我国充填开采技术发展现状与展望

吴季洪

(山西大同大学， 山西 大同 037000)

我国作为煤炭大国，煤炭资源丰富，分布广泛。煤炭是主要的基础能源之一，为我国经济提升、工业发展、社会进步等做出了巨大的贡献。但是，常年进行大量的粗放式开采，使用落后的开采方式，对自然生态环境和生态系统造成了不可逆转的破坏。如采用自然垮落法开采导致地表沉陷，对地面建筑物、河流、铁路等造成破坏。研究数据表明，我国现有23个省(市区) 、151个县(市区) 分布有采煤沉陷区，面积多达20 000 km2，一些城市的塌陷面积甚至超过了城市总面积的10%，严重影响了人民群众的工作和生活，影响了社会发展与稳定[1]. 部分煤矿企业使用充填开采的方法来缓解煤炭开采对生态环境的破坏所造成的压力，尽量减轻对环境的负荷。充填开采是一种绿色开采方式，利用开采过程中产生的固体废料、城市垃圾等将其破碎制成物料再充入采空区，以减轻岩层移动范围和幅度，进而控制地表沉陷，同时还将矸石等固体废物进行利用，避免了环境的污染[2-4]. 在保护环境、提高生产效率等问题上，充填开采的绿色开采方法研究将会是今后的一个重要发展方向。在可持续发展，绿水青山就是金山银山等先进理念和时代潮流背景下，舍弃部分经济效益对维持必要的生态环境平衡和可持续发展将更具有长远的意义。本文主要对充填开采的分类、技术发展历程以及未来发展方向进行了论述和展望。

1 充填开采方法分类

现阶段我国主要的充填开采方法有固体充填开采、膏体充填开采、覆岩离层注浆充填开采、高水材料充填开采等[5].

1.1 固体充填

固体充填开采技术是一种利用机械化的工艺向巷道或采空区充填矸石等固体物料来控制煤层顶板抑制上覆岩层移动，从而减弱地下开采活动对地面的影响，从根本上实现低生态环境损害开采。固体充填又可分为对采空区的充填和对巷道的充填，这两种不同情况充填方式也不同。对采空区充填是将采煤过程、巷道掘进以及选洗过程产生的煤矸石进行破碎处理，配以黄沙、煤粉等物料，再通过运输系统输送至采空区进行充填，用机械化设备对其进行压实处理，实现对采空区的有效充填，防止采空区下沉和地表沉陷。固体巷道充填是将岩巷掘进中产生的矸石在井下直接破碎后由输送机输送至巷道充填，防止巷道塌陷，为巷道安全运输、通风、排水等提供保障。由于其对生态环境的低损害开采，固体充填技术在河北邢台、山西阳泉、山东新汶矿区等地进行了推广使用[5-6].

1.2 膏体充填

膏体充填是对煤矸石等固体废弃物进行破碎处理，然后加入粉煤灰等，与水按照特定的比例混合搅拌成不需脱水的膏状浆体，膏状体通过管道运输，用充填泵将其充入采空区，待其凝固后对上覆岩层形成有效支撑，达到控制地表沉陷的目的。该充填技术在济宁、淄博等地进行了应用[6].

覆岩离层注浆充填属于膏体充填的一种，煤层开采后，岩层下沉开裂过程中形成裂隙空间，通过高压注浆泵，从地面打钻孔至岩层裂隙处进行注浆充填，将减轻岩层进一步的下沉破裂，从而对整个岩体进行保护，将地表的沉陷控制在规定范围内。安徽淮北矿业集团临涣煤矿采用离层注浆充填开采效果显著[6-7].

1.3 高水材料充填

高水材料充填技术是将特定配置材料和比例配制而成的高水材料通过管路运输送至工作面进行充填，冷凝后作为坚硬固体能起到良好的支撑作用。由于其材料充填前的流动性好，故而可以通过管道运输系统进行运输，也可以直接通过地面钻孔进行灌注，实现充填目的[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况下使用。

1.4 其他分类情况

对充填开采考虑的角度不同，分类方式也不尽相同。按充填的动力来源可分为风力充填、水力充填、机械充填、矸石自溜充填等；按材料性质不同可分为矸石固体充填、膏体充填、高水材料充填等；按充填量的不同可分为部分充填、全部充填；按充填位置可分为采空区充填、垮落区充填、离层区充填等[9].

