试论煤矿开采之中沉陷区的充填技术

摘要：煤炭是一种重要的国家战略资源，对国家经济的发展起着十分重要的作用。但是由于煤炭开采的特殊性，采完之后容易引起地质沉陷，对地面上的建筑物和生态环境造成很大的影响，如果采用拆迁和环保措施又会增加开采成本，沉陷区的这些问题成为了制约开采进一步进行了主要因素。为此，本文对沉陷区的危害进行了分析，对与充填技术进行了详细介绍和探讨，并对关键技术和特点进行了研究。

关键词：煤矿开采 ；沉陷；充填技术

中图分类号：TD82文献标识码： A 文章编号：

引言

我国煤炭储量丰富，大小煤矿众多，采矿技术也高低不等。由于采矿的过程中不断的将煤炭从地下挖掘出来，很容易造成地表沉陷。如不进行治理会对地表的建筑、土地造成极大的影响，尤其对地表上的人们的生活造成极大的安全隐患。很多地区为了追求经济效益，往往对煤矿的地上村庄进行大规模的搬迁，给人们的生活带来极大的影响，而大量的村庄或者建筑设施搬迁几乎不可能这就造成很多地下煤矿无法开采。如果能对煤矿上的这些地区进行有效的控制或者减轻沉陷程度，都可以减少采矿压力。为此，对沉陷区进行充填成为了最有效的治理措施，为煤矿的开采解决了后顾之忧。

煤矿开采沉陷的影响

2.1 对地表的影响

煤矿开采会导致沉陷，如果想完全开采就需要拆迁地表建筑，拆迁无疑会投入大量的人力、物力和财力，这些成本最终都会附加到煤矿的成本之中，消耗能源去挖掘能源也不经济，同样不利于矿企的长期发展。在保证地表建筑物安全的情况下高效的开采才是降成本的关键。另外，沉陷对地表的生态环境的影响也很大，一旦破坏就很难修复，且需要投入大量的资金，不符合可持续发展的精神。

2.2 对地下水资源的影响

矿井疏排水量巨大，直接会影响到地下水的使用，水位下降会给人们的日常生活以及工业生产照成很大的影响，同样会地上植被也会缺水，从而加剧生态问题;矿区的洗矿选矿的废水也会引起水质污染。很多矿区由于水污染导致饮用水短缺，给人们的用水带来极大的不便。

2.3 由于沉陷造成的其他影响

建筑物、铁路以及水体下的煤矿储量巨大，但是考虑到沉陷的影响，开采难度极大，山东省内的这种“三压”下的煤矿占总量的一半以上，如果考虑搬迁几乎不可能，这就严重制约了煤炭的开采。

为了提高资源的开采利用率，充填开采成为了新型的绿色开采技术，对沉陷的预防和控制效果也很理想。

3 充填采煤的方法

充填采煤不但能够提高煤矿的开采率，而且能够降低开采对外界环境的影响，有些方法还可以把城市垃圾当作充填物，还解决了垃圾难以处理的问题。目前常用的充填采煤方式主要有以下几种：

3.1 膏体充填技术

膏体充填就是把砂石、炉渣、城市固体垃圾等一些废物或者廉价的物体加工成膏状体,经过压力泵输送到地下进行填充的方法。膏体充填开采有如下特点:充填后能够避免沉陷，有些时候可以同时进行，不影响开采。充填后要求在一定的时间内充填材料能够达到一定的强度要求以保证承载避免沉陷;充填需要将各种配料的制作系统，还需要管道的运输，但是目前的技术水平还有待进一步提高。

3.2 粉煤灰研石粉活性激发胶结充填

粉煤灰很多时候被用作改善流动性的掺料或者废渣处理。其实它和自燃的煤研石碎粉一样有潜在活性，只是它的活性需要特殊物料作为催化剂来激活，使其固化。常用的水泥和矿胶固料效果较差。所以需要新的粉煤灰研石充填活性激发胶固料来解决这种问题。目前已经有了一些单位研制成功并应用到了填充阶段，效果较好。

3.3 水砂充填与干式充填

水砂充填与干式充填是目前国内应用较多的充填方式。水砂充填缺点在于泌水量大,隔排水系统,较复杂而且充填沉缩量也很大。充填密实度和材料的属性都会影响的沉陷，随着技术的发展，一批专业化的设备的出现保证了以研石为主的机械化干式充填技术在现实中的应用。充填物被充填到采空区,需要捣实机捣实。袋装城市垃圾充填就是干式充填,的一种方式。在沉陷区上的离层中充填粉煤灰是一种水砂充填方式。

