建筑物压煤采空区充填方法研究

李志平

摘要：我国建筑物下的采煤研究技术从上世纪60年代就已经开始，先后在本溪、抚顺、鹤壁等煤矿区进行了试验，并且取得了成功的经验，但是随着煤矿的进一步开采，地上建筑物受到了安全威胁。本文分析了建筑物下采煤的现状，以及充填采空区方法的分类研究。

关键词：建筑物；压煤采空区；充填方法；研究

目前，随着生产技术不断进步以及社会的发展，人们对能源的需求越来越大，煤炭作为主要能源，正大量的从地下开采，煤炭从地下开采出来以后上方的建筑物就失去了支撑，岩体原有的支撑力被抽离，使平衡状态受到了破坏，引起采矿区的周围建筑物变形、位移甚至遭到破坏，采空区达到一定的范围以后就会导致建筑物变形倒塌。

一、建筑物下采煤现状

国外发达国家的压煤开采比较早，采煤的技术也比较先进，主要采用的方法是：地上加固维修、井下充填、条带式和房柱开采等方式，目前建筑物下开采技术最先进的是波兰。我国从上世纪五十年代开始研究建筑物下开采煤矿，并且使建筑物不搬迁的技术，前期主要是学习和引进外国的先进技术以及经验，从六十年代我国开始逐渐的自己研究压煤开采的技术，目前主要运用的技术有以下几种：条带开采、留设保护煤柱、房柱式开采、离层注浆开采、跳采[1]。

二、采空区充填方式分类研究

（一）膏體充填方式

膏体充填的方式就是把煤矿区附近的粉煤灰、煤矸石、风积沙、河沙、劣质土以及工业炉渣等，在地上进行加工制作成不需要脱水的膏状物体，使用重力加压或者充填泵，将管道输送到地下，适当的对采空区进行充填。

与金属矿山的膏体采空区充填相比，膏体充填方式的特点有以下方面：采煤与充填在一个工作面上，充填体的构造方式和金属矿山的构造方式不同，煤矿填充需要使用专门膏体隔离支架；对采空区进行充填的材料要求强度不同，煤矿充填以后很短的时间内就要求充填体进行承载重量；由于煤矿膏状填充方式的材料主要是劣质土、低质量的粉煤灰等低级材料，导致充填材料差，质量波动较大。

比较常用的膏体充填系统主要有以下几个方面：泵送系统，配料制浆系统、工作面充填系统。泵送系统就是采用充填泵把填充材料通过充填的管道运送到井下进行填充工作；配料制浆系统就是粉煤灰、煤矸石、胶结料、水和工业炉渣等混合在一起制作成膏体填充液浆；工作面充填系统是将膏体材料填充到采空区。

膏体充填的优势主要有：密实度高、浆料流动性强、充填体的轻度高等优点，所以对建筑物破坏以及地表塌陷的控制性好，但是膏体充填的成本较高。

（二）矸石充填方式

矸石的充填方式是利用重力、机械、风力等动力将充填的材料输入或者抛入采空区的充填采煤方式，根据充填料充填采空区的动力进行划分，矸石充填的方法包括自溜充填、人工充填、机械充填以及风力充填等[2]。充填系统的充填料是以矸石和沙子为主要填充物，一般情况下不需要加入其它的添加剂。人工矸石的填充因为生产效率低、生产能力小、劳动强度大，所以在填充时很少使用这种填充方法，矸石充填方式的自溜充填方式只有在紧急情况下才会使用。

普通机械化的矸石充填方式的特点是经常采用专门的机器将矸石抛向采空区进行填充。2006年我国新汶矿业开始试验和使用这种充填方法，这种充填方法是利用井下矿石填充采空区，填充的系统简单，装备投资较少，经常在煤层薄的矿区使用。

综合的矸石充填方式是指在综合的机械化采煤作业上面同时实现综合机械化矸石填充方式。矸石填充方式的实现主要技术难点就是解决实施充填空间、充填的通道以及充填的动力问题。这种技术可以实现在同一个液压支架上掩护采煤与填充作业，并且采煤运煤的布置方式与传统的综合采煤完全相同，为了实现矸石从地面上运转到充填工作面的连续高效填充，布置一个充填运输系统即可。

