充填采煤技术现状与展望

许家林，轩大洋，朱卫兵

(1.煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 江苏徐州市 221116;2.中国矿业大学矿业工程学院， 江苏徐州市 221116)

充填采煤技术现状与展望

许家林1，2，轩大洋1，2，朱卫兵1，2

(1.煤炭资源与安全开采国家重点实验室， 江苏徐州市 221116;2.中国矿业大学矿业工程学院， 江苏徐州市 221116)

分析了煤矿充填开采技术的特点，介绍了目前煤矿充填开采技术现状，包括膏体充填采煤技术、矸石充填采煤技术、高水材料充填采煤技术、部分充填采煤技术。在分析充填采煤技术现状的基础上，提出煤矿充填开采技术应着重解决充填采煤能力不足问题，即通过合理充填工艺模式的改进提高充填效率和充填能力。同时应深入研究充填采煤岩层移动与地表沉陷规律，为充填采煤设计提供理论基础。

充填采煤;岩层控制;“三下一上”采煤;绿色开采

充填开采是煤矿绿色开采技术体系的主要内容之一[1～6]，因其对岩层扰动小，具有控制岩层移动与地表沉陷的作用，是解决煤矿开采环境问题和“三下一上”(建筑物下、铁路下、水体下和承压含水层上)压煤开采问题的有效途径。充填采煤技术近年来受到了广泛关注与重视[1～32]。虽然我国早在1960年代即开始了水砂充填采煤，但机械化程度与生产效率较低，缺乏对充填材料、充填工艺、充填开采岩层控制方面的系统研究。系统而有规模地进行煤矿充填开采的理论研究与工业试验则是从近几年开始的，目前仍处于试验与发展之中。

本文从充填采煤技术特点出发，介绍了充填采煤技术现状，展望了未来充填采煤的发展前景。

1 充填采煤技术特点

1.1 充填采煤技术特点

近几十年来，充填开采在金属矿山的推广应用获得长足进步，但在煤矿还没有得到广泛使用，这与煤矿采用充填开采的特殊条件密不可分。与金属矿充填开采相比，煤矿充填开采的特点主要表现在:

(1)采煤生产能力与充填生产能力均衡问题。众所周知，充填开采中，采矿和充填互相制约，不继续采矿就无处充填，不充填也就不能采矿，使得由采矿和充填这两个作业环节组成的回采作业大循环共同决定矿井的开采。因此，只有实现采矿和充填的均衡，充填技术才有生命力，才会在矿山有效应用。

事实上，采煤生产能力与充填生产能力均衡问题非常突出，即目前充填生产能力与采煤生产能力无法相匹配。与金属矿山炮采工艺相比，煤炭地下采矿法早就实现综合机械化，即落煤、装煤、运煤、支护和放顶五道工序全部采用机械化作业，出现了工作面年单产百万吨以上甚至千万吨的地下特大型矿山。因此，煤矿的充填技术必须适应高产高效的发展。但是目前的充填能力一般无法与高产高效的采煤技术相匹配。

(2)充填材料供需均衡问题。金属矿山一般采用掘进废石、尾砂(约占矿石开采量的50% ～99%)、冶炼炉渣等废弃物作为充填料，完全解决了充填材料供需均衡的问题。同金属矿相比，煤矿自身工业废弃物比例小，煤矿的矸石一般仅为煤炭开采量的15%左右，采空区全部充填难以解决充填材料来源困难的问题。因此，寻找丰富低廉的合适充填材料满足回填空间的要求，解决充填材料供需均衡问题是充填采煤方法成功应用的一个必要条件。

(3)充填成本与采矿效益均衡问题。充填开采与其他开采方法相比，最大限度地采出了地下煤炭资源、保证了安全生产、增加了矿山经济效益。但充填开采需要增设充填设备、增加充填工序，矿山必须为此支出充填成本。