总之，考虑到矿井所在地的不同，区域经济、生态环境、地质条件、资源赋存、产业特点以及开采程度、充填主要目的等情况也不尽相同，矿井应根据具体情况，选取相对合适的充填方法。

2 充填开采技术的发展

充填开采起初作为对开采生产过程中产生垃圾的排弃而产生，随着采矿工业的发展而发展起来的一种绿色开采方式，在发展中与时俱进，经历了从废石干式充填法到水砂充填，到胶结充填，再到如今的膏体充填、块石砂浆胶结充填和全尾矿胶结充填等演变。

2.1 国内外充填采矿发展历程

充填采矿技术的发展经历了4个发展阶段，见图1.

图1 国内外充填采矿发展历程图

第一阶段：国外在20世纪40年代前，以处理矿山固体废料为主要目的干式废石充填，采矿过程中产生的垃圾等堆积，严重影响矿区周围环境，于是人们便想到将这些固体废料运输到采空区，以此来缓解垃圾对周围环境污染的压力，但此时并未对这些充填物料的各项物理性质进行了解和研究，只是作为一种垃圾进行处理。如澳大利亚北莱尔矿在20世纪初的废石充填等[10]，国内相比于国外使用这种充填方式则还要晚十年左右，导致在20世纪充填开采方面落后于国外。

第二阶段：20世纪40—50年代，在我国还处于充填开采的初始阶段时，国外一些矿山已经逐渐开发和运用了水砂充填技术，这种技术的运用标志着充填开采被正式纳入矿山开采的一部分，开始成为一个矿山开采的子系统而存在，而不仅仅只是处理矿山垃圾的一种方式。此时，开始了系统研究充填方法、充填工艺、充填材料的各种物理特性的开端。但是，水砂充填技术作为早期充填开采技术之一，本身也存在诸多不足，比如充填材料浓度很低，一般为60%～70%，并且需要脱水处理，给整个充填工作带来更大的工作量，也让充填效率并不理想。

第三阶段：20世纪60—70年代，随着采矿中高回采率和低贫化率的要求，水砂充填技术已经不足以满足采矿要求。经过十年左右对充填开采的研究，逐渐形成了注重充填体材料特性，充填体与围岩相互作用等方面的胶结充填技术。我国最初的胶结材料始于混凝土材料，因其对物料配比和制作工艺要求高以及材料成本较高，所以未能大面积推广。基于此技术，其他优质材料取代混凝土作为新的充填材料，结合不同材料和胶结剂的特点，形成了各种各样的胶结充填技术，其中较为突出的是细砂胶结充填技术。以尾矿、天然砂等物料和胶结剂(一般为水泥)制备成充填体，通过管道进行充填，因其胶结性较强并容易运输，在80年代得到了较好的推广与应用。

第四阶段：20世纪80—90年代，此时我国和国外充填开采技术较为接近，均发展到了膏体充填、覆岩离层注浆充填、固体充填、高水充填等现代充填新技术阶段。该阶段已经形成了较为完善的充填体系，从充填物料的配置、特性研究、与岩层受力关系、理论受力力学分析、充填设备、充填工艺等方面均进行了研究。对于构建整个充填开采体系有很深远的意义。

2.2 充填开采典型技术进展

经过上百年的探索与实践，我国现已发展出不同种类、各有特点的充填技术，逐步形成了充填开采技术体系。依据矿井地质条件、开采条件以及经济条件的不同应选取最合适的充填方法。因此不同的矿井选取的充填开采方法并非具体统一的标准和要求。各类充填方法在不同的条件下各自展现出巨大的活力。

