煤矿开采沉陷充填开采技术及其应用

申国平

摘要：煤矿开采不仅会污染水资源、产生有毒有害气体，还会造成地表沉陷，不仅会破坏矿区的耕地和建筑物，还会引发山体滑坡，对矿区周边人们的生命安全造成威胁，为了避免这种状况，人们研究出充填开采技术，有效控制地表沉陷问题，本文阐述充填开采技术的发展，并分析了煤矿开采沉陷充填开采技术及其应用。

关键字：煤矿开采沉陷；充填开采技术；应用

前言：随着社会经济的发展，各个行业对能源的需求量不断增加，煤炭是我国社会生产的主要能源，并且在未来一段时间内这种以煤为主要能源的格局不会发生变化，煤矿开采问题受到全社会的关注。开采煤矿过程会造成地表沉陷，对矿区周边的生态环境造成严重破坏，使用充填开采技术就能够有效解决这一问题，对于实现煤炭绿色开采具有重要意义。

1.充填开采技术的发展

最初充填开采技术是应用在金属矿开采领域，随着技术的成熟，人们逐渐将其引入到煤矿开采领域，并取得了很好的效果。但是，煤矿矿层的赋存特点与金属矿有所差异，对沉陷进行充填所要达到的目的也不一样，因此我们需要深入研究煤矿矿层的赋存规律，对于不同的矿使用不同的充填开采技术，达到开采煤矿、保护环境的目的。德国和波兰是应用这项技术较早的国家，其中水砂充填技术的应用最早，这种方法的应用成功开采了很多煤矿，20世纪60年代，该项技术被应用到我国抚顺胜利矿的开采中，并取得成功，此后，充填开采技术在我国逐渐发展起来，逐渐走向成熟和完善[1]。

2.煤矿开采沉陷充填开采技术及其应用

2.1尾砂胶结充填技术及应用

尾砂胶结充填技术的研究起始于20实际60年代至70年代，并在80年代被广泛应用，最初混凝土是最常用的充填料，混凝土的制作与运输完全按照建筑工程的要求进行，由于混凝土的制作工艺相对复杂，对物料的配比有较高要求，且对量的要求较大，因此应用范围不是很广。后来，人们用细砂胶结充填代替了粗骨料胶结充填，充填骨料主要选择尾砂和天然砂，凝固料选择水泥，将二者充分拌合以后运输到充填现场，运输方式选择两相流管道，这种方式制作出的充填料不仅胶结强度好，运输起来也非常方便。但是这种方式需要使用大量水泥，因此充填成本较高，且管道对输送浓度由一定要求，完成充填以后还要通过其他方法将水分排出，进一步增加成本，还会造成周围水体污染[2]。

2.2块石胶结充填技术及应用

块石胶结充填技术的工艺相对简单，具备较强的充填能力，能够有效利用矿井下的废石，在低水泥用量的前提下能够保证充填强度，适用于废石较多、对充填强度有较高要求的矿区。具体原理如下：将矿井下面的废石与胶结料浆混合在一起，将其当做充填骨料，在水泥砂浆的作用下骨料会形成一个整体，完整的充填采空区，有效防止地表塌陷状况的产生。该种技术最初应用于澳大利亚的一个矿区，取得成功以后迅速得到人们的认可。该种技术对块石粒径有较高要求，要求其不能大于300毫米，最好全部控制在150毫米以内，并且要使用尾砂浆或者是细砂浆。与尾砂胶结充填技术相比，该种技术可以节约50%左右的成本，因为该技术可以节约60%以上的水泥，抗压强度也明显提升。同时，块石与砂浆不在一条管道上输送，达到输送地点以后直接用利用砂浆把块石固结，固结效果非常好，且不需要人工搅拌。除此之外，应用这种技术还能够减轻对矿区生态环境的污染，对土地的占用面积也很小，因此在我国煤矿开采中的应用非常广泛。该项技术的未来发展方向是研制出更先进的仪器设备来检测充填体的稳定性，对这项技术的应用价值进行更科学的评价[3]。