充填成本与采矿效益均衡问题就是:充填开采中因充填而增加的经济效益能否抵消充填成本?就我国煤矿充填而言，只有当充填成本小于因开采引起的土地破坏和村庄搬迁赔偿费用时，充填成本与采矿效益才实现均衡，充填技术才会在煤矿得到有效应用。

研究表明[5～6]，村庄每户压煤量越大(如厚煤层条件)，充填开采较村庄搬迁开采的适应性越差。充填开采在薄及中厚煤层的密集建筑物条件下(此时每户压煤量相对较小)的适应性要好于在厚煤层的非密集建筑条件。

(4)煤系地层采后岩层移动与破坏规律复杂，充填作业时空受限。金属矿脉及其顶底板一般都属于硬岩，矿石被采出后留下的地下空间在相当长时间内可以保持稳定，因此，其充填的空间非常规则和完整，而且充填的顶板岩体运动控制十分简单，基本可以实现采矿与充填作业的分离，充填与采矿作业相互干扰相对较小。而煤炭资源分布在层状沉积岩层中，采用长壁垮落法开采时采空区覆岩随采随垮，难以维护充填所需的空间与通道，而顶板岩体运动控制困难，可进行充填作业的时间极短。煤矿充填与采矿作业相互干扰严重。

1.2 充填采煤方法分类

煤矿充填开采方法按充填介质类型及其运送时的物相状态，可以分为:水砂充填、膏体充填、矸石充填、高水材料充填。

按照运送充填材料动力不同，可分为:自溜充填、风力充填、机械充填、水力充填。自溜充填，即利用充填料本身的自重沿管、槽或巷道将充填料溜送至采空区;风力充填，即利用压缩空气为动力沿管道或借助风力充填机将充填料运送至采空区;机械充填，即利用专用投掷机将充填物料抛至采空区。上述3种方法的充填料一般是干的固体松散废弃物，所以又统称为干式充填。水力充填，是利用水为动力沿管将充填料充入采空区。水力充填按充填料浆的浓度大小，又可分为:低浓度充填、高浓度充填和膏体充填。按充填料浆是否胶结，煤矿充填开采可分为:胶结充填、非胶结充填。

按充填位置，煤矿充填开采方法可分为:采空区充填，即在煤层采出后顶板未冒落前的采空区域进行充填;冒落区充填，即在煤层采出后顶板已冒落的破碎矸石中进行注浆充填;离层区充填，即在煤层采出后覆岩离层空洞区域进行注浆充填。一般情况下，采空区充填宜采用高浓度或膏体的胶结充填，离层区充填和冒落区充填宜采用低浓度充填。

按充填量和充填范围占采出煤层的比例，煤矿充填开采方法可分为:全部充填与部分充填。全部充填开采即在煤层采出后顶板未冒落前，对所有采空区域进行充填，充填量和充填范围与采出煤量大体一致。部分充填开采，是相对全部充填而言的，其充填量和充填范围仅是采出煤量的一部分。

充填采煤方法的分类如图1所示。

图1 充填采煤方法分类

2 充填采煤技术现状

2.1 膏体充填采煤技术

膏体充填采煤技术就是把煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、河砂、风积砂、工业炉渣、劣质土、城市固体垃圾等在地面加工制作成不需要脱水处理的牙膏状浆体，采用充填泵或重力加压，通过管道输送到井下，适时充填采空区的开采方法[8～13]。

与金属矿山膏体充填相比，煤矿膏体充填开采具有如下特点:充填与采煤在同一个工作面，充填体构筑方法不同于金属矿山，煤矿需要发展专门膏体充填隔离支架;充填材料强度性能要求不同，煤矿充填以后数小时后就要求充填体承载;煤矿膏充填原料主要是煤矸石、坑口电厂低质粉煤灰等，材料品质差，质量波动大。

典型的膏体充填系统由以下三部分组成:配料制浆系统、泵送系统和工作面充填子系统。配料制浆系统把煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、胶结料和水配制成膏体充填料浆;泵送系统采用充填泵把膏体充填料浆通过充填管路由地面输送到井下采煤工作面;工作面充填子系统将膏体材料充填到后方采空区。典型的膏体充填系统如图2、图3所示。

