我國充填開采技術發展現狀與展望

吳季洪

(山西大同大學， 山西 大同 037000)

我國作為煤炭大國，煤炭資源豐富，分布廣泛。煤炭是主要的基礎能源之一，為我國經濟提升、工業發展、社會進步等做出了巨大的貢獻。但是，常年進行大量的粗放式開采，使用落后的開采方式，對自然生態環境和生態系統造成了不可逆轉的破壞。如采用自然垮落法開采導致地表沉陷，對地面建筑物、河流、鐵路等造成破壞。研究數據表明，我國現有23個省(市區) 、151個縣(市區) 分布有采煤沉陷區，面積多達20 000 km2，一些城市的塌陷面積甚至超過了城市總面積的10%，嚴重影響了人民群眾的工作和生活，影響了社會發展與穩定[1]. 部分煤礦企業使用充填開采的方法來緩解煤炭開采對生態環境的破壞所造成的壓力，盡量減輕對環境的負荷。充填開采是一種綠色開采方式，利用開采過程中產生的固體廢料、城市垃圾等將其破碎制成物料再充入采空區，以減輕巖層移動范圍和幅度，進而控制地表沉陷，同時還將矸石等固體廢物進行利用，避免了環境的污染[2-4]. 在保護環境、提高生產效率等問題上，充填開采的綠色開采方法研究將會是今后的一個重要發展方向。在可持續發展，綠水青山就是金山銀山等先進理念和時代潮流背景下，舍棄部分經濟效益對維持必要的生態環境平衡和可持續發展將更具有長遠的意義。本文主要對充填開采的分類、技術發展歷程以及未來發展方向進行了論述和展望。

1 充填開采方法分類

現階段我國主要的充填開采方法有固體充填開采、膏體充填開采、覆巖離層注漿充填開采、高水材料充填開采等[5].

1.1 固體充填

固體充填開采技術是一種利用機械化的工藝向巷道或采空區充填矸石等固體物料來控制煤層頂板抑制上覆巖層移動，從而減弱地下開采活動對地面的影響，從根本上實現低生態環境損害開采。固體充填又可分為對采空區的充填和對巷道的充填，這兩種不同情況充填方式也不同。對采空區充填是將采煤過程、巷道掘進以及選洗過程產生的煤矸石進行破碎處理，配以黃沙、煤粉等物料，再通過運輸系統輸送至采空區進行充填，用機械化設備對其進行壓實處理，實現對采空區的有效充填，防止采空區下沉和地表沉陷。固體巷道充填是將巖巷掘進中產生的矸石在井下直接破碎后由輸送機輸送至巷道充填，防止巷道塌陷，為巷道安全運輸、通風、排水等提供保障。由于其對生態環境的低損害開采，固體充填技術在河北邢臺、山西陽泉、山東新汶礦區等地進行了推廣使用[5-6].

1.2 膏體充填

膏體充填是對煤矸石等固體廢棄物進行破碎處理，然后加入粉煤灰等，與水按照特定的比例混合攪拌成不需脫水的膏狀漿體，膏狀體通過管道運輸，用充填泵將其充入采空區，待其凝固后對上覆巖層形成有效支撐，達到控制地表沉陷的目的。該充填技術在濟寧、淄博等地進行了應用[6].

覆巖離層注漿充填屬于膏體充填的一種，煤層開采后，巖層下沉開裂過程中形成裂隙空間，通過高壓注漿泵，從地面打鉆孔至巖層裂隙處進行注漿充填，將減輕巖層進一步的下沉破裂，從而對整個巖體進行保護，將地表的沉陷控制在規定范圍內。安徽淮北礦業集團臨渙煤礦采用離層注漿充填開采效果顯著[6-7].

1.3 高水材料充填

高水材料充填技術是將特定配置材料和比例配制而成的高水材料通過管路運輸送至工作面進行充填，冷凝后作為堅硬固體能起到良好的支撐作用。由于其材料充填前的流動性好，故而可以通過管道運輸系統進行運輸，也可以直接通過地面鉆孔進行灌注，實現充填目的[8]. 由于其成本高，故一般只用于部分充填，沿空留巷等用料少的情況下使用。

1.4 其他分類情況

對充填開采考慮的角度不同，分類方式也不盡相同。按充填的動力來源可分為風力充填、水力充填、機械充填、矸石自溜充填等；按材料性質不同可分為矸石固體充填、膏體充填、高水材料充填等；按充填量的不同可分為部分充填、全部充填；按充填位置可分為采空區充填、垮落區充填、離層區充填等[9].

