孔莊煤礦2.4Mta新井設(shè)計(jì)含5張CAD圖-采礦工程.zip
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淺析采空區(qū)充填技術(shù)
摘要：介紹了國(guó)內(nèi)外采空區(qū)充填工藝現(xiàn)狀，總結(jié)了傳統(tǒng)礦山采空區(qū)充填工藝的特點(diǎn)。對(duì)我國(guó)充填采礦現(xiàn)狀和充填采礦的種類進(jìn)行了分析，對(duì)充填技術(shù)的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。
關(guān)鍵詞：采空區(qū)；充填開(kāi)采
1 引言
煤炭是我國(guó)的主要能源, 在一次能源的生產(chǎn)和消費(fèi)結(jié)構(gòu)中, 煤炭約占70%, 在未來(lái)30~ 50 年,我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)不會(huì)改變。解放初期興建的煤炭工業(yè)基地, 大多已步入中老年期, 資源枯竭與經(jīng)濟(jì)發(fā)展之間的矛盾日益突出。而另一方面, 全國(guó)三下壓煤約140 億工, 其中建下壓煤約90 億工。這些儲(chǔ)量大多集中分布于工業(yè)基礎(chǔ)較好、開(kāi)發(fā)條件較為優(yōu)越、對(duì)煤炭需求較為迫切的沿?；蛑性鞘小Ｒ虼? 大力研究和發(fā)展建下煤層的開(kāi)采技術(shù)對(duì)合理開(kāi)發(fā)和充分利用地下資源, 延長(zhǎng)瀕臨破產(chǎn)的煤炭企業(yè)的壽命, 促進(jìn)社會(huì)安定都具有重大意義。
煤炭的開(kāi)采，興起了許多以此為主導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的工業(yè)城市。同時(shí)，在城市的周邊外圍形成了大范圍的采空區(qū)域。地下巖體結(jié)構(gòu)被破壞，造成地面塌陷、位移，致使地面上的建筑物、公路、鐵路及橋涵受到破壞。為了解決采空區(qū)造成的種種問(wèn)題，有必要進(jìn)行采空區(qū)充填開(kāi)采技術(shù)的研究。
我國(guó)礦山在20世紀(jì)70年代即對(duì)充填采礦法有一定的應(yīng)用，后因經(jīng)濟(jì)、效率等原因制約了這一技術(shù)的使用和推廣。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展和我國(guó)對(duì)礦山資源回收率要求的提高，特別是礦產(chǎn)資源中煤炭?jī)r(jià)格的回升。利用充填采煤法進(jìn)行“三下”采煤以及保護(hù)煤柱的開(kāi)采已經(jīng)提到了議事日程。充填采空區(qū)的開(kāi)采方法具有改善深井支護(hù)條件、提高礦物回采率、減少貧化率、充分利用資源及有效控制地壓等優(yōu)點(diǎn)，因此充填采煤法越來(lái)越被人們所重視，這為我國(guó)今后礦山事業(yè)的發(fā)展走向成熟指明了方向。
2 采空區(qū)地表沉陷影響因素及控制方法
煤層開(kāi)采所引起的采空區(qū)地表沉陷對(duì)地面建筑物及生態(tài)環(huán)境有重要影響。弄清影響采空區(qū)地表沉陷的各項(xiàng)因素及影響規(guī)律，是研究采空區(qū)地表沉陷的基礎(chǔ)。針對(duì)采空區(qū)地表沉陷的特點(diǎn)，采用各種技術(shù)措施，將采空區(qū)地表沉陷控制在合理范圍，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)礦區(qū)地表建筑物的保護(hù)及生態(tài)環(huán)境的有效維護(hù)，為實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采奠定基礎(chǔ)。本文首先對(duì)采空區(qū)地表沉陷各項(xiàng)影響因素進(jìn)行深入分析，并對(duì)各種控制措施進(jìn)行了詳細(xì)論述。
