充填开采技术在大倾角煤层的应用

摘要：随着国家经济的快速增长，能源的需求量越来越大，煤矿开采业得到了快速发展。经过几十年的开采，地理环境好、开采难度低的煤矿数量正在慢慢减少，许多采矿企业不得不把开采重心向开采难度相对较大的大倾角煤层进行转变。大倾角煤层在进行开采时，如果不对采空区进行适当充填，很容易导致岩层塌陷。文章就充填开采技术在大倾角煤层中的应用进行了论述。

关键词：充填开采；采空区；倾角煤层；注浆胶结；膏体充填

中图分类号：TD823

文献标识码：A

文章编号：1009-2374（2012）21-0147-03

1　概述

在进行大倾角煤层的地下开采时，由于其岩层构造的特殊性，如果不采取一些保护岩层的措施，极易造成矿区岩层受到破坏。岩层的损坏可以导致地表塌陷、岩层移动等问题，使得矿区地表的一些建筑物、公共设施、水利农田受到破坏，极大地影响了矿区原有的生态环境。采矿的同时，会产生大量的固体废弃物，如煤矸石等，这些废弃的固体废弃物品在矿区周围堆积，不仅影响矿区的运输交通能力，还对周围的环境造成污染。因此，近年来兴起的充填开采技术在大倾角煤层开采中得到了较为广泛的应用。充填开采技术不仅可以对大倾角煤层开采沉陷起到有效控制的作用，还可以使煤矸石等固体废弃物品得到循环有效利用。

2　充填开采技术与大倾角煤层的基本概述

2.1　充填开采技术的基本概念

充填开采技术是指，将开采煤矿时所产生的固体废弃物如煤矸石等经过处理，充填到采空区，这样，不仅可以减少固体废弃物的堆积而造成土地资源的浪费以及环境的污染，还可以控制岩层的塌陷，保护了煤矿区地表的正常环境。

国内一般的充填开采技术按照充填的材料可以分为以下几种：注浆胶结充填开采技术、膏体充填开采技术、超高水材料充填开采技术、煤矿似膏体充填开采技术。

2.1.1　注浆胶结充填开采技术

注浆胶结充填开采技术可以分为采空区高浓度浆液充填技术和离层带注浆充填技术。前者是将在采空区外制作好的高浓度浆液用特殊管道运输至采空区，在采空区冒落的岩石固体被重新压缩成型之前，将输送进来的高浓度浆液进行充填。后者是最近兴起的一种动态控制沉陷方法，它的特点是在开采时，密切观察开采过程中可能会出现的离层现象，当出现离层现象时，对离层内通过钻孔等方式对离层内进行充填，通过充填材料形成支撑物理结构，从而有效地控制岩层下沉。

2.1.2　膏体充填开采技术

膏体充填开采技术是指在采空区覆岩层冒落之前，将在地表制作的膏状浆体通过特殊输送装置运输至采空区，对采空区的部分区域进行充填。这种膏状浆体一般是由煤矸石、煤灰、劣质矿土等废弃固体材料制作而成。

2.1.3　超高水材料充填开采技术

超高水材料充填开采技术，顾名思义就是在制作充填材料时，所需材料的含水量极高，这将大大减少固体材料的用量。

2.1.4　煤矿似膏体充填开采技术

在对以上三种充填技术充分研究分析的情况下，并且结合了其他先进的充填技术后，煤矿似膏体充填技术应运而生。它具有胶结能力强，流动性好，便于输送，且在充填胶结时不发生脱水现象的特点，近年来在许多煤矿单位被广泛应用。

2.2　大倾角煤层的基本特征

2.2.1　大倾角煤层的概念

倾斜煤层可以分为以下三种：缓倾斜煤层、倾斜煤层、急倾斜煤层，其中，缓倾斜煤层的倾斜角度一般为25°以下，倾斜煤层的倾斜角度一般为25°～45°，急倾斜煤层的倾斜角度则一般大于45°。实际上，通过查阅文献可知，对于大倾角煤层，现今还没有准确的定义。但在实际的生产过程中，一般将倾斜角在35°～55°范围内的煤层称为大倾角煤