膏体充填具有料浆流动性好、密实度高、充填体强度高的优势，故其对岩层移动与地表沉陷的控制效果较好。但其充填系统初期投资较高，一般达3000万元左右;吨煤充填成本相对较高，一般达60～100元/t。膏体充填技术在金属矿山已经有近30年的发展历史，在煤矿应用最早的是德国，我国煤矿于2004年开始在峰峰、焦作、淄博等矿区开展膏体充填采煤试验研究和应用，表1为膏体充填采煤技术在部分煤矿中的应用情况。

图2 膏体充填系统[9]

图3 综采膏体充填工作面设备布置[10]

表1 膏体充填采煤应用项目

2.2 矸石充填采煤技术

矸石充填采煤法是利用风力、重力、机械等动力将充填材料煤矸石抛入或输入采空区的充填采煤方法。根据充填料充填采空区的动力方式来划分，矸石充填方法包括人工充填、自溜充填、风力充填、机械充填。不同的充填系统的充填料一般由矸石、砂子、采石场碎石及粉煤灰等组成，但成分以煤矸石为主，一般不需要加入胶结料或其他添加剂。人工矸石充填因其生产能力小、效率低、劳动强度大，与回采工艺适应性较差，故很少采用。矸石自溜充填只能在急倾斜煤层中应用，淮南、北京、北票及中梁山等矿区曾应用过这种充填开采方法。机械化矸石充填又根据工作面采煤工艺不同分为普通机械化矸石充填和综合机械化矸石充填2种类型，前者主要应用于炮采、普采工作面，后者应用于综采工作面。

普通机械化矸石充填工艺特点是多采用专门的机具(如抛矸机等)将矸石抛射向采空区进行充填。新汶矿业集团泉沟煤矿于2006年最早开始试验和使用这种充填采煤法。该法利用井下矸石充填采空区，充填系统简单，装备投资少，多用于薄及中厚煤层普采或炮采工作面回收井筒煤柱、工业场地煤柱，煤层有一定倾角有利于充填矸石密实[14，15]。

综合机械化矸石充填采煤[8，16～18]，是指在综合机械化采煤作业面上同时实现综合机械化矸石充填作业。实现充填采煤的技术难点是要解决实施充填的充填空间、充填通道和充填动力问题。该技术可实现在同一液压支架掩护下采煤与充填并行作业，且采煤与运煤系统布置与传统综采完全相同。为实现矸石从地面运至充填工作面的高效连续充填，需布置1个充填运输系统。

图4 普通机械化矸石充填工作面布置[15]

充填装备由后端带悬梁的自移式液压支架和充填刮板输送机组成。充填输送机中部溜槽内设置溜矸孔，溜矸孔开在溜槽的中板上。在溜矸帮上增设带插板的插槽，以控制矸石的充填顺序和范围。刮板机上链运输矸石充填，下链推平矸石。进行充填时，每次打开2个溜矸孔，自下而上地进行充填。采空区充填完毕后，随工作面采煤机割煤及支架推移进入下一个循环。为了减少充填矸石的压缩量以实现更好的减沉效果，支架后部增设了液压夯实装置，如图5所示。

图5 综合机械化矸石充填工作面布置

该充填系统相对简单，机械化程度高，充填系统的初期投资较膏体充填低，一般小于1000万元，吨煤充填成本相对较低，一般为40～80元;但矸石充填的密实度相对较低，对岩层移动与地表沉陷的控制效果不如膏体充填。目前综合机械化充填采煤技术已在新汶、淮北、皖北、平顶山等矿区开展试验和推广应用，表2为矸石充填采煤技术在部分煤矿中的应用情况。