2.1采空區(qū)地表沉陷影響因素
采空區(qū)地表沉陷影響因素主要可以從煤層賦存條件、采空區(qū)上覆巖層性質(zhì)、煤層開(kāi)采條件及采場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征等三方面進(jìn)行分析：
2.1.1 煤層賦存條件
煤層的傾角對(duì)影響采空區(qū)上方巖層運(yùn)移方向。水平煤層采空區(qū)上方，巖層下沉方向垂直于巖層層理；而在傾斜煤層中，巖層下沉在主斷面上有垂直于層理和平行于層理的兩個(gè)分量，而且移動(dòng)盆地最大下沉淀的位置也向下山方向偏移。相同條件下，煤層厚度越大，覆巖運(yùn)移越劇烈，地表下沉值越大。煤層埋深在煤層充分采動(dòng)和超充分采動(dòng)條件下對(duì)地表下沉影響很?。划?dāng)煤層處于非充分采動(dòng)階段時(shí)，煤層埋深越大，相應(yīng)的地表下沉值越小。同時(shí)，埋深與采厚之比越大，地表移動(dòng)越平緩；反之比值越小，地表移動(dòng)變形表現(xiàn)的越劇烈。當(dāng)覆巖中存在斷層等地質(zhì)構(gòu)造時(shí)，會(huì)破壞巖層的正常運(yùn)移規(guī)律，并造成構(gòu)造附近巖層移動(dòng)異常，進(jìn)一步影響地表移動(dòng)。當(dāng)覆巖中存在對(duì)含水量對(duì)其物理性質(zhì)影響較大的巖層時(shí)，巖層受采動(dòng)影響含水量變化并導(dǎo)致力學(xué)性質(zhì)改變，導(dǎo)致巖層移動(dòng)規(guī)律明顯異于正常情況。
2.1.2 采空區(qū)上覆巖層性質(zhì)
覆巖性質(zhì)對(duì)地表最大下沉值、移動(dòng)角、邊界角、充分采動(dòng)角與最大下沉角等都有影響。覆巖的硬度越大，移動(dòng)角和邊界角越大，而最大下沉值、充分采動(dòng)角與最大下沉角則隨之減小；反之亦然。巖層其硬影響其懸露距離，進(jìn)而影響拐點(diǎn)向采空區(qū)的偏移距離。
2.1.3 煤層開(kāi)采條件及采場(chǎng)結(jié)構(gòu)特征
采煤方法和頂板管理方法對(duì)巖層移動(dòng)有重要影響。如厚煤層一次采全高和分層開(kāi)采巖層移動(dòng)規(guī)律有明顯區(qū)別；頂板管理方法的區(qū)別直接影響到覆巖運(yùn)動(dòng)的空間。采場(chǎng)結(jié)構(gòu)決定采空區(qū)的形態(tài)，直接影響到巖層移動(dòng)范圍；同時(shí)采場(chǎng)周邊結(jié)構(gòu)如是否臨采空區(qū)，也對(duì)覆巖運(yùn)移有很大影響。
2.2 采空區(qū)地表沉陷控制方法
對(duì)采空區(qū)地表沉陷的控制主要有以下思路：一是減小煤層開(kāi)采后形成的開(kāi)采空間；二是支撐或充填開(kāi)采空間；三是對(duì)覆巖運(yùn)動(dòng)進(jìn)行控制。通常采用的具體技術(shù)措施與方法有以下幾種：
2.2.1 留設(shè)保護(hù)煤柱
