煤礦開采沉陷的部分充填開采技術

李 勱

(太原正越工程設計有限公司，山西 太原 030001)

我國煤礦開采工作主要采用井工開采方式，垮落法管理頂板，隨著地下煤炭開采量逐年增多，在地下形成了大量采空區，若采空區的地下結構發生失穩或強度明顯下降的問題，或維護結構自身存在不足，地表底層附著于上部的建筑物就可能出現沉陷問題，進而引發房屋開裂下沉，最終造成嚴重的安全隱患。相應的，煤礦開采工作中也出現了較為明顯的地質沉陷問題，會產生地下水下滲的情況，極大程度地影響了地表生態。

1 煤礦開采沉陷的影響

煤礦開采工作主要集中于地下，需要挖掘并搬運地表層下的煤炭資源。在挖掘和傳輸支撐地殼平衡的煤礦后，會破壞地層結構，從而產生地質沉陷問題。如煤礦開采上方有建筑物，則會直接破壞建筑物的穩定性，進而引發嚴重的安全和質量隱患。若想規避安全事故，就應在煤礦開采前，拆除地質上方的建筑物，而這也需要投入更高的采礦成本，無法保障煤礦開采工作的經濟效益。與此同時，長時間開采煤礦也會對地表生態系統產生不利影響，甚至是引發嚴重的自然災害。若想在煤礦開采后恢復地表生態，則需要消耗較多的人力、物力和財力等資源，會影響采煤單位的效益。為此，有關部門一方面要高度關注采礦人員的人身安全，另一方面也需大力保障生態環境的穩定發展[1]。

2 充填開采技術概述

依據煤礦開采方式和填充漿料的濃度來劃分，充填開采技術分為膏體充填技術、高濃度充填技術、低濃度充填技術、非膠結充填技術、膠結充填技術。以開采位置和開采區域分類，主要分為采空區域充填技術、冒落充填技術、離層區域充填技術。在填充設計中，既要考慮采空區塌陷對環境產生的負面影響，又需考量填充技術技術及成本，必須全方位、科學選用填充工藝[2]。

3 煤礦充填開采技術現狀

填充技術在金屬礦石開采中得到廣泛應用，該技術進入到成熟期。但在煤礦開采中，該技術依然處于發展初期。這主要是因為煤礦是層狀巖石層，開采可能會破壞巖石，引發巖石移動。在煤礦開采中利用填充技術所需解決的問題與金屬礦石存在較大的差異。據相關研究顯示，我國采煤后填充沉陷區域的方法依然選擇傳統的模式，某礦結合傾斜上行水砂填充長壁采煤方式開采了工廠的保護煤柱。對此，我國學習和借鑒了國外的先進經驗，以完善填充技術，規避開采煤礦后產生的大面積地表沉陷問題。

技術發展中，為有效解決水砂填充中泌水和隔離排水系統建設問題，德國在20世紀80年代就研制了新型的采礦技術。該項技術能夠合理利用沉陷部位的填充料制作不泌水的牙膏狀漿體。之后以較低流速在建設泵的支持下，將材料輸送至沉陷區域，以此提高填充效率，縮短填充料凝結的時間。

但是依據目前實際情況來看，我國對煤礦的需求量顯著升高，國內開采煤礦后引發的沉陷問題日益嚴重，且地質概況也存在明顯差異，對填充方法也提出了不同的要求。若統一使用相同的施工方法，則不能達到預期的目標。據相關調查顯示，我國現階段約有1500座煤礦矸石山，煤礦開采時可能產生較多的矸石，而矸石堆積又會消耗大量的土地資源，破壞當地的生態環境，進而引發環境污染問題。所以，認真分析煤礦開采后的填充方法和技術，也可有效解決生態環境問題，促使綠色資源的有序開采。

4 部分填充開采技術分析

4.1 覆巖離層注漿技術

實踐發現，覆巖離層主要位于關鍵層，在相鄰相關層斷裂中并未出現離層。該技術是按照過往經驗和規律，明確覆巖離層的位置和離層梁，進而合理掌控注漿的時間，優化注漿質量。關鍵層接近初次破裂時是最好的時間，關鍵層與初次破裂接近時的離層最大，因此可采用箱內注漿的施工方法。而若關鍵層破裂，則注漿的難度會隨之加大。此時，離層量會隨之減少。離層填充材料具有特殊性，主要為非固結性材料，底濃度漿液也會隨采面向前緩慢流動[3]。

在研究中，關鍵層第一次破裂問題的控制是當前尤為重要的內容，如關鍵層下方離層處在空洞狀態，且在關鍵層首次破裂前，則無法保證填充效果。填充漿液無法對關鍵層起到支撐效果。相關人員采用上述方式解決了這一問題。這種方法主要是利用關鍵層第一次破裂時承受的最大跨距，切實加強采面的分區處理。利用區間跳采方式能夠使漿液填不同離層，防止關鍵層脫落，確保關鍵層的穩定性。