3.4 高水材料充填

高水快速凝结材料由两种材料按对等比例调和成的,其固水能力和凝固速度都很好,能够迅速溶解承载力较强的固体。高水材料充填相对于其他充填技术相的优点是:首先，用水多，用固体材料少,一定程度上解决了矿体资源短缺的问题,其次，系统优化后能够满足固体用料需求,降低了运输成本;另外，充填料流动性好,管道不易阻塞且需要的成本也比较少。但是该技术在充填材料的长期稳定性方面还有待提高。

4、充填采煤的特点及关键技术

煤矿充填特点:

（1）推进较快,顶板稳定性不好。煤炭的长壁机开采推进速度较快，顶板多为沉积岩,冒落快,稳定性比较差。一旦顶板出现大面积冒落的问题就会严重影响充填率。所以充填采煤要求采充循环变化凝固时间段还要求有较高的强度。

（2）挡墙制作工作量大。由于管道水力输送充填需要在封闭的挡墙中才能保证充填,而采煤是不易于形成自然的封闭空区,这就需要制作挡墙。所以挡墙的制作速度和易拆卸程度是决定充填速度的主要因素。

（3）充填材料选择范围受到限制，且稳定性不好控制。常用的是煤歼石和粉煤灰。但是这些物质的数量有限，且随着煤炭价格的提升这些物质的价格也在升高，这无疑增加了充填的成本，物料匮乏成为了其制约因素。

充填采煤关键技术

(l) 快速制作挡墙技术。沿倾向布置煤层的充填采煤工作面能够减轻充填料浆封堵。这样布置优点在于料浆接顶好,挡墙承受压力小，当煤层倾角较大时煤炭易滚落导致采煤机械工作不方便是其主要缺点。一般混凝土砌块多用在端部挡墙,也有些地方使用混凝土模板拼接。单体液压支柱多应用在工作面挡墙支撑,较为落后的是被覆木帘子或废旧橡胶带,再加上编织布构成的挡墙，但是这种方法密封性较差。因此快速安装和拆卸的挡墙是目前多急需的。

激发性速凝膨胀废渣胶固料。充填成本是制约充填技术发展的一个主要因素，大多数的胶固材料成本较高而且对使用条件的要求较高，所以说优良的胶固料是目前所急需的。它应有以下特征:首先适用当地所用充填资源,其次要求泌水排水量小、流动性好;还要求能够在满足所需强度的条件下凝固迅速而且性能稳定，最后还要求材料的成本不能太高。因为各地所用材料不同，所以所要求的胶固料也不一样，这就决定了其必须适应当地环境。这也增加了研发成本和研发难度。

不稳定顶板充填方法。充填采煤后减轻了顶部对工作面上的压力,如果增大充填宽度就可提高效率,降低成本。对于稳定性较差的顶板,最好采用掩护式支架,必要时可采用辅助干式码垛支撑,以保证安全,扩大充填距离还可以有效避免充填接顶问题。

(4) 厚大煤层分层充填。由于受到采煤方法、充填技术的影响,充填采煤主要用在2米厚度左右的煤层开采,对于再厚的煤层来说充填开采还不现实。虽然这在理论与技术上是行得通的，但是,需要对厚大煤层在降低产量的同时实施分层开采;在此基础上再对充填底板加筋以保证各层的安全。

(5) 自流满管输送控制技术。它指的是管道输送与搅拌制浆协调一致，使料浆保持稳定液位,维持输入与流出量平衡。自流满管输送需要在给定输送能力的情况下,对管道流阻环管进行试验分析然后从中得到管道输送水力坡度值,根据该值计算管道直径和所要输送的料浆浓度,再应用一个控制单元就可实现。在科技发达的今天这很容易实现。对于有些矿的充填时可以使用经验公式，“水力坡度”常用“金川公式”作为其经验公式。但对有些矿来说这个公式的误差较大,需要进行实际的科学测试之后才能进行。

5、总结

煤矿开采引起的沉陷以及未沉陷的地方都存在很大的安全隐患，因此如何控制煤矿开采沉陷是目前矿企所面临的重要问题，充填开采是一种绿色开采技术，它不但可以节约开采的成本，提高收益同时还能保护地表建筑和地上的生态环境符合煤矿可持续发展的要求。本文结合相关资料和经验对充填技术进行了分析和研究，并对比了当今的主要方法的优缺点以及关键的技术，一家之言仅供参考。

虽然该技术已经应用到了实际之中，但是在有些方面还需要进一步深化的研究，这就要求有关的研究机构和企业加强这方面的投资。相关研究人员要结合实际情况去研究新的方案或者新的材料，以提高充填效率，降低充填成本。为我国充填采煤技术的发展做出积极的贡献。

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