留設(shè)煤柱支撐采空區(qū)，限制巖層移動(dòng)，減少地表位移。這種方法多用于采空區(qū)上方存在工業(yè)廣場(chǎng)、井筒等重要建筑物或煤層埋深較淺時(shí)。根據(jù)不同的具體情況設(shè)計(jì)留設(shè)煤柱的尺寸，再進(jìn)行工作面的正常回采。留設(shè)保護(hù)煤柱可以有效地限制巖層移動(dòng)，但往往會(huì)造成煤炭的損失，雖然所留設(shè)煤柱在后期可設(shè)法回采，但采出率仍然較低。同時(shí)，保護(hù)煤柱的留設(shè)給工作面生產(chǎn)系統(tǒng)的布置增大了難度，影響工作面生產(chǎn)效率。
2.2.2 局部開(kāi)采
局部開(kāi)采法主要包括房柱式開(kāi)采、條帶開(kāi)采和限厚開(kāi)采。房柱式開(kāi)采和條帶開(kāi)采是在保證地表不出現(xiàn)波浪式不均勻下沉的前提下，根據(jù)煤層和上覆巖層組合條件，選擇適當(dāng)?shù)牟闪舯乳_(kāi)采煤層的局部，在被開(kāi)采的煤層中采出一部分，保留一部分，減少開(kāi)采后形成的采空空間，從而減少覆巖移動(dòng)，進(jìn)而有效控制地表下沉。限厚開(kāi)采是根據(jù)煤層賦存情況、圍巖性質(zhì)及水文地質(zhì)情況，以控制地表沉陷在一定范圍為目的，確定煤層可以開(kāi)采的最大厚度，工作面回采時(shí)僅采一定厚度的煤層，煤層其余部分不予開(kāi)采，相當(dāng)于開(kāi)采厚度減小，直接減小了巖層下沉空間。由于局部開(kāi)采僅是采出煤層的一部分，保留一部分煤以煤柱形支撐采空區(qū)或不予開(kāi)采減小巖層下沉，控制地表下沉量。但局部開(kāi)采法采出率較低，僅可回收40~60%的煤，而且生產(chǎn)成本顯著增加，降低工作面生產(chǎn)效率。
2.2.3 采空區(qū)充填
采空區(qū)充填就是在工作面推進(jìn)后采空區(qū)頂板未冒落前，用充填材料對(duì)工作面采空區(qū)實(shí)施密實(shí)充填，使頂板巖層僅有少量下沉空間，以限制巖層移動(dòng)并最終減少地表下沉。作為一項(xiàng)有效的控制地表沉降的技術(shù)措施，主要用于厚煤層的開(kāi)采及對(duì)開(kāi)采沉陷要求較高的煤層的開(kāi)采。采用采空區(qū)充填這種方法，可以顯著減小煤層開(kāi)采后所形成的空間，有效限制覆巖的運(yùn)動(dòng)，降低覆巖的破壞下沉，從而大大減少了地表下沉量。根據(jù)充填方式的不同，采空區(qū)充填又可分為水沙充填、風(fēng)力充填、條帶充填、矸石帶狀充填、矸石自溜充填等。其中減少地表下沉效果最好的是水沙充填法，然后是矸石自溜充填法和風(fēng)力充填法。矸石作為充填材料充填采空區(qū)，減少了運(yùn)輸成本及對(duì)地面土地占用和對(duì)環(huán)境的污染。但是相對(duì)于一般的頂板管理方法，采空區(qū)充填增加了采煤工序，需要專門的采空區(qū)充填設(shè)備，使工作面推進(jìn)速度降低，而且生產(chǎn)費(fèi)用提高、生產(chǎn)效率降低。
2.2.4 離層充填
煤層開(kāi)采后，采空區(qū)上方覆巖移動(dòng)并形成一些離層空間，離層充填法就是在回采后一定時(shí)間范圍內(nèi)，通過(guò)地面鉆孔向用充填材料將離層帶空間充填密實(shí)，使離層帶空間上方巖層不再繼續(xù)運(yùn)動(dòng)下沉傳遞至地表；限制巖層下沉并增強(qiáng)巖層力學(xué)性能，使覆巖形成的承載結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定并發(fā)揮較好支承作用，以控制巖層下沉量減弱地表下沉。與其他方法相比，離層充填在地面完成，不影響工作面回采工作，對(duì)已有生產(chǎn)系統(tǒng)和生產(chǎn)活動(dòng)不產(chǎn)生干擾，可以獨(dú)立使用離層充填，也可結(jié)合其他措施共同使用，有利于實(shí)現(xiàn)工作面高產(chǎn)高效，既可將地表下沉控制在很小的范圍，又不曾加過(guò)多生產(chǎn)成本。但離層充填技術(shù)難度較大，其基礎(chǔ)理論、工藝流程等方面細(xì)節(jié)仍需深入研究和完善。