2.2.1 膏体充填开采技术

膏体充填是充填开采的重要组成部分，其技术原理是:首先是进行常规的采煤工艺，在工作面推进设定的距离时，进行隔离处理，然后将充填物料按要求和比例充入采空区，待其凝固后便与周围围岩构成一体，对上覆岩层形成有效支撑。煤矿膏体充填采煤技术具有以下主要特点：1) 充填率高，充填材料凝固后强度大，减沉效果好。2) 物料利用率高，对环境保护效果好。3) 充填物料与周围岩层形成体系，减少了冲击地压等情况发生，安全保障有了提高。4) 解放更多的煤炭资源，提高了煤炭采出率。5) 充填材料来源广泛，且可以就地取材。6) 建设周期长，技术要求高[11].

中国矿业大学与济宁太平煤矿合作开展了我国第一个固体废弃物膏体充填开采技术研究与试验工程，最早开始试验膏体充填源于回收遗留煤柱问题，经过不断发展和完善，其充填技术应用范围不断扩大，由置换条带煤柱到地面高层建筑物压煤开采再到下组煤底板承压水上充填开采均取得了较好的试验效果[12]. 但膏体材料制作成本高、凝固较慢，今后可重点对其材料配比及其理化特性进行研究，促进膏体充填技术发展。

膏体充填技术是矿区进行环境治理、提高煤炭回采率的一个重要方法，虽然其建设周期长，但建成之后对整个矿山开采系统都具有重要意义，能有效延长矿山寿命。其主要工艺流程见图2.

图2 膏体充填工艺流程图

2.2.2 固体充填开采技术

固体充填基本技术原理是:工作面在正常进刀循环之后，充填支架支起上顶梁和水平后顶梁，在后顶梁下方悬挂群孔底缸进行物料充填，通过压实机对其夯实，再循环直至物料密实率达到要求，有效实现对地面沉陷的控制。固体充填技术具有以下主要特点：1) 充填物料大小灵活，可实现对较大粒径的运输。2) 输送系统安全可靠，输送能力强。3) 卸料灵活多变，可单孔或多孔卸料，压实率高。4) 采出率、资源利用率高[11-13].

固体物料充填的压实率是衡量充填好坏的重要指标，但是压实率很难达到百分之百，且需要花费额外时间来夯实充填材料。通常情况下，这种开采技术只适用于2.0～4.0 m厚度的煤层，如果想要在其他煤层中使用这种技术，则需要进一步对液压支架、夯实设备等进行深入研究以制定可行的方案。目前综合机械化固体工作面充填技术已在河北邢台、开滦矿区，山东新汶矿区，山西阳泉、西山矿区等地推广应用[14]. 固体充填采煤工艺见图3[11].

图3 固体充填采煤工艺图

2.2.3 覆岩离层注浆充填技术

覆岩离层注浆充填技术实际属于膏体充填的一种，其基本原理是将地面上配好的注浆材料通过打钻孔注入覆岩离层区，该区是由于采空区上覆岩层断裂形成的区域，将其充入注浆材料，使得岩层更加有韧性，并与预留煤柱形成共同承载体，防止岩层继续断裂垮塌。覆岩离层注浆充填技术具有以下主要特点：1) 制备系统简单，材料流动特性要求高。2) 钻孔参数确定的技术难度大。3) 注浆位置不易判断，注浆时间、注浆压力等不易把握。4) 提高了煤炭采出率，但仍存在永久隔离煤柱[11-14]. 总之,注浆充填能实现相对高效的采煤，适用于顶板岩层中有关键层的矿井。门克庆煤矿应用覆岩离层注浆充填工程曾解放146万t压煤，创收2亿元，对蒙陕地区铁路下采煤起到参考作用[15].

2.2.4 高水材料充填技术

高水材料是一种能够快速凝固且防火的材料，被广泛应用于巷旁支护及采空区防火等工程。高水材料的两种料浆分别与水混合时不会发生凝结反应，但两种料浆相互混合就会迅速发生反应，凝结硬化。高水材料与常规的混凝土充填相比具有以下特点：1) 浆体转化为固体后，结石率大于85%. 2) 凝结速度快，早期强度高。3) 有充足的可缩量，最终强度足够支撑下沉岩体。4) 有一定的微膨胀性，可保证充填体的密闭性。5) 单位体积充填材料用量少。其充填工艺见图4[16].

