充填采礦法與礦層移動控制研究

李濤濤

（河南工業和信息化職業學院，河南 焦作 454000）

為了提高“三下”壓礦（鐵路下、水體下、建筑物下）的采出率和對地表沉陷的控制，充填系統要將充填材料填運送至采空區，并且要對其壓實，使其在頂板下沉之前具有一定的強度，進行充填壓實填充材料的過程中要盡量避免影響正常的采礦作業，這樣才能起到支撐頂板減小地表沉陷且又進行安全采礦作業的目的[1]。本文介紹了充填采礦法的主要方法，根據等價采高理論找到影響充填效果的關鍵因素。

1 充填采礦法

充填采礦法是利用井下采空區處理本來要提升到地面準備丟棄的矸石，變廢為寶，在減少地面固體廢棄物的同時，減輕地面沉降，釋放“三下”壓礦，提高礦石回收率，減少礦石開采過程中造成的環境污染，實現礦山資源的可持續利用。

（1）充填采礦法系統。矸石是充填采礦法的主要填充材料，通過地面礦車、礦井提升機運送至井下，經井下礦車，膠帶運輸機、轉載機等設備運輸至充填工作面，最后通過液壓支架尾部的底卸式充填刮板輸送機運送至需要填充的部位，矸石在夯實機構的作用下變得密實，從而具有一定的強度。

（2）充填采礦法的主要設備。在充填采礦法技術中，矸石充填系統的主要設備包括充填采礦液壓支架、卸式充填刮板輸輸送機、可移動轉載機等。填液壓支架除了具有普通液壓支架的功能外，還為充填工藝工程提供工作空間，為采礦工作面和采空區充填矸石提供保護；多孔底卸式刮板輸送機把矸石等充填材料合理的分配充填入采空區；可移動轉載機能夠把充填蔡材料從膠帶運輸機轉載到多孔底卸式刮板輸送機，可以根據工作面的推進情況進行移動，增加了設備的適應性。

（3）充填采礦法工藝。通過液壓缸將底卸式刮板輸送機吊架移至支架后頂梁末端，開始充填作業，4個底卸式刮板輸送機的卸料孔為一組，當充填物料從第一個卸料孔卸載一定量后停止卸料，對應的支架夯實機構開始夯實，有序的將卸料孔分別進行關閉和打開，關閉一個的同時打開另一個進行卸料，當卸載一定量的物料后關閉第二個卸料孔開啟第二卸料孔對應的液壓夯實機構進行夯實作業，與此同時開啟第一個卸料孔對用夯實機構剛夯實過的空間卸料，經過幾個卸料與夯實工作反復循環作業，當采空區矸石接觸到頂板且矸石具有一定的密實度后，結束該輪充填工作，通過液壓缸將底卸式刮板輸送機吊架沿著后頂梁的吊架槽向前移動一個步距，用夯實機構把支架后方的矸石推向后上部，使其充分接觸頂板并壓實，最后將刮板輸送機吊架再次移到支架后頂梁末端，開始新的一輪充填。

2 充填采礦巖層移動計算的等價采高理論

2.1 充填采礦巖層移動規律

在充填開采過程中，充填體作為采空區主體支撐上覆巖層的主要荷載，在很大程度上改變了覆巖移動，因此，與傳統開采相比，巖層移動特征、地層壓力和開采控制發生了重大變化：

（1）充填采礦可以使上覆巖層不形成垮落帶，很大程度減小了頂板裂縫的影響高度。使用垮落法管理頂板的綜采采礦工藝，采高的大小對采空區上覆巖層被破壞有直接的作用，采高越大上覆巖層被破壞的就越厲害，相反破壞就會小。在有矸石充填采空區的充填開采過程中，充填材料能夠及時的填充到采空區，并具有一定的強度，大大改善采空區頂板的受力條件，使其沒有垮落帶形成，這樣上部頂板裂縫的影響高度也將變小，條件好的頂板甚至沒有裂縫。因此，充填采礦可以使上覆巖層不形成垮落帶，很大程度減小了頂板裂縫的影響高度。

（2）充填采礦對減小礦山壓力顯現強度作用明顯。充填采礦工作面采用充填液壓支架，在充填采礦過程中，采空區用充填材料填實，礦體、圍巖和填充材料共同支撐上部覆巖，改善了礦體和圍巖的受力情況，本來僅僅由采空區周圍礦巖控制的壓力改由填充材料和周圍礦巖共同控制，能夠有效的分散頂板壓力，有效的控制頂板下沉和底板隆起；改善巖層的受力情況，減小采礦工作面礦山壓力[2]。

（3）采空區充填可以減少地表沉陷。礦層開采后填充材料并使材料具有一定強度，礦層采高相當于被縮小了，采空區充填矸石可以有效控制地表沉陷。

2.2 等價采高理論

在礦山開采過程中，礦層厚度是影響巖層移動、礦山壓力顯現與地表沉陷等的主要因素，而在充填采礦過程中，采空區被充填材料所填充，填充后的矸石占據采空區上部巖層垮落時一部分的空間，這樣巖層的垮落程度就會降低，填充的矸石可以轉換成礦層厚度，這部分“礦層”將不再開采，這樣將會降低實際的開采高度。等價采高為采礦工作面實際采礦高度減去固體充填體被頂板壓實后的高度所示。

等價采高計算公式見式（1）：

式中，HZ—等價采高；hq—充填欠接頂量；h—實際采高；v—充填材料的松散系數；v’—充填材料的壓實系數。

由式（1）可知：假定充填法采礦的采礦高度為h，由于充填材料接觸不到頂板和松散體碎脹率等因素，被充填后的采空區覆巖頂板會隨著時間的推移形成一定的下沉量，因此，實際采出礦層的厚度為h而在效果上不等價于。

但在公式（1）中，主要考慮了充填材料沒有接觸到頂板和松散材料的碎脹率等因素，但由于充填之前采空區的頂板已經有不同程度的下沉量，且在工程實踐中矸石等松散體的碎脹系數難以被測出來，因此確定等價采高具有一定的難度。

根據實際情況，我們對公式（1）進行修正。在充填采礦過程中，上覆巖層運動變形是一個不間斷的過程，等價采高HZ的大小等于該變化過程頂板的最終下沉量hd的大小，頂板最終沉降的hd與充填材料的力學性能、礦山地質條件、充填設備和工藝等有關，其中關鍵因素包含頂板提前下沉量h1、欠接頂量hq、充填體的壓縮量hk等三個參量，因此公式（1）可以修正為：

其中頂板提前下沉量ht、欠接頂量hq均可以通過現場實測得到，而充填體的最終壓縮量可以根據試驗得到的充填體的應力-應變關系曲線得出。充填體壓實率η的概念：壓實率是指被測材料四周被限制的條件下，在垂直應力作用下充填體最大壓縮量與充填體受力之前高度的比值，因此，hk可表示為：

因此，將式（3）代入式（2）可得充填采礦中等價采高的最終表達式為：

從式（4）可以得出，充填采礦中等價采高主要由頂板提前下沉量ht、欠接頂量hq、充填體的壓實率η等三個關鍵參量控制。

3 小結

本文主要介紹了充填采礦方法，根據矸石充填采礦巖層移動控制規律，通過等價采高理論找到了控制巖層移動與地表沉陷的關鍵因素。

降低充填開采的等效采高是可以達到上述目的，可以通過減小充填之前頂板的下沉量ht、減小矸石欠接頂量hq和增大矸石的壓實率η來實現。