2.2.5 協(xié)調(diào)開(kāi)采
協(xié)調(diào)開(kāi)采就是通過(guò)優(yōu)化布置采場(chǎng)生產(chǎn)系統(tǒng)，合理設(shè)計(jì)工作面開(kāi)采順序、工作面間開(kāi)采間距、相互位置等采場(chǎng)結(jié)構(gòu)參數(shù)，使工作面回采與相臨工作面回采時(shí)所產(chǎn)生的覆巖移動(dòng)及地表變形相互抵消或抵消一部分，以減少采動(dòng)引起的地表下沉。但該技術(shù)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)優(yōu)化有很高要求，因此組織生產(chǎn)難度較大。
3 充填采煤技術(shù)在煤層開(kāi)采中的技術(shù)要點(diǎn)分析
充填開(kāi)采技術(shù)從1915 年在澳大利亞北萊爾礦應(yīng)用廢棄礦石充填礦房以來(lái)，在近百年的發(fā)展過(guò)程中，充填開(kāi)采技術(shù)在金屬礦山等采礦工程應(yīng)用中獲得長(zhǎng)足進(jìn)步，并取得非常良好的應(yīng)用效果。但在煤炭開(kāi)采過(guò)程中還沒(méi)有得到廣泛退剛使用，這主要與煤炭開(kāi)采的特殊環(huán)境條件等因素密不可分。因此，發(fā)展先進(jìn)的煤礦充填采煤技術(shù)就成為煤炭開(kāi)采研究人員研究的一個(gè)熱點(diǎn)和難點(diǎn)。就目前我國(guó)常采用的充填采煤技術(shù)來(lái)看，大致可以分為膏體充填采煤技術(shù)、矸石充填采煤技術(shù)、以及高水材料充填采煤技術(shù)等多種充填采煤技術(shù)。
3.1膏體充填采煤技術(shù)
膏體充填采礦技術(shù)在充填采礦工程中發(fā)揮非常重要的作用，尤其是在金屬采礦工程中得到廣泛推廣使用。膏體充填采煤技術(shù)實(shí)際就是將煤礦礦井附近的煤矸石、粉煤灰、河砂、以及城市固體廢棄垃圾等在需要填充的地面，按照相關(guān)配比要求加工制作成不需要進(jìn)行脫水處理的牙膏狀漿體，然后利用高壓充填泵或重力加壓進(jìn)行加壓灌注，通過(guò)漿體輸送管道送入到需要充填的礦井下，根據(jù)工程實(shí)際地形適時(shí)充填已經(jīng)采空的采煤區(qū)的充填采煤方法。由于膏體充填采煤技術(shù)所進(jìn)行的充填與采煤工序均位于同一個(gè)工作面，同時(shí)充填體的構(gòu)筑方法與金屬礦山充填有所不同，需要構(gòu)筑專門的充填膏體充填隔離支架，同時(shí)在充填過(guò)程中煤礦對(duì)充填材料強(qiáng)度性能水平要求較高，需要充填體在充填后數(shù)小時(shí)就能承載整個(gè)采煤過(guò)程。煤礦膏體充填采煤技術(shù)所采用的充填原材料多為劣質(zhì)低質(zhì)固體廢棄物，其充填原材料品質(zhì)間差距較大，質(zhì)量波動(dòng)非常大。
膏體充填采煤技術(shù)在采空區(qū)充填過(guò)程中具有料漿流動(dòng)性好、充填密實(shí)度高、以及充填體強(qiáng)度較高等優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)Σ傻V區(qū)周圍的巖層移動(dòng)與地表沉陷進(jìn)行有效控制。但由于整個(gè)膏體充填工程在初期投資非常高，根據(jù)大量文獻(xiàn)資料和實(shí)際工作經(jīng)驗(yàn)分析，初期投資通常高達(dá)3000 萬(wàn)元左右，這樣會(huì)導(dǎo)致煤礦噸煤充填成本相應(yīng)大大增高，大致為60～100 元/t，這也就限制了膏體充填技術(shù)在采煤過(guò)程中的應(yīng)用。