图4 高水材料充填工艺图

高水材料可分为 A料、B料、加A料及加 B料4部分，分别制浆，利用两套制浆设备，对两种料分别进行搅拌，形成均匀浆液。用加A料和A料加水混合成A料浆，加B料和B料加水混合成B料浆，然后分别进行充分的搅拌，再通过充填泵用两条输送管道将浆液输送到巷旁充填点，在充填点A料和B料混合，快速凝固成形[16]. 高水材料充填能够解决地表沉陷问题，具有较好的流动性；可从地面直接打孔至采空区进行浇注，也可通过管路运输，但由于该充填材料价格高，因此大多用其进行部分充填、巷旁支护，邯郸、临沂等矿区进行了应用。

3 我国充填开采未来展望

《非金属矿行业绿色矿山建设规范》指出[17]：在矿山资源开采过程中要进行科学规范的开采，减少对周围生态环境不必要的危害，将矿山建设和其周边生态环境一体化，大力发展对绿色矿山的建设，将充填开采这一绿色开采模式上升至战略定位，同国家宏观调控、全面布局、精准施策等相结合，煤矿充填开采必将继续对绿色矿山建设和基础能源、工业发展贡献一份力量。

3.1 基于充填开采的绿色矿山建设

根据煤炭行业现在的要求和目前的发展状况，从矿山建设之初就应该将充填开采技术纳入到整个开采生产的过程当中去。从“三下压煤”、地表沉陷、环境破坏等问题入手，将煤炭开采与生态环境问题有机结合，使其成为煤矿保护生态环境的调节工具，统一设计，精准充填，绿色开采，向建设绿色、安全、高效、智能的现代化矿山迈进。

3.2 构建高效的充填体系

要想构建健全的充填开采工艺，必须要清楚影响充填效果的各类因素，对其运用控制变量等科学方法进行研究。学习和发展矿山压力等理论力学相关知识，为充填开采提供理论依据。将当下充填技术同人工智能、物联网、大数据等技术相结合，以最终实现智能化充填甚至是无人充填等新技术为目标[18].

3.3 “采选充留”一体化技术

煤矸石是采煤过程的伴生物，对于煤矸石的正确处理一直是采煤过程的重要一环，稍有不慎就会对环境造成污染，也增加了选洗难度和运输成本，增加吨煤成本。因此出现了“选采充留”一体化的技术，即“自动化开采，井下矸石分选，井下就近充填，沿空留巷”一体化开采，这项技术既提高了生产效率也加强了安全保障[19].

3.4 新型充填材料的研发和利用

充填材料是制约充填开采发展和推广的重要因素，随着煤炭开采而采出的矸石约占20%，因此不足以满足充填条件。因此，首先要研究高质量低成本的新型环保充填材料；其次要利用现场或者就近可用于充填的资源，如河沙、废石、城市固体垃圾等，按照生态环境要求统一规划；最后，可利用数量大且稳定的金属矿山尾矿进行充填。

4 结 语

经过了几十年的发展，充填技术经历了从以处理固体废料垃圾为主到防止地表沉陷、从低效耗能到高效清洁的转变和发展，不仅从源头上保护了生态环境，同时也解放了更多“三下”压煤，提高了煤炭回采率，是当代矿山实现绿色开采、智能化等的一项重要技术。实施推广充填开采技术对于我国现代化矿山建设具有很重要的意义，将带来巨大的经济和环境效益。本文从绿色开采技术和生态环境保护方面出发，回顾了充填开采发展历程，简述了充填开采技术分类，膏体充填、固体充填、高水充填等技术原理和特点。基于充填开采对我国未来矿山建设从绿色矿山、充填体系、“采选充留”一体化技术、新型充填材料研发和利用等方面进行了展望，为我国绿色矿山、智慧矿山建设提供了思路。