表2 矸石充填采煤应用项目

2.3 高水材料充填采煤技术

高水速凝固结材料(简称高水材料)是一种胶凝材料，由A、B 2种材料构成，主要包括高铝水泥、石灰、石膏、速凝剂、解凝剂、悬浮剂等组分[19]。其具有固水能力强、单浆悬浮性和流动性强、凝固速度快、强度增长速度快等特点，可以将高比例的水迅速凝固成具有一定承载能力的固体。使用时，A、B料以1∶1比例混合配制成浆液，体积含水率达85% ～97%，在5～30 min内凝固、硬化，最终形成坚固的高含水固体。

典型的高水材料充填采煤系统如图6所示。该系统可置于井下或者地面。使用时，A、B浆液分别进行配制，配制的单浆液分别进入缓冲池。待A、B缓冲池分别储存一定量的单浆液后，通过专用管路同时将A、B浆液输送到工作面，然后进行混合，并随工作面推进，将混合浆液注入采空区[20～22]。

图6 高水材料充填系统及开放工充填工艺[20]

与其它充填技术相比，高水材料充填采煤具有以下优点:由于其用水量高，故所需固体材料少，一方面克服了煤矿固体充填材料缺乏的问题，另一方面，简化了其他充填技术所需的庞大充填系统;由于所需固料少，对矿井辅助运输影响基本没有;充填系统简单且初期投资少，一般小于500万元，充填料浆流动性好，不易堵管，工作面不泌水。但该技术最大的缺点是高水材料抗风化及抗高温性能差，充填材料长期稳定性差。

目前，该项技术正在陶一煤矿、田庄煤矿、邢东煤矿、城郊煤矿、淄博市王庄煤矿、淄博矿业集团埠村煤矿等矿井推广试验和应用。表3为高水材料充填采煤技术在部分煤矿中的应用情况。

表3 高水材料充填采煤应用项目

2.4 部分充填采煤技术

(1)部分充填开采的概念。部分充填开采，是相对全部充填开采而言的，其充填量和充填范围仅是采出煤量的一部分，仅对采空区的局部或离层区与冒落区进行充填，靠覆岩结构、充填体及部分煤柱共同支撑覆岩控制开采沉陷[6]。全部充填的位置只能是采空区，而部分充填的位置可以是采空区、离层区或冒落区。

部分充填采煤法与全部充填采煤法的本质区别是:后者完全靠采空区充填体支撑上覆岩层控制开采沉陷，而前者靠覆岩结构、充填体及部分煤柱共同支撑覆岩来控制开采沉陷。其特点在于:充分利用了覆岩结构的自承载能力，减少了充填量，降低了充填开采成本。部分充填开采技术的优势是降低了充填成本，提高了充填采煤效益。

按部分充填的位置与充填时机不同，煤矿部分充填开采分为[6]:采空区条带充填技术、冒落区注浆充填技术、离层区注浆充填技术等。

(2)采空区条带充填开采技术。采空区条带充填就是在煤层采出后顶板冒落前，采用胶结材料对采空区的一部分空间进行充填，构筑相间的充填条带，靠充填条带支撑覆岩控制地表沉陷。其技术原理[23]是:采用条带充填体置换条带开采留设的煤柱，只要保证未充填采空区的宽度小于覆岩关键层的初次破断跨距，覆岩关键层保持稳定不破断，且充填条带能保持长期稳定，就可有效控制地表沉陷。采空区条带充填开采技术有2种模式，长壁条带充填和短壁间隔条带充填。

(3)冒落区注浆充填开采技术。冒落区充填技术是指在采空区冒落矸石之间的空隙未被压实之前及时地注入浆液进行充填，充填浆液与冒落共同支撑上覆岩层[24]。该技术可分为长壁开采冒落区注浆充填、房柱式冒落区注浆充填和条带开采冒落区注浆充填。

长壁开采冒落区注浆充填技术主要应用于德国、波兰[25]，在我国尚未使用。根据波兰经验，长壁冒落区注浆充填率为20% ～30%，地表下沉系数由不充填的 0.7 ～0.8 减少为 0.4 ～0.5，充填增加吨煤成本24～32元。房柱式冒落区注浆充填技术主要应用于美国、加拿大等国。房柱式开采后，对冒落的矿房进行注浆充填加固，最后回采部分煤柱，使回采率得到提高。