3.2矸石充填采煤技術(shù)
矸石充填采煤技術(shù)其主要充填材料為煤炭開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生的煤矸石，其主要?jiǎng)恿κ强匡L(fēng)力、重力、或其他機(jī)械等動(dòng)力將以煤矸石為主的固體廢棄物拋入或輸送到礦井采空區(qū)進(jìn)行充填采煤的方法。根據(jù)煤矸石動(dòng)力源的不同，可以將矸石充填采煤技術(shù)劃分為人工充填、自溜充填、風(fēng)力充填、普通機(jī)械化充填、以及綜合機(jī)械化充填等。人工煤矸石充填采煤技術(shù)由于其綜合充填效率水平較低、勞動(dòng)工作強(qiáng)度較大，加上回采工藝適應(yīng)性非常差，在煤炭充填開(kāi)采中很少采用。自溜充填和風(fēng)力充填技
術(shù)由于受到源動(dòng)力輸送不穩(wěn)定等因素的制約，只有在外部條件非常優(yōu)越特殊的礦區(qū)使用。普通機(jī)械化是根據(jù)采空區(qū)實(shí)際情況，采用專門機(jī)械如拋?lái)窓C(jī)等)將采煤過(guò)程中產(chǎn)生的煤矸石拋射向采空區(qū)進(jìn)行充填采煤。普通機(jī)械化煤矸石充填技術(shù)利用井下開(kāi)采過(guò)程中形成的煤矸石進(jìn)行填充，其充填系統(tǒng)較為簡(jiǎn)單，裝備綜合投資成本較低，多用在薄及中厚煤層普采工藝中進(jìn)行充填采煤。綜合機(jī)械化矸石充填采煤技術(shù)，是指在綜合機(jī)械化采煤作業(yè)工作面上，同時(shí)利用相關(guān)機(jī)械實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化矸石充填工
程，是一個(gè)在采煤作業(yè)工作面上集采煤和充填等多工藝為一體的綜合采煤技術(shù)。
3.3高水材料充填煤采技術(shù)
高水材料充填采煤技術(shù)就是在充填材料中加入高水速凝固結(jié)材料的一種充填采煤技術(shù)，此采煤技術(shù)由于其用水量高，相應(yīng)填充材料中所需固體材料就會(huì)減少，不僅可以有效克服煤礦充填過(guò)程中固體充填材料不足問(wèn)題，同時(shí)有效簡(jiǎn)化其他充填技術(shù)在實(shí)際填充過(guò)程中需要購(gòu)置龐大充填系統(tǒng)的填充工藝，加上填充固體材料使用量減少，充填料漿流動(dòng)性好，填充施工操作較為方便，且投資較小，可以降低煤炭填充開(kāi)采綜合投資成本。但由于該技術(shù)中所使用高水材料填充物的抗風(fēng)化及抗高溫性
能較差，煤礦采空區(qū)的充填物質(zhì)量長(zhǎng)期穩(wěn)定性能較差。
此外，相對(duì)于全部充填采煤技術(shù)而言，部分充填采煤技術(shù)充分利用了采煤區(qū)的覆巖結(jié)構(gòu)的自承載能力，從而大大減少充填工程量，有效降低了煤礦充填開(kāi)采綜合成本。
實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化固體充填采煤的技術(shù)難點(diǎn)在于解決采空區(qū)實(shí)施充填的充填空間、充填通道、以及充填過(guò)程所帶來(lái)的動(dòng)力學(xué)問(wèn)題。從大量工程實(shí)踐，筆者認(rèn)為在采用綜合機(jī)械化固體充填技術(shù)進(jìn)行綜合采煤時(shí)，可以采取以下幾種方法來(lái)解決綜采作業(yè)面上進(jìn)行綜合機(jī)械化固體充填采煤工藝中所存在的三大技術(shù)難題:
1、拆除常規(guī)綜采液壓支架的掩護(hù)斜梁，用水平短梁取而代之,將填充固體直接充入到水平短梁掩護(hù)空間內(nèi)，并不是將填充固體直接充入到采空區(qū)內(nèi)，從而有效解決綜合機(jī)械化固體充填采煤工藝中充填空間不足問(wèn)題；
2 、通過(guò)帶式輸送機(jī)將已配比好的充填固體直接運(yùn)至掛在充填機(jī)械掩護(hù)短梁下面的刮板式充填機(jī)中,使采空區(qū)充填固體始終處于連續(xù)輸送通道中，從而有效解決充填通道不連續(xù)，容易堵塞等問(wèn)題；
3 、充填固體由于自重從刮板式充填機(jī)開(kāi)口中直接落入掩護(hù)短梁的掩護(hù)空間中,并再加壓實(shí)機(jī)(或輔助動(dòng)力機(jī))的壓力作用下將充填體在采空區(qū)中進(jìn)行充分壓實(shí),從而實(shí)現(xiàn)煤矸石等固體填充物具有非常好的密實(shí)性能，為采空區(qū)充填后采煤提高一個(gè)優(yōu)良工作環(huán)境。
矸石充填采煤技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析
矸石充填采煤技術(shù)不僅解決了采煤過(guò)程中產(chǎn)生大量煤矸石等固體廢棄物問(wèn)題，同時(shí)實(shí)行礦井充填開(kāi)采相結(jié)合的煤炭綜合開(kāi)采技術(shù)，可以有效提高礦井中有效煤炭資源的采出率，為煤礦企業(yè)創(chuàng)造出更大的經(jīng)濟(jì)效益。從實(shí)際應(yīng)用所帶來(lái)的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益來(lái)看，矸石充填采煤技術(shù)給各煤礦均帶來(lái)了豐厚的利潤(rùn)。據(jù)一些統(tǒng)計(jì)資料分析，膏體充填采煤技術(shù)其綜合成本最高，大約為105 元/t；而高水材料充填采煤技術(shù)由于其充填材料均需外購(gòu)，加上后期維護(hù)成本較高，其綜合成本大約為67 元/t，似膏體充填采煤技術(shù)其綜合成本大約為73 元/t；而綜合機(jī)械化矸石充填采煤技術(shù)其綜合成本大約為55 元/t。
4 國(guó)內(nèi)外充填開(kāi)采技術(shù)研究現(xiàn)狀
充填工藝不僅可以減少地下開(kāi)采對(duì)地面沉陷造成的危害，減輕井下巷道和工作面受采動(dòng)影響，便于頂板管理，有利于安全生產(chǎn)、改善巷道維護(hù)及運(yùn)輸、通風(fēng)和瓦斯管理，而且對(duì)實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采、美化生態(tài)環(huán)境有重要意義。我國(guó)充填采礦從20世紀(jì)70年代就開(kāi)始研究，并形成了幾類成熟的充填方法，按充填動(dòng)力分，可分為水利充填、膠結(jié)充填、氣力充填等。
4.1水力充填法
水力充填法是采用水力輸送方式、通過(guò)充填管路將充填料漿送人采空區(qū)進(jìn)行充填的充填采礦法。水力充填主要特點(diǎn)是將充填材料借助水力充入井下采空區(qū)，其充填料的輸送濃度較低．一般在60％一70％．需要在采場(chǎng)大量脫水；且由于采用管道輸送，故對(duì)充填料的最大粒徑有所限制．否則管道易被堵塞。常用的水力充填材料有尾礦、碎石、砂卵石、山砂、河沙和工業(yè)廢渣等。