4.2 采空區膏體條帶技術

嚴格控制地表淪陷，覆巖主關鍵層初次破裂的跨度不得小于未填充的采空區，使填充條帶處于長期穩定的狀態。但是煤層采出后，頂板冒落前采空區的膏體帶填充和構筑間的填充能夠支持覆巖石。采空區膏體條帶填充原理示意圖，如圖1所示。

圖1 采空區膏體條帶填充原理示意圖

采空區條帶填充技術有兩種，一種是隔條帶充填開采短壁間方法。如圖2所示，開采布置短帶壁條工作面，工作面間應間隔填充。圖2中的數字主要指不同工作面開采的順序。另外一種相對簡單的方法是長壁條帶充填開采，長壁工作面是需要布置的工作面，僅需在采空區間順著推進方向建設填充袋，該開采模式廣泛應用于多個礦區[4]。

圖2 隔條帶充填開采短壁間方法示意圖

如某煤礦首次開采的地面建筑物壓煤量。結合過往經驗，合理利用概率積分法，幾率可達到68%以上，若想讓地面變形破壞等級不超過一級，則可在處理中采用40 m～60 m的條帶開采。但是該方法不具有煤炭回采的功能。在該地區主要使用短壁間隔條帶填充，嚴格把控開采沉陷，并對此進行深入的模擬和研究，希望全方位提高煤炭回采率。采寬短壁間隔條帶充填開采方案可替代原有的開采方案，但應確保其具有厚度為20 m的主關鍵層，該處理方式能夠使成本降低4層～5層，而且煤炭采出率也提高4成左右，具有較為理想的推廣應用價值。

4.3 條帶開采冒落區注漿技術

建筑物壓煤條帶開采是條帶開采冒落區注漿填充。該方法需在地面或井下使用破碎石子填充，如圖3所示，當中所展示的填充破碎矸石空隙。該技術主要利用填充材料及冒落區的石頭共同構成相同的承受體，所以可適度縮短留條的寬度，該操作可有效減少資源的消耗。不僅如此，該方法也可減輕建筑物承受的荷載，控制由于自重過大所引發的變形問題，全面維護施工操作的安全性。該技術的優勢特點也為煤碳再利用奠定了堅實的基礎。

圖3 充填破碎矸石空隙

條帶開采冒落區注漿技術存在十分顯著的不足采。其中，煤炭出率較低是十分顯著的不足，具體的煤炭出采率僅在50%以下。對此，相關人員需要不斷優化和完善相關技術。條帶冒落區主要是基于條帶采出后，可在巖層內形成該區域，因此其承載力較差。作業人員可于兩側設置煤柱，以此承受上部巖層的大部分重量。地表淪陷主要表現在煤柱和上方巖柱上的負荷，進而致使煤巖柱壓縮變形，產生一定的安全隱患，為整體煤礦開采工作帶來麻煩。

5 煤礦開采的展望

在我國經濟發展中，能源需求顯著增加，因此，不同的結構也需要適應不同的要求，以此保障生產安全，按照基礎應用的作用和功能體現其生產保障價值。在現代化煤礦業發展中，需要結合實際情況，推動行業結構形態建設的全面發展。使用開采技術時，要求人員認真分析采煤工作面的生產能力，考慮到生產效益與環境效益，有效控制生產成本。目前，條帶開采技術主要應用于建筑物下壓煤開采之中，該技術的開采率較低，僅為30%～50%。條帶開采后地表下沉，于采空區及上部特定的空間中形成了冒落區。條帶冒落區承載能力喪失后，可將上部巖層的荷載直接轉移至兩側留置的煤巖柱上，最終在壓縮變形后便會引發地表沉陷問題[5]。

在填充過程中，部分填充僅需要填充采空區局部或離層區和冒落區，主要依據覆巖關鍵層結構、填充題和部分煤柱承受控制開采沉陷，有效減輕了充填工作的壓力，減少了材料的用量，同時也達到了成本控制的目的。部分充填開采技術在煤礦填充材料數量不多，或采煤工作面生產能力較大的區域較為常見，并且也成為煤礦低成本填充技術的主要發展趨勢。

煤礦開采相關企業需要高效利用現有技術，明確煤礦開發方向，做好安全生產應用規劃工作。現代采煤技術發展中，科學開發井下煤炭生產技術能夠有效保證基礎生產結構的科學性與穩定性，將規劃建設落到實處。此外，在現代化生產建設中，為改善煤礦安全生產現代化建設的水平，還需要在現代化生產中高度重視每層開采沉陷建設，以此為安全生產奠定堅實的基礎。

6 結語

綜上所述，嚴格控制煤礦開采引起的開采淪陷有利于綠色煤礦的發展。部分充填技術能夠有效解決地質淪陷，規避結構受損，同時也可達到保護土地資源的目的，促進煤礦行業的綠色開發。對此，相關部門需深入了解和掌握該項技術，該技術一方面能夠合理開采資源，另一方面也可推動煤礦開采業的全方位發展，降低開采成本，產生較高的經濟效益，同時維護環境效益。大范圍應用該技術也成為了未來行業發展主流趨勢，具有廣闊的發展前景。