浅谈煤层填充技术要点

[摘 要] 无论是在哪个国家，煤炭都是一项非常宝贵的财富。这项大自然馈赠给人类的资源在我国表现出鲜明的地域特性，针对目前的这种状况，专家研究出了很多发展绿色煤炭开采技术的科学、经济的采矿理念，其中包括各种煤层填充技术。本文以填充采煤技术的特点为切入点，介绍了目前煤层开采中几种不同的填充采煤技术：膏体填充采煤技术、矸石填充采煤技术、高水材料充填采煤技术，并在此基础上，对综合机械化固体充填采煤技术要点进行了分析。

[关键词] 煤矿开采； 煤层填充技术； 特点； 技术要点

1 前言

煤炭作为主要的能源支撑，在我国国民经济发展中占有极其重要的地位。近年来，随着我国国民经济的飞速发展，能源需求量不断增大，作为主要消耗能源的煤炭产量也在急剧增大。在这样一种环境下，很多煤炭企业为了提高在煤炭市场的竞争力，涌现了大量的滥采滥掘现象：很多矿业未经系统规划便直接投入设备，进行无规划的大肆开采；很多矿区在开采过后随机弃置……我国煤炭资源总体分布不均、开采地质条件不良等因素使得东部地区大多矿井煤炭资源近乎枯竭；另外，固体废物污染也给当地人们带来了不小的威胁。因此，我国很多煤炭专家提出了“绿色开采”这一采矿理念。作为煤炭开采过程中运用最广泛的填充采煤技术，在操作中成效显著，对发展“绿色”理念有着重要意义。

2 煤层填充开采技术的特点

近些年来，填充开采技术在金属矿山的推广与应用上取得了很大的成效，但在煤矿开采中却还未得到广泛使用，这与填充煤矿技术开采时的特殊条件有很大的关系。与金属矿的填充开采相比，煤层填充开采技术的特点主要表现在以下几方面：

2.1 填充生产能力无法与采煤生产力相匹配

总所周知，在填充采煤过程中，采煤和填充这两个环节是相互制约、相辅相成的，开采会影响填充，同时填充也会作用于开采。因此，矿井的开采是决定于采矿和填充这两个环节组成的回采作业大循环。只有实现采矿和填充的平衡，填充技术才会在矿山有效应用。

就目前的整体情况来看，采煤生产能力与采煤生产能力无法匹配的问题已经非常突出。与金属矿山的传统炮采工艺相比，煤炭采矿工艺早就实现了综合机械化，达到了落煤、装煤、运煤、支护、放顶五道工序的机械化水平，做到了特大型矿山的开采。但是，面对如此高产高效的采煤生产力，煤矿的填充技术并没有达到与之相匹配的水平。

2.2 填充材料供不应求

金属矿山一般采用废石、尾砂、冶炼炉渣等废弃物作为填充材料，其中尾砂约占开采量的50%-99%，如此之多的废弃物完全可以解决填充材料工序平衡的问题。但同金属矿山相比，煤矿自身废弃物比例甚少，通常来说，仅占开采量的15%左右，仅靠这15%的工业废弃物是无法满足整个采空区的填充问题的。因此，寻找丰富、廉价、合适的填充材料，以此来解决采空区的填充问题，达到填充材料的供需平衡，是填充采煤技术成功应用的一个先决条件。

2.3 填充成本与采矿效益的均衡问题

与其他的开采方法相比，填充开采虽然能最大限度地开采出地下的煤炭资源、保证生产的安全性、增加矿山的经济效益，但究其填充采煤过程中运用的填充设备、填充工序以及填充材料所增加的成本，确实给矿山的开采带来了不小的挑战。

填充开采过程中因填充而增加的经济效益能否抵消填充成本呢？这是达到两者均衡需要考虑的问题。就我国的煤矿填充而言，通常只有当填充成本少于因开采引起的土地破坏、搬迁赔偿费用时，才能实现填充成本与采矿效益的均衡。因此，要想将填充技术有效应用于采煤技术，填充成本与采矿效益的均衡问题也是一大关键。

2.4 填充时空受限问题

金属矿脉一般都属于硬岩，矿石被开采出来后留下的地下空间可以保持相对稳定，而且填充的空间比较有规则，基本上可以实现采矿与填充作业的分离。因此，相互之间所受的干扰比较小。而煤炭资源一般分布在沉积岩中，在运用长臂垮落的方法进行采矿时，采空区的覆岩容易发生垮塌现象，难以维护填充所需的空间；另一方面，顶板的岩体运动也比较难控制，导致填充作业所能利用的时间非常有限。因此，煤矿填充与采矿的相互干扰比较严重。

3 煤层开采中填充采煤技术的分析

3.1 膏体填充采煤技术

膏体填充技术在填充采矿工程中发挥着十分重要的作用，尤其在金属采矿工程中运用得十分广泛。膏体填充技术是指将煤矿矿井附近的煤矸石、河砂、粉尘灰以及固体废弃垃圾等在需要填充的地下区域，按照一定的比例要求加工成无需脱水处理的牙膏状浆体，然后通过填充泵或重力压进行加压灌注，再通过浆体输送管道运送到所需填充的矿井中，最后根据实际的地形情况适时的填充采空区。