1864年，在美國(guó)賓夕法尼亞的一個(gè)煤礦區(qū)進(jìn)行了第一次水砂充填試驗(yàn)，以保護(hù)一座教堂的基礎(chǔ)安全。隨后南非、德國(guó)等國(guó)家也先后試驗(yàn)并成功運(yùn)用了水砂充填，工藝。進(jìn)入20世紀(jì)后，加拿大和澳大利亞等國(guó)的一些礦山應(yīng)用了水砂充填技術(shù)．從此真正開(kāi)始將礦山充填納入采礦計(jì)劃，成為采礦系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，并且對(duì)充填料及其充填工藝開(kāi)展了研究。到目前為止．水砂充填的礦山已較多，如國(guó)外澳大利亞的布羅肯希爾礦和加拿大的一些礦山均廣泛應(yīng)用了這一工藝。早在1982年．加拿大多姆礦還對(duì)高濃度充填采礦法做了深入研究。
我國(guó)是世界上最早利用水力進(jìn)行充填的國(guó)家之一。在20世紀(jì)初，內(nèi)蒙古的扎賚諾爾礦和撫順礦Ⅸ就采塒水力充填對(duì)特厚煤層進(jìn)行開(kāi)采．撫順礦區(qū)在開(kāi)采特厚煤層時(shí)還采用了傾斜分層V型長(zhǎng)壁上行充填采煤法。另外．新汶等礦區(qū)利H水力充填技術(shù)成功地解決了“三下”采煤?jiǎn)栴}。通過(guò)實(shí)踐．我國(guó)在水力充填系統(tǒng)設(shè)計(jì)及水利充填采煤技術(shù)方面均已積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。在其他礦山應(yīng)用的有：湘潭錳礦亦從1960年開(kāi)始采用碎石水力充填工藝，以防止礦坑的內(nèi)閑火災(zāi)。并取得了較好的效果；錫礦山南礦在1965年為了控制大面積地壓活動(dòng)，首次采州了尾礦水力充填采空區(qū)工藝，有效地減緩了地表下沉。進(jìn)入20世紀(jì)90年代，已在國(guó)內(nèi)60余座黃金、有色和黑色等金屬礦山的開(kāi)采中廣泛應(yīng)用了水砂充填丁藝。但由于采用水力充填采空Ⅸ時(shí)需消耗大量充填材料，充填工藝復(fù)雜，全部人工操作．且由于輸送時(shí)易造成輸送管路堵塞、輸送成本高等原崗未能得到廣泛的應(yīng)用。
4.2膠結(jié)充填法
由于水砂充填體的強(qiáng)度較低，且井下排水較為困雌，20世紀(jì)印至70年代開(kāi)始應(yīng)用和研發(fā)尾礦膠結(jié)充填技術(shù)。膠結(jié)充填始于20世紀(jì)50年代的加拿大，其代表礦山有澳大利亞的芒特艾薩礦。20世紀(jì)80至90年代．隨著采礦丁業(yè)的發(fā)展．原充填工藝已不能滿足同采工藝的要求和進(jìn)一步降低采礦成本或環(huán)境保護(hù)的需要．因而發(fā)展了高濃度充填技術(shù)、膏體充填、塊石砂漿膠結(jié)充填和全尾礦膠結(jié)充填等新技術(shù)，使膠結(jié)充填技術(shù)日益完善，并獲得推廣應(yīng)用。這些充填技術(shù)成果包括全尾礦膠結(jié)充填技術(shù)、塊石砂漿膠結(jié)充填技術(shù)和膏體泵送充填技術(shù)等。
4.2.1全尾礦膠結(jié)充填