（三）超高水材料充填方式

超高水材料是一种胶凝材料，它的全称是高水速凝固结材料，组成方式主要是由A、B两种材料混合而成，A主要是指铝土矿、石膏等独立炼制而成的主料、复合超缓凝的分散剂结合而成，B料是指由石灰、石膏混合磨制成的主料加上小量复合速凝剂组成，这两种材料以1：1的混合使用，有95%—97%的水体积，用水量高，初次凝结的时间是30分钟到90分钟，最终凝结强度为0.5—1.0MPa，并且生成的固体不会收缩，也不会遭到压缩，是一种理想的填充采空区材料[3]。

与其它的填充技术相比较，超高水材料的充填方式有以下几种优点：由于用水量较高，所以需要的固体材料很少，一方面克服了填充采矿区缺乏固体材料的问题，另一方面又简化了其他的填充技术所需要的庞大填充系统；由于不需要太多的固体材料，基本上不会影响矿井运输；填充时所需要花费的资金少，充填浆料的流动性好，不容易堵塞，工作岩石面不漏水渗水[4]。超高水填充方式的缺点是抗风化性能差、抗高温的性能低、充填材料不利于长期的稳定。

超高水的填充法主要包括以下几种方式：开放式填充法、袋式填充法、混合式填充法。开放式的填充法是指在仰斜的开采条件下，不对采空区做任何调控，利用超高水的材料浆液将采空区充满，凝固后的充填体与周围的岩层来控制地上建筑物的安全；开放式的填充优点是开采与充填互不影响，产量不受填充影响，工艺简单，不需要改工作面的支架，充填的速度快，对充填人员的需求小，劳动量低，方便组织和管理。袋式的填充法是指将超高水材料的浆液通过管路预先在采空区设置充填袋内，使用凝固以后的填充体控制采空区的岩体活动。混合式的充填法是指将开放式的填充和袋式填充相融合，采空区部分采用袋式填充，只需要保证顶板在短期内不断就可以，工作面推进一定的距离以后用填充袋将采空区没有填满的部分封闭，然后向里面置入超高水浆液，这种混合充填法也是适合在两巷沿空留巷[5]。

三、建筑物下开采发展趋势

当前在国内采取的主要方式是使原地重建抗打击抗变形的建筑物，在村庄下部分开采，实施预先垫置矸石等措施，在建筑物下开采时普遍运用，异地搬迁与就地重建相比，就地重建减轻了因村庄集体搬迁给征地的煤矿企业带来的经济压力，对解决建设用地和耕地用地的积极利用土地有现实的意义[6]。同时，采用抗变压型的楼房技术处理可以给建筑物拆迁、搬迁、重新规划等建设带来新方向引导，有效的改善居民居住条件，提高居民的生活水平。

结语：

目前因为我国开采煤矿的环境问题越来越严峻，建议规定地面砖混结构来保护建筑物与地表变形指标的体系，作为充填开采地面建筑物变形的控制指标，综合考虑地质的采矿条件以及地表的移动规律，避免过度的充填，会造成浪费充填材料并且增加生产成本，确保建筑物下安全开采。

参考文献：

[1]冯光明，王成真，李凤凯，韩晓东，周振，连小林.超高水材料开放式充填开采研究[J].采矿与安全工程学报，2010，04：453-457.

[2]周振，冯光明，张明，夏文营，王成真.超高水材料分段阻隔式充填开采研究[J].中州煤炭，2011，02：10-12.

[3]周振，冯光明，王成真，夏文营.近水平浅埋煤层超高水材料充填工艺与方法[J].山西焦煤科技，2011，02：21-24.

[4]周华强，侯朝炯，孙希奎，瞿群迪，陈德俊.固体废物膏体充填不迁村采煤[J].中国矿业大学学报，2014，02：30-34+53.

[5]许家林，朱卫兵，李兴尚，赖文奇.控制煤矿开采沉陷的部分充填开采技术研究[J].采矿与安全工程学报，2010，01：6-11.

[6]张弛，范德强，陈昱，陈善刚，付煜.香炉山钨矿高大采空区充填回采方法优化研究[J].有色金属工程，2014，03：59-61.