条带开采冒落区注浆充填技术[26～28]是:在条带开采情况下，对采出条带冒落区实施注浆充填，加固破碎岩石，使得采出条带冒落区重新发挥承载作用，有效减轻留设条带煤柱及其上方岩柱上所承受的载荷，减小其压缩变形，从而减缓覆岩移动向地表的传播，减小地表移动变形值;充填材料与冒落矸石形成的共同承载体后，可以减小留设条带宽度，达到提高资源回采率的目的。该技术常用的模式有:随采随充;冒落条带封闭集中充填。

随冒随充工艺方案是把充填管道布置到采煤工作面冒落区底板，充填管随工作面推进拖动前移，在顶板冒落矸石未压实之前把非胶结性粉煤灰充填料浆压入矸石空隙。冒落条带封闭集中充填工艺为:条带开采顺序由低向高开采，先采完较低条带，对较低条带进行封闭;利用较高的相邻条带机巷施工充填钻孔，往已开采条带冒落区充填粉煤灰料浆。

(4)离层区注浆充填开采技术。覆岩离层区注浆充填的基本原理是:利用岩层移动过程中覆岩内形成的离层空隙，从地面布置钻孔将充填料浆液高压注入离层空间，高压浆体对下部岩层的压实作用，从而增加离层空间，经脱水压实后的充填体对上覆岩层的支撑作用从而减缓岩层移动向地表的传播。表4列出了我国多个矿区部分矿井的试验情况。

表4 离层区注浆充填开采实例

根据各矿区离层区注浆充填开采实践来看[29～32]:该方法仅在非充分开采时减沉效果较好;若开采区域达到充分采动时，即使充填效果较好，其减沉率也仅为30%～50%，仍无法满足建下采煤的减沉要求。针对这一问题，组合注浆充填与条带开采技术，笔者提出了覆岩离层分区隔离注浆充填开采技术[6，30，31]。其基本原理见图7，即:依据关键层初次破断前允许的极限跨距确定工作面合理长度，通过留设一定宽度自身稳定的分区隔离煤柱隔离各个工作面，使工作面上方的关键层保持稳定并使关键层下形成各自独立封闭的离层空间，从而保证充填材料注满离层区，充填体对关键层起到有效的支撑作用。分区隔离煤柱与条带开采留设煤柱不同之处在于，对分区隔离煤柱的宽度设计要求较低，只要能起到隔离离层空间作用并保持稳定就行。离层区充填后的充填体能够起到支撑作用，此时离层区充填体承载了上覆岩层的部分载荷，“离层区充填体+关键层+分区隔离煤柱”构成共同承载体。

覆岩离层分区隔离注浆充填开采技术的理想适用条件应为:在分区隔离工作面采宽较大的情况下，既能保证关键层下的离层盆地达到充分采动，又能保证覆岩关键层不破断失稳。该技术目前已在淮北矿业集团海孜煤电公司1031工作面顺利实施，且正在刘店煤矿104采区、103采区推广应用。

3 充填采煤技术展望

煤矿充填的目的是为了控制岩层运动，因此，应深入研究充填开采岩层破断运动与地表沉陷规律，形成基于岩层移动和地表沉陷控制要求的充填采煤设计理论和方法。

从目前充填采煤实践来看，制约煤矿开采技术推广应用的主要因素之一是充填采煤能力较低，与煤矿高产高效生产模式不匹配，其主要原因是充填工艺与采煤工艺没有实现合理配合。因此，应着重研究如何提高充填采煤生产能力，可从以下几个方面着手:合理选择充填工艺模式，如实施采充分离;减少充填量，实施部分充填;改善充填材料，减小采煤对充填体固化时间的依赖，如提高充填材料的早期强度、采用气体作为充填材料等。

图7 覆岩离层分区隔离注浆充填原理与充填系统

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