這是以全尾礦作為集料的膠結(jié)充填方式，近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)此開(kāi)展了廣泛的研究與推廣應(yīng)用。全尾礦膠結(jié)充填料的主要特點(diǎn)是細(xì)粒級(jí)顆粒含量大，其表面積大大增加，構(gòu)成一種具有觸變性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)分散系。國(guó)外在這方面的貢獻(xiàn)主要有前蘇聯(lián)列寧諾爾克公司在活化攪拌技術(shù)方面的研究．加拿大威斯特明資源公司在全尾礦脫水技術(shù)方面的研究。我國(guó)于“七五”期間在高濃度全尾礦膠結(jié)充填技術(shù)攻關(guān)試驗(yàn)研究獲得成功，其巾凡口礦在全尾礦膠結(jié)充填試驗(yàn)期間的尾礦利用牢達(dá)到90％．充填料輸送質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到75％?！熬盼濉逼陂g開(kāi)展的“深部全尾礦膠結(jié)充填新材料新技術(shù)研究”，試驗(yàn)期問(wèn)的尾礦利片{率達(dá)到85％。20世紀(jì)90年代全尾礦活化攪拌機(jī)的應(yīng)坩標(biāo)志著全尾礦膠結(jié)充填技術(shù)在我國(guó)走向成熟。全尾礦膠結(jié)充填的優(yōu)點(diǎn)是可以解決充填材料來(lái)源不足、地表上不適宜建尾礦庫(kù)和尾礦巾含有有害物質(zhì)而需要處理的礦山。從而實(shí)現(xiàn)礦山的綠色開(kāi)采。全尾礦膠結(jié)充填之所以沒(méi)有得到廣泛應(yīng)用．是網(wǎng)為其充填材料力學(xué)強(qiáng)度不夠．需要消耗大量水泥。經(jīng)濟(jì)效益低。
4.2.2塊石砂漿膠結(jié)充填
塊石膠結(jié)充填是將一定量的粗骨料和膠結(jié)料漿混合充人采場(chǎng)或采空區(qū)，并使之成為膠結(jié)整體的工藝過(guò)程。塊石砂漿膠結(jié)充填方式的基本特點(diǎn)是以砂漿包裹塊石形成膠結(jié)充填體．無(wú)需攪拌，其充填體強(qiáng)度接近于混凝土膠結(jié)充填強(qiáng)度。與混凝土膠結(jié)充填相比，充填效率大大提高，工藝更為簡(jiǎn)單。工人勞動(dòng)強(qiáng)度大大降低。由于充填體中的部分砂漿被塊石替代，可顯著降低充填成本，闌此其發(fā)展速度較快。該?。囈话氵m朋于大采場(chǎng)充填．塊石主要來(lái)自于地表采石場(chǎng)。國(guó)外采用這種充填方式的有芬蘭Enonkoski礦和哈薩克斯坦有色系統(tǒng)礦山．國(guó)內(nèi)代表是銅坑錫礦。這種充填方式的優(yōu)點(diǎn)是能緩解或減少坑下廢石提升及其費(fèi)用，減少地表廢石堆場(chǎng)及對(duì)環(huán)境的污染，減少水泥砂漿州量，降低水泥消耗量，從而降低充填成本．且充填體易于接頂，有利于采場(chǎng)穩(wěn)定和采礦作業(yè)安全。不過(guò)由于塊石及塊石膠結(jié)料的運(yùn)輸比細(xì)砂漿管道輸送困難得多，且需要設(shè)地表采石場(chǎng)．初期投資偏大，在我國(guó)沒(méi)有得到廣泛的應(yīng)用。
4.3膏體泵送充填
膏體泵送充填是將充填材料制成膏狀稠料。借助正壓排量泵輸送到采空氏的工藝過(guò)程。膏體泵送充填特點(diǎn)是充填料是一種不析水的物料集合體。為了有可泵性好的稠料．則物料配合有較嚴(yán)格的要求?，F(xiàn)在工業(yè)上較常用的配方是粗物料+細(xì)物料+超細(xì)物料。膏體泵送充填可獲得高密度充填體，井下不需脫水，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制。20世紀(jì)80年代末．膏體泵送充填技術(shù)首先在德國(guó)的格隆德礦應(yīng)用成功，隨后又在美國(guó)、英國(guó)、澳大利亞、加拿大、土耳其和葡萄牙等主要采礦國(guó)家的金屬礦山得到了廣泛應(yīng)用。1991年，德國(guó)沃爾薩姆煤礦成