充填采矿法与矿层移动控制研究

李涛涛

（河南工业和信息化职业学院，河南 焦作 454000）

为了提高“三下”压矿（铁路下、水体下、建筑物下）的采出率和对地表沉陷的控制，充填系统要将充填材料填运送至采空区，并且要对其压实，使其在顶板下沉之前具有一定的强度，进行充填压实填充材料的过程中要尽量避免影响正常的采矿作业，这样才能起到支撑顶板减小地表沉陷且又进行安全采矿作业的目的[1]。本文介绍了充填采矿法的主要方法，根据等价采高理论找到影响充填效果的关键因素。

1 充填采矿法

充填采矿法是利用井下采空区处理本来要提升到地面准备丢弃的矸石，变废为宝，在减少地面固体废弃物的同时，减轻地面沉降，释放“三下”压矿，提高矿石回收率，减少矿石开采过程中造成的环境污染，实现矿山资源的可持续利用。

（1）充填采矿法系统。矸石是充填采矿法的主要填充材料，通过地面矿车、矿井提升机运送至井下，经井下矿车，胶带运输机、转载机等设备运输至充填工作面，最后通过液压支架尾部的底卸式充填刮板输送机运送至需要填充的部位，矸石在夯实机构的作用下变得密实，从而具有一定的强度。

（2）充填采矿法的主要设备。在充填采矿法技术中，矸石充填系统的主要设备包括充填采矿液压支架、卸式充填刮板输输送机、可移动转载机等。填液压支架除了具有普通液压支架的功能外，还为充填工艺工程提供工作空间，为采矿工作面和采空区充填矸石提供保护；多孔底卸式刮板输送机把矸石等充填材料合理的分配充填入采空区；可移动转载机能够把充填蔡材料从胶带运输机转载到多孔底卸式刮板输送机，可以根据工作面的推进情况进行移动，增加了设备的适应性。

（3）充填采矿法工艺。通过液压缸将底卸式刮板输送机吊架移至支架后顶梁末端，开始充填作业，4个底卸式刮板输送机的卸料孔为一组，当充填物料从第一个卸料孔卸载一定量后停止卸料，对应的支架夯实机构开始夯实，有序的将卸料孔分别进行关闭和打开，关闭一个的同时打开另一个进行卸料，当卸载一定量的物料后关闭第二个卸料孔开启第二卸料孔对应的液压夯实机构进行夯实作业，与此同时开启第一个卸料孔对用夯实机构刚夯实过的空间卸料，经过几个卸料与夯实工作反复循环作业，当采空区矸石接触到顶板且矸石具有一定的密实度后，结束该轮充填工作，通过液压缸将底卸式刮板输送机吊架沿着后顶梁的吊架槽向前移动一个步距，用夯实机构把支架后方的矸石推向后上部，使其充分接触顶板并压实，最后将刮板输送机吊架再次移到支架后顶梁末端，开始新的一轮充填。

2 充填采矿岩层移动计算的等价采高理论

2.1 充填采矿岩层移动规律

在充填开采过程中，充填体作为采空区主体支撑上覆岩层的主要荷载，在很大程度上改变了覆岩移动，因此，与传统开采相比，岩层移动特征、地层压力和开采控制发生了重大变化：

（1）充填采矿可以使上覆岩层不形成垮落带，很大程度减小了顶板裂缝的影响高度。使用垮落法管理顶板的综采采矿工艺，采高的大小对采空区上覆岩层被破坏有直接的作用，采高越大上覆岩层被破坏的就越厉害，相反破坏就会小。在有矸石充填采空区的充填开采过程中，充填材料能够及时的填充到采空区，并具有一定的强度，大大改善采空区顶板的受力条件，使其没有垮落带形成，这样上部顶板裂缝的影响高度也将变小，条件好的顶板甚至没有裂缝。因此，充填采矿可以使上覆岩层不形成垮落带，很大程度减小了顶板裂缝的影响高度。

（2）充填采矿对减小矿山压力显现强度作用明显。充填采矿工作面采用充填液压支架，在充填采矿过程中，采空区用充填材料填实，矿体、围岩和填充材料共同支撑上部覆岩，改善了矿体和围岩的受力情况，本来仅仅由采空区周围矿岩控制的压力改由填充材料和周围矿岩共同控制，能够有效的分散顶板压力，有效的控制顶板下沉和底板隆起；改善岩层的受力情况，减小采矿工作面矿山压力[2]。

（3）采空区充填可以减少地表沉陷。矿层开采后填充材料并使材料具有一定强度，矿层采高相当于被缩小了，采空区充填矸石可以有效控制地表沉陷。

2.2 等价采高理论

在矿山开采过程中，矿层厚度是影响岩层移动、矿山压力显现与地表沉陷等的主要因素，而在充填采矿过程中，采空区被充填材料所填充，填充后的矸石占据采空区上部岩层垮落时一部分的空间，这样岩层的垮落程度就会降低，填充的矸石可以转换成矿层厚度，这部分“矿层”将不再开采，这样将会降低实际的开采高度。等价采高为采矿工作面实际采矿高度减去固体充填体被顶板压实后的高度所示。

等价采高计算公式见式（1）：

式中，HZ—等价采高；hq—充填欠接顶量；h—实际采高；v—充填材料的松散系数；v’—充填材料的压实系数。

由式（1）可知：假定充填法采矿的采矿高度为h，由于充填材料接触不到顶板和松散体碎胀率等因素，被充填后的采空区覆岩顶板会随着时间的推移形成一定的下沉量，因此，实际采出矿层的厚度为h而在效果上不等价于。

但在公式（1）中，主要考虑了充填材料没有接触到顶板和松散材料的碎胀率等因素，但由于充填之前采空区的顶板已经有不同程度的下沉量，且在工程实践中矸石等松散体的碎胀系数难以被测出来，因此确定等价采高具有一定的难度。

根据实际情况，我们对公式（1）进行修正。在充填采矿过程中，上覆岩层运动变形是一个不间断的过程，等价采高HZ的大小等于该变化过程顶板的最终下沉量hd的大小，顶板最终沉降的hd与充填材料的力学性能、矿山地质条件、充填设备和工艺等有关，其中关键因素包含顶板提前下沉量h1、欠接顶量hq、充填体的压缩量hk等三个参量，因此公式（1）可以修正为：

其中顶板提前下沉量ht、欠接顶量hq均可以通过现场实测得到，而充填体的最终压缩量可以根据试验得到的充填体的应力-应变关系曲线得出。充填体压实率η的概念：压实率是指被测材料四周被限制的条件下，在垂直应力作用下充填体最大压缩量与充填体受力之前高度的比值，因此，hk可表示为：

因此，将式（3）代入式（2）可得充填采矿中等价采高的最终表达式为：

从式（4）可以得出，充填采矿中等价采高主要由顶板提前下沉量ht、欠接顶量hq、充填体的压实率η等三个关键参量控制。

3 小结

本文主要介绍了充填采矿方法，根据矸石充填采矿岩层移动控制规律，通过等价采高理论找到了控制岩层移动与地表沉陷的关键因素。

降低充填开采的等效采高是可以达到上述目的，可以通过减小充填之前顶板的下沉量ht、减小矸石欠接顶量hq和增大矸石的压实率η来实现。