部分充填采煤技术的应用研究

魏彩萍

（山西省孝义市煤炭工业局， 山西 孝义 032300）

煤炭作为促进国民经济发展的基础性能源资源，在人类社会发展进步中占据着极其重要的地位。在长期的开采中，在煤炭开采区形成了大量的地下空洞，导致地表下沉、塌方等，不仅严重威胁着临近综采区域的综采安全而且也对综采区周边村落的安全造成了极大的安全隐患。为降低采空区域发生塌陷的概率同时降低新巷道开采时废料的转运成本，提出了充填开采技术，包括全面充填开采及部分充填开采，其中部分充填开采得到了广泛的应用。在部分充填开采技术发展过程中，先后开发了水砂充填开采、膏体充填开采等，但这两种开采方法一方面需要的回填物料体量大，实际生产时很难满足井下填充需求，另一方面在填充时需配备多种专用填充设备，资金投入量大、效率低下，因此其应用受到了非常大的限制，严重影响了部分充填的推广应用[1]。因此如何根据煤矿井下生产的实际情况，对现有部分充填技术进行改进，提升充填效率、降低充填成本是必须考虑的问题。

根据现有填充技术的缺点及长期工作经验，本文提出了两种新的部分填充技术，并对其应用原理、设计方法进行分析，极大提升了井下部分充填的效率，对加快推进部分充填技术的应用，提升煤矿综采安全具有十分重要的作用。

1 部分充填采煤技术的研究与实践

根据现有煤矿井下充填采煤技术所面临的技术缺陷，结合长期工作经验，并通过研究在井下开采中不同地层条件下煤系层状覆岩的分布特点，提出了新的部分充填开采方案。在新的开采方案中，摒弃了传统的完全依靠外来的填充物进行巷道回填的技术方案，而是在回填中依靠填充体、煤系层状覆岩关键体以及隔离煤柱等综合作用，从而达到避免巷道塌方、地表沉降的目的。根据新的部分充填采煤机理，将需要回填的区域分为采空区和离层区，针对不同的区域，根据其各自对应的地质条件，提出不同的部分充填采煤技术，其部分填充采煤技术的系统框架结构如图1所示。

图1 新的部分填充采煤技术系统框架图

2 覆岩隔离注浆充填技术的应用

覆岩隔离注浆充填技术是在传统的水砂填充的基础上，对井下综采区进行合理的优化设计，在煤炭开采时即预留具有一定间隔的隔离型煤柱结构，利用地层原有的地质结构实现对上端岩层的自支撑，完成综采后利用设置在地面上的填充孔对综采区的覆岩层进行注浆填充，从而在离层区形成具有一定宽度的压实的承重区，使采空区在隔离煤柱和压实填充区的作用下实现可靠支撑，确保巷道和地层的稳定性，其原理如下页图2所示[2]。

图2 覆岩隔离注浆充填技术原理

覆岩隔离注浆充填技术的关键在于对综采面采宽和隔离煤柱宽度的设计，依据该支撑关键层对于控制地表沉降的作用，在实际设计时需确保主覆岩层工作面主体结构的连续性。若主关键层为非硬岩层结构时，需要在其下方的某个亚关键的支撑层进行连续性支撑设计，因此综采面采宽可按以下公式进行计算:

式中:W为综采面的采宽；LK为关键支护层的最大跨越距离；D为关键层到综采工作面的距离；δ为关键层岩石的破断角度。

注浆孔的设置直接关系到注浆效率及浆液凝结点位置，因此在注浆孔设计时应首先确保孔深不能延伸到综采工作面，在实际钻孔时可根据“基于关键层位置的导水裂隙带高度判别方法”来对注浆孔的深度和层位进行确定。

注采比直接决定了覆岩隔离注浆充填的沉降控制效果，根据实际工作经验，当确定了注浆孔位分布及注浆层后，其最大的注采比应表示为[3]:

式中:α为注采比；H为注浆填充区和综采区的层距；φ为注浆充分采动角度；He为关键支护层的垮落距离；M为采区高度；Kp为采区的岩壁的碎胀系数。

根据理论分析，只有当临界注采比低于极限情况下的注采比时才说明选定的注浆支撑层是满足支护要求的，但在实际应用中受不同地质条件及注浆设备的影响，实际完成的注采比通常情况下是无法达到极限注采比的，因此在实际设计时只需要求临界注采比低于极限情况下的注采比即可。

该部分填充技术能够将地表的下沉系数控制在0.2左右，单位填充的成本能够比膏体充填开采降低约50%，同时该填充技术对不同地质条件的适应性较好，能够满足大深度中厚煤层的支护要求。

3 长壁墩柱同步充填开采技术的应用

长壁墩柱同步充填开采技术是指在综采区的工作面上，每采掘完成一定区域后就在采空区内按照一定的间隔和距离设定一组支撑墩柱，随着开采的不断推进，最终在综采区形成一个支撑面，和支撑覆岩关键层一起共同确保井下采空区的稳定性，避免地面沉降的发生，其结构原理如图3所示[4]。

图3 长壁墩柱同步充填开采原理

长壁墩柱同步充填开采技术的设计流程如图4所示。

如图4所示，在长壁墩柱同步充填设计时各层墩柱之间的纵向和横向距离在设计时应该确保煤层上方亚关键支护层主支撑结构的连续性，在实际设计时为了确保安全，通常采用了控制相邻墩柱支架的直接顶不间断为设计原则，使各墩柱之间顶部岩层的最大应力要低于其极限抗拉强度。

图4 长壁墩柱同步充填设计流程

该部分填充采煤技术主要应用于巷道结构较长的综采工作区，因实际需要的支护墩柱较多，因此要求采区应处于地下较浅的水平薄煤层，同时地质条件的直接顶稳性应较好。该部分填充技术方案能够将地表的沉降系数控制在0.15左右，同时投入较小，单位填充的成本能够比膏体充填开采的成本降低了约30%。

4 结语

目前常用的部分充填开采技术在实际应用过程中存在着充填速度慢、充填材料需求量大、成本高等难题，因此其应用受到了极大的限制。根据实际开采经验提出了覆岩隔离注浆充填及长壁墩柱同步充填的新的部分充填开采技术。通过分析，结果表明覆岩隔离注浆充填采煤技术能够将地表的下沉系数控制在0.2左右，单位填充的成本能够比膏体充填开采的成本降低了约50%，长壁墩柱同步充填采煤技术能够将地表的沉降系数控制在0.15左右，单位填充的成本能够比膏体充填开采降低约30%，具有较大的应用推广价值。