膏体填充的原理在于膏体材料的胶质性以及保水性。一方面，胶质性使得膏体通过管道输送时没有临界流速，最大程度地保证了膏体在管道中的滞留时间；另一方面，胶质粒子的材料保留了所有的水分子，使填充过程中不会出现脱水现象。由于膏体填充技术过程中的填充与采煤工序位于同一个工作面，需要构建专门的膏体填充隔离支架，填充后要求能在数小时内起承载作用。因此，在膏体填充采煤技术中，填充原材料是十分重要的。如果采用劣质固体废弃物作填充材料，不仅会影响填充质量，甚至还有可能影响到填充工作顺利、安全的进行。

膏体填充技术具有流动性好、填充密度高、填充强度高等优势，能够对采矿区四周的岩层移动及地表沉陷起到控制作用。但就目前的膏体填充技术来讲，在整个工程的初期要投入非常高的资金。据相关统计与分析发现：初期投资高达3000万元，如果利用填充技术，就相当于每吨的开采成本增加了60-100元。如此高额的成本是膏体填充采煤技术使用受限的一个主要因素。

3.2 矸石填充采煤技术

矸石填充采煤技术是以开采过程中产生的煤矸石为主要填充原料而得名的，其主要动力是凭借风力、重力或机械等作为动力将煤矸石等固体废弃物输送至矿井采空区的填充采煤技术。根据煤矸石动力源的差异，我们将该项技术划分为：人工填充、风力填充、自溜填充、机械化填充等不同的方式。由于不同填充采煤技术所受的局限性不同，所以每种填充技术都有不同的使用范围。相对来说，人工煤矸石的综合填充效率水平较低、劳动工作强度大、适应性差，因而在煤炭开采中使用得较少。自溜填充与风力填充主要靠矸石的重力以及风力，受外界因素影响较大，输送的稳定性较差，也仅适用于外部条件比较优越的矿区。因此，投资成本较低、填充系统相对简单的机械化填充在煤矿开采中使用的较为普遍。

机械矸石填充法利用了抛矸机等机械，将煤炭开采过程中产生的煤矸石直接抛射向采空区进行填充。该项工艺可进一步分为普通机械化填充与综合机械化填充。普通机械化填充适用于薄或中厚层煤矿开采或者炮采工作，煤层一定的倾角利于填充矸石的密实。综合机械化矸石填充则灵活运用了机械，在采煤工作面上，同时实现了机械化矸石填充作业，是一门将采集与填充工艺合为一体的综合采煤技术。

3.3 高水材料填充采煤技术

高水材料填充采煤技术是一种在填充材料中加入一定比例的高水速凝固结材料的填充技术。这种高水材料主要包括高铝水泥、石膏、石灰、悬浮剂、解凝剂、速凝剂等成分，具有固水能力强、悬浮性和流动性强、凝固速度快等特点，使用时将其混合制成浆液，体积含水率高达85%-97%，在5-30分钟内便可以凝固、硬化成高含水固体。由于用水量比较高，在同体积的填充材料中所需的固体材料就相应地减少了。这样不仅可以有效地解决固体填充材料不足的问题，同时也简化了其他填充技术所需的庞大填充体系。

随着该技术的不断发展，高水膨胀材料也得到了很大的提高，所需的固体材料越来越少，有效地降低了填充成本，填充系统简单且投资较少，一般小于500万；同时填充材料的流动性、便于填充性也有效保证了顶底板之间的无明显移近，提高了工程的安全性。但由于该技术中的高水材料填充物的抗风化性能与耐高温性能较差，因此，煤矿采空区的填充物质的长期稳定性不高，这也是该项工艺使用较少的一大原因。

以上介绍的几种填充技术为整体填充，此外还有局部填充采煤技术，即针对采空区内局部区域的填充技术。相比于整体填充，局部填充主要是针对采空区内有坍塌危险的地段采取的填充手段，而其他部位则依靠原始的覆岩结构的自承载能力。这样的局部填充方式必然大大降低了填充的成本，但承担的风险也相应地变大。因此，在实际的煤矿开采过程中，我们要根据实际情况来选择最佳方法，切不可一概而论。

4 综合机械化固体填充采煤技术要点

综合机械化固体填充技术保证了采矿区建筑的安全，实现了矸石等废物与煤炭资源的置换开采，切实提升了煤炭开采功效。要想实现综合机械化固体填充采煤技术，我们必须克服诸多困难：保证采空区实施填充的空间和通道、填充经济成本问题、填充过程中带来的动力学问题等。结合大量的工程实践与研究，笔者认为在实施综合机械化固体填充采煤技术的过程中，我们要采取以下方法来解决综合作业面上的三大技术性难题：

第一，对常规综合采集液压支架的掩护斜梁要进行拆除，使用水平的短梁将其替换掉，对支架进行加固，使填充固体直接充入水平短梁掩护区，做到采煤工艺填充空间的最大化利用，从而有效地解决综合机械化固体填充空间不足的问题。

第二，事先将刮板式填充机安置在填充机械掩护短梁下，然后通过带式输送机将配比好的填充固体运至其中，使采空区的填充物体始终处于连续输送的过程，这样就能有效地解决填充不连贯、容易受堵等问题。

第三，填充固体在重力的作用下从刮板式填充机开口落入短梁的掩护空间后，可以利用压实机或者辅助其他的动力机将填充物进行充分压实，使煤矸石等固体混合物达到预设的密实性能，保证采空区填充后的一个安全、稳定的后续采煤环境

结语

我们要科学运用填充采煤方法，在保障矿区地表建筑安全的基础上进行合理的煤矿开采，在开采后以煤矸石填充采空区，这样可以实现以煤矸石为主的固体废料的利用，使煤矿开采的综合效益大大提高，带动煤矿产业朝着健康、可持续的方向迈进，实现经济和社会的高速发展。

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