總之，考慮到礦井所在地的不同，區域經濟、生態環境、地質條件、資源賦存、產業特點以及開采程度、充填主要目的等情況也不盡相同，礦井應根據具體情況，選取相對合適的充填方法。

2 充填開采技術的發展

充填開采起初作為對開采生產過程中產生垃圾的排棄而產生，隨著采礦工業的發展而發展起來的一種綠色開采方式，在發展中與時俱進，經歷了從廢石干式充填法到水砂充填，到膠結充填，再到如今的膏體充填、塊石砂漿膠結充填和全尾礦膠結充填等演變。

2.1 國內外充填采礦發展歷程

充填采礦技術的發展經歷了4個發展階段，見圖1.

圖1 國內外充填采礦發展歷程圖

第一階段：國外在20世紀40年代前，以處理礦山固體廢料為主要目的干式廢石充填，采礦過程中產生的垃圾等堆積，嚴重影響礦區周圍環境，于是人們便想到將這些固體廢料運輸到采空區，以此來緩解垃圾對周圍環境污染的壓力，但此時并未對這些充填物料的各項物理性質進行了解和研究，只是作為一種垃圾進行處理。如澳大利亞北萊爾礦在20世紀初的廢石充填等[10]，國內相比于國外使用這種充填方式則還要晚十年左右，導致在20世紀充填開采方面落后于國外。

第二階段：20世紀40—50年代，在我國還處于充填開采的初始階段時，國外一些礦山已經逐漸開發和運用了水砂充填技術，這種技術的運用標志著充填開采被正式納入礦山開采的一部分，開始成為一個礦山開采的子系統而存在，而不僅僅只是處理礦山垃圾的一種方式。此時，開始了系統研究充填方法、充填工藝、充填材料的各種物理特性的開端。但是，水砂充填技術作為早期充填開采技術之一，本身也存在諸多不足，比如充填材料濃度很低，一般為60%～70%，并且需要脫水處理，給整個充填工作帶來更大的工作量，也讓充填效率并不理想。

第三階段：20世紀60—70年代，隨著采礦中高回采率和低貧化率的要求，水砂充填技術已經不足以滿足采礦要求。經過十年左右對充填開采的研究，逐漸形成了注重充填體材料特性，充填體與圍巖相互作用等方面的膠結充填技術。我國最初的膠結材料始于混凝土材料，因其對物料配比和制作工藝要求高以及材料成本較高，所以未能大面積推廣。基于此技術，其他優質材料取代混凝土作為新的充填材料，結合不同材料和膠結劑的特點，形成了各種各樣的膠結充填技術，其中較為突出的是細砂膠結充填技術。以尾礦、天然砂等物料和膠結劑(一般為水泥)制備成充填體，通過管道進行充填，因其膠結性較強并容易運輸，在80年代得到了較好的推廣與應用。

第四階段：20世紀80—90年代，此時我國和國外充填開采技術較為接近，均發展到了膏體充填、覆巖離層注漿充填、固體充填、高水充填等現代充填新技術階段。該階段已經形成了較為完善的充填體系，從充填物料的配置、特性研究、與巖層受力關系、理論受力力學分析、充填設備、充填工藝等方面均進行了研究。對于構建整個充填開采體系有很深遠的意義。

2.2 充填開采典型技術進展

經過上百年的探索與實踐，我國現已發展出不同種類、各有特點的充填技術，逐步形成了充填開采技術體系。依據礦井地質條件、開采條件以及經濟條件的不同應選取最合適的充填方法。因此不同的礦井選取的充填開采方法并非具體統一的標準和要求。各類充填方法在不同的條件下各自展現出巨大的活力。