层，有些倾斜角达到60°的也称为大倾角煤层。

2.2.2　大倾角煤层岩层的特征

大倾角煤层的形成与地质的构造有着不可分割的历史渊源，与水平面或缓倾斜煤层岩层构造相比，大倾角煤层的顶部与底部的岩层构造由于受到了地质构造时的影响，破坏程度比较大，在进行煤矿开采时，极易造成覆岩层的冒落。

（1）大倾角煤层开采面由于存在比较大的倾斜角，采矿时采空区内产生的冒落的煤矸石由于重力的作用会沿开采面滚落而下，从而造成了采空区下部充满了从上部滚落的煤矸石，而上部的煤矸石由于滚落而造成悬空。此外，开采面由于重力的作用会沿着倾斜的方向的岩层缓慢移动，造成岩层顶板的沉陷和底板的突起，对于覆岩层的支撑力，由开采面缓慢转变到中轴线，表现出具有典型特征的非对称支撑力。

（2）由于开采面会沿着倾斜的方向移动，在没有外加控制措施的情况下，开采面的底板会受到岩层移动而产生的破坏，一旦开采面的底板受到了破坏，底板的岩层构造将不再稳定，会随着底板的破裂而发生严重的滑动破坏，造成开采面覆岩层、支架、底板整个系统失去平衡，最终引发整个开采区岩层的破坏、地表塌陷等一系列恶化灾害。

3　充填开采技术在大倾角煤层生产中的应用

目前，国内对大倾角煤层充填开采技术研究以注浆胶结充填开采技术居多，本文就此技术在大倾角煤层中的应用做以下阐述：

3.1　充填技术的方式和材料

充填技术采用注浆胶结充填技术，其主要的材料构成为煤矸石、煤灰、水泥，材料的质量比为14∶5∶1。在配制充填材料时，加入一定量的减水剂，会使充填注浆的强度更高一些，也减少了水泥的使用量。

3.2　采空面的充填的前期准备工作

（1）对开采面进行挡墙的设置。可根据采空区的具体情况选择以下挡墙类型：混凝土挡墙、金属网挡墙、煤矸石挡墙、木质挡墙。每种挡墙各有特点，选择时可根据需要进行综合分析后再选用。

（2）对需要充填的区域进行输送充填材料管道的架设。管道接缝间务必连接紧密，以防发生充填材料的渗漏。在进行充填时，往往需要用到通讯设备，所以，前期的准备工作也需要对所有的通讯设备进行检查，保证通讯设备的正常运行。

3.3　充填开采技术的具体工作程序

（1）清理输送管道：在进行充填前，需要对管道进行疏通清理，具体方法是：在充填材料输送前，对管道进行输送清水，在确保清水输送无阻碍后方可进行充填材料的输送。

（2）充填材料的充填：地面制备好的充填材料（膏体、胶体等）缓缓输入输送管道，输送过程中需密切观察管道的输送情况，确保管道的通畅

无阻。

（3）充填的停止：当达到充填量时，迅速停止材料的输送。停止输送后需进行管道的清洗，以便下次使用。

4　结语

充填开采技术在国内众多煤矿的开采生产中得到了广泛的应用，充填开采技术有着很好的技术优势，一方面可以使得开采时所产生的煤矸石等废气固体材料得到重复利用，减少了资源的浪费，一方面在参与充填时对岩层的沉陷起到了很好的控制作用。随着大倾角煤层开采量的逐步增多，有理由相信充填开采技术在大倾角煤层开采中必定会得到更为广泛的应用。

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作者简介：牛彬（1964-），男，山西高平人，山西高平科兴平泉煤业有限公司助理工程师，研究方向：采矿工程。