巷充填技术等，主要技术装备有自夯式充填开采液压支架、充填开采输送机、运矸胶带输送机、投料系统、监控系统等。影响固体充填效果的主要因素为：充填前顶底板接近量（与上覆岩层性质有关）、充填固体的沉缩量（与固体材料性质有关）和充填不充分量。地表的变形程度由固体充填的减沉效果决定，固体充填的减沉率一般在62%以下。

其优点主要为技术成本相对较低、工艺简单、采充一体化（架前采煤架后充填）、效率相对较高；缺点主要为充填及接顶不够紧实、充填效果不理想、不能很好的控制地面沉降、不适应分层开采、对俯采适应条件差。

主要适用于对地表沉降与变形要求一般（如地面铁路和水体等）的矿井、适用于煤层倾角25°以下、一次性采全高的综采、普采以及炮采的仰采工作面的采空区充填。

3.2 膏体材料充填

以煤矸石作为骨料，辅以水泥（胶结料）、复合外加剂（管道输送性能改良）和水等材料进行加工制作成无临界流速、不需脱水的高浓度膏状浆体，通过泵压或重力作用，经过管道输送到回采工作面，适时充填采空区的绿色开采技术。根据材料性质的不同，可分为膏体和似膏体材料充填。目前该技术已对综采矿井、普采矿井等进行了较好的应用，主要技术装备有膏体充填液压支架（将隔离与支架有机结合，实现采1刀即能支护充填区、隔离不降架、隔离时间短，形成采充采充高效安全模式）、充填泵、充填控制管阀、投料系统、管道压力监控系统等。影响膏体充填的主要因素为：即下沉量因素、压缩量因素和岩性因素。

其优点主要为密实度高、控制开采沉陷效果非常好、适用范围广、成本和强度可控、适用于俯斜开采、特别适用于仰斜开采、不泌水不改变地下水系结构、泵送性能良好、可进行远距离输送、机械化和自动化程度高、环保、安全高效等优点。缺点主要为系统投资大、成本较高、容易堵塞管路、支架、管路、管阀及泵等均为专用设备、分层开采设假顶可能会风化。

主要适用于对地表沉降与变形要求高（如重要的建构筑物、自然保护区、解放禁采区、高速公路等）的矿井、矿山附近矸石及粉煤灰等物料量多、输送距离较远（可达5km）、适用于综采、普采以及炮采的远距离回采工作面（仰采工作面倾角45°以下、俯采工作面倾角16°以下）的采空区充填。

3.3 高水材料充填

主要由A、B两种物料组成，A料主要以铝土矿、石膏等独立炼制成主料并配以复合超缓凝分散剂（又称外加剂AA）构成，B料由石膏、石灰混磨成主料并配以少量符合速凝剂（又称外加剂BB）构成，二者以1：1比例配合使用，根据A、B两种外加剂的多少，可灵活调整初凝时间。根据高水材料的水灰比不同，可分为高水材料（水灰比11：1，水体积大于95%）和超高水材料（水灰比2.5：1，水体积小于95%），二者用水量相差较大。充填系统包括高水材料制浆系统、输送系统和采空区充填三部分，充填方法主要有开放式充填、袋式充填、混合式充填、分段阻隔式充填等，主要技术装备与膏体充填设备相似。

其优点主要为系统简单、密实度较高、控制开采沉陷效果较好、机械化和自动化程度高、流动性好、输送距离更远、凝结速度快、凝固后良好的不可压缩性、可实现充填与开采平行作业达到高产高效、有效利用井下废水、占地少（充填泵送系统可建于井下或地面）、采空区密实效果良好、能有效控制地表变形。缺点主要为抗风化及抗高温性能差、不适应分层开采、AB物料价格昂贵、对俯采适应条件差。

主要适用于对地表沉降与变形要求较高（如建构筑物、自然保护区、解放禁采区、高速公路等）的矿井、矿山附近矸石及粉煤灰等物料量少、井下矿井涌水充足、输送距离远（可达5km以上）、煤层倾角5°～18°、顶底板条件较好、仰采工作面的采空区充填。

4 结语

目前，对于充填开采的认识比较统一，布置方式比较多样。基于上述叙述，膏体材料充填和高水材料充填由于其密实度较高、控制开采沉陷效果较好、机械化和自动化程度高、能安全有效充填采空区等优点，将会成为采空区充填技术今后发展的重点。对于新材料的研发和使用，以及急倾斜厚煤层的适用还需要进一步讨论。

参考文献：

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