2.3全尾砂充填胶结技术及应用

为了进一步提升对尾砂的利用率，人们开始研制全尾砂胶结充填技术，80年代人们正式对该项技术进行试验，取得成果后进入试用阶段。该技术的理论基础是物理化学以及胶体化学，需要将尾砂浆进行两段脱水，第一段是使用高效浓密机脱水，第二段使用真空过滤机脱水，脱水后砂浆浓度达到70%以上。将这些尾砂与适量水泥和少量的水搅拌在一起，搅拌时需要使用强力机械搅拌装置，保证搅拌的均匀性，形成均质胶结料以后，用管道将其输送到矿区，该种技术对尾砂的利用率可以达到95%。到目前为止该项技术还处在进一步发展之中，对其研究更加深入，不仅停留在材料利用率、充填强度层面，还扩展到了充填体稳定性以及与岩层相互作用的层面，另外，为了进一步改善充填体的性能，人们又开始研究外加剂的使用及其影响。全尾砂胶结充填技术的发展和完善可以帮助人们缓解充填原料不足的问题，对于保护当地生态环境也具有重要意义。但是该技术对尾砂脱水程度有较高要求，工艺相对复杂，因此成本较高，如何在保证脱水率的前提下简化工艺、降低成本是我们需要解决的问题[4]。

2.4膏体充填技术及应用

膏体充填技术的基础是全尾砂充填技术，利用了该项技术中全尾砂高浓度这一特征，为了满足输送要求，全尾砂浆的浓度不能超过78%，但是为了满足充填体的强度要求，全尾砂浆的浓度最好可以达到85%，如何调和这种矛盾要求是我们需要解决的问题。为了满足浓度要求，通常要对尾砂做分级脱泥处理，但是这种做法会降低尾砂的利用率，材料进场以后还要做进一步脱水处理，脱水过程自然会造成水泥流失，导致充填体的强度下降，为了避免这种问题就要尽量提升充填料浆的浓度，使其满足强度要求，为摆脱管道运输条件的限制，就需要使用特殊设备来泵送膏体充填料。

膏体充填技术中应用了多种高新技术，工艺中有较高的技术含量，充填材料有两种，一种是全尾砂，另一种是全尾砂与碎石的混合物，充填料进场以后不需要再次脱水，充填料不会发生离析，因此不需要排水，节省费用的同时还可以减少对周围地下水体的污染。由于膏体的含水量很低，因此可以在使用较少水泥的情况下保持充填强度，而且不需要太长的凝固时间，因此作业周期较短。中国矿业大学对膏体充填技术的研究较为深入，并率先将其应用到的实际生产中，取得了不错的效果，证明该技术具有一定的推广价值。由于物料的浓度较高，因此对泵送功率有较高要求，构建整个系统是一个非常复杂的过程，而且泵送过程中容易出现阻塞现象，因此需要对膏体的流体力学性能进行更深入的研究，通过更先进的技术手段来提升泵送效率。

总结：为了解决煤矿开采造成的地表沉陷问题，有效保护矿区的生态环境，应该大力发展充填开采技术。充填开采技术有很多种，每种都有自身的优势，应该根据实际充填需要选择合理的技术方法，在满足充填要求的前提下盡量降低成本，实现煤矿产业的可持续发展。

参考文献：

[1]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，2006，4（6）01：6-11.

[2]张文瑞.浅谈控制煤矿开采沉陷的部分充填开采技术[J].中国新技术新产品，2012，8（10）18：158.

[3]胡炳南.我国煤矿充填开采技术及其发展趋势[J].煤炭科学技术，2012，9（11）11：1-5+18.

[4]瞿群迪，姚强岭，李学华.充填开采控制地表沉陷的空隙量守恒理论及应用研究[J].湖南科技大学学报（自然科学版），2010，5（7）01：8-12.