2.2.1 膏體充填開采技術

膏體充填是充填開采的重要組成部分，其技術原理是:首先是進行常規的采煤工藝，在工作面推進設定的距離時，進行隔離處理，然后將充填物料按要求和比例充入采空區，待其凝固后便與周圍圍巖構成一體，對上覆巖層形成有效支撐。煤礦膏體充填采煤技術具有以下主要特點：1) 充填率高，充填材料凝固后強度大，減沉效果好。2) 物料利用率高，對環境保護效果好。3) 充填物料與周圍巖層形成體系，減少了沖擊地壓等情況發生，安全保障有了提高。4) 解放更多的煤炭資源，提高了煤炭采出率。5) 充填材料來源廣泛，且可以就地取材。6) 建設周期長，技術要求高[11].

中國礦業大學與濟寧太平煤礦合作開展了我國第一個固體廢棄物膏體充填開采技術研究與試驗工程，最早開始試驗膏體充填源于回收遺留煤柱問題，經過不斷發展和完善，其充填技術應用范圍不斷擴大，由置換條帶煤柱到地面高層建筑物壓煤開采再到下組煤底板承壓水上充填開采均取得了較好的試驗效果[12]. 但膏體材料制作成本高、凝固較慢，今后可重點對其材料配比及其理化特性進行研究，促進膏體充填技術發展。

膏體充填技術是礦區進行環境治理、提高煤炭回采率的一個重要方法，雖然其建設周期長，但建成之后對整個礦山開采系統都具有重要意義，能有效延長礦山壽命。其主要工藝流程見圖2.

圖2 膏體充填工藝流程圖

2.2.2 固體充填開采技術

固體充填基本技術原理是:工作面在正常進刀循環之后，充填支架支起上頂梁和水平后頂梁，在后頂梁下方懸掛群孔底缸進行物料充填，通過壓實機對其夯實，再循環直至物料密實率達到要求，有效實現對地面沉陷的控制。固體充填技術具有以下主要特點：1) 充填物料大小靈活，可實現對較大粒徑的運輸。2) 輸送系統安全可靠，輸送能力強。3) 卸料靈活多變，可單孔或多孔卸料，壓實率高。4) 采出率、資源利用率高[11-13].

固體物料充填的壓實率是衡量充填好壞的重要指標，但是壓實率很難達到百分之百，且需要花費額外時間來夯實充填材料。通常情況下，這種開采技術只適用于2.0～4.0 m厚度的煤層，如果想要在其他煤層中使用這種技術，則需要進一步對液壓支架、夯實設備等進行深入研究以制定可行的方案。目前綜合機械化固體工作面充填技術已在河北邢臺、開灤礦區，山東新汶礦區，山西陽泉、西山礦區等地推廣應用[14]. 固體充填采煤工藝見圖3[11].

圖3 固體充填采煤工藝圖

2.2.3 覆巖離層注漿充填技術

覆巖離層注漿充填技術實際屬于膏體充填的一種，其基本原理是將地面上配好的注漿材料通過打鉆孔注入覆巖離層區，該區是由于采空區上覆巖層斷裂形成的區域，將其充入注漿材料，使得巖層更加有韌性，并與預留煤柱形成共同承載體，防止巖層繼續斷裂垮塌。覆巖離層注漿充填技術具有以下主要特點：1) 制備系統簡單，材料流動特性要求高。2) 鉆孔參數確定的技術難度大。3) 注漿位置不易判斷，注漿時間、注漿壓力等不易把握。4) 提高了煤炭采出率，但仍存在永久隔離煤柱[11-14]. 總之,注漿充填能實現相對高效的采煤，適用于頂板巖層中有關鍵層的礦井。門克慶煤礦應用覆巖離層注漿充填工程曾解放146萬t壓煤，創收2億元，對蒙陜地區鐵路下采煤起到參考作用[15].

2.2.4 高水材料充填技術

高水材料是一種能夠快速凝固且防火的材料，被廣泛應用于巷旁支護及采空區防火等工程。高水材料的兩種料漿分別與水混合時不會發生凝結反應，但兩種料漿相互混合就會迅速發生反應，凝結硬化。高水材料與常規的混凝土充填相比具有以下特點：1) 漿體轉化為固體后，結石率大于85%. 2) 凝結速度快，早期強度高。3) 有充足的可縮量，最終強度足夠支撐下沉巖體。4) 有一定的微膨脹性，可保證充填體的密閉性。5) 單位體積充填材料用量少。其充填工藝見圖4[16].

圖4 高水材料充填工藝圖

高水材料可分為 A料、B料、加A料及加 B料4部分，分別制漿，利用兩套制漿設備，對兩種料分別進行攪拌，形成均勻漿液。用加A料和A料加水混合成A料漿，加B料和B料加水混合成B料漿，然后分別進行充分的攪拌，再通過充填泵用兩條輸送管道將漿液輸送到巷旁充填點，在充填點A料和B料混合，快速凝固成形[16]. 高水材料充填能夠解決地表沉陷問題，具有較好的流動性；可從地面直接打孔至采空區進行澆注，也可通過管路運輸，但由于該充填材料價格高，因此大多用其進行部分充填、巷旁支護，邯鄲、臨沂等礦區進行了應用。

3 我國充填開采未來展望

《非金屬礦行業綠色礦山建設規范》指出[17]：在礦山資源開采過程中要進行科學規范的開采，減少對周圍生態環境不必要的危害，將礦山建設和其周邊生態環境一體化，大力發展對綠色礦山的建設，將充填開采這一綠色開采模式上升至戰略定位，同國家宏觀調控、全面布局、精準施策等相結合，煤礦充填開采必將繼續對綠色礦山建設和基礎能源、工業發展貢獻一份力量。

3.1 基于充填開采的綠色礦山建設

根據煤炭行業現在的要求和目前的發展狀況，從礦山建設之初就應該將充填開采技術納入到整個開采生產的過程當中去。從“三下壓煤”、地表沉陷、環境破壞等問題入手，將煤炭開采與生態環境問題有機結合，使其成為煤礦保護生態環境的調節工具，統一設計，精準充填，綠色開采，向建設綠色、安全、高效、智能的現代化礦山邁進。

3.2 構建高效的充填體系

要想構建健全的充填開采工藝，必須要清楚影響充填效果的各類因素，對其運用控制變量等科學方法進行研究。學習和發展礦山壓力等理論力學相關知識，為充填開采提供理論依據。將當下充填技術同人工智能、物聯網、大數據等技術相結合，以最終實現智能化充填甚至是無人充填等新技術為目標[18].

3.3 “采選充留”一體化技術

煤矸石是采煤過程的伴生物，對于煤矸石的正確處理一直是采煤過程的重要一環，稍有不慎就會對環境造成污染，也增加了選洗難度和運輸成本，增加噸煤成本。因此出現了“選采充留”一體化的技術，即“自動化開采，井下矸石分選，井下就近充填，沿空留巷”一體化開采，這項技術既提高了生產效率也加強了安全保障[19].

3.4 新型充填材料的研發和利用

充填材料是制約充填開采發展和推廣的重要因素，隨著煤炭開采而采出的矸石約占20%，因此不足以滿足充填條件。因此，首先要研究高質量低成本的新型環保充填材料；其次要利用現場或者就近可用于充填的資源，如河沙、廢石、城市固體垃圾等，按照生態環境要求統一規劃；最后，可利用數量大且穩定的金屬礦山尾礦進行充填。

4 結 語

經過了幾十年的發展，充填技術經歷了從以處理固體廢料垃圾為主到防止地表沉陷、從低效耗能到高效清潔的轉變和發展，不僅從源頭上保護了生態環境，同時也解放了更多“三下”壓煤，提高了煤炭回采率，是當代礦山實現綠色開采、智能化等的一項重要技術。實施推廣充填開采技術對于我國現代化礦山建設具有很重要的意義，將帶來巨大的經濟和環境效益。本文從綠色開采技術和生態環境保護方面出發，回顧了充填開采發展歷程，簡述了充填開采技術分類，膏體充填、固體充填、高水充填等技術原理和特點。基于充填開采對我國未來礦山建設從綠色礦山、充填體系、“采選充留”一體化技術、新型充填材料研發和利用等方面進行了展望，為我國綠色礦山、智慧礦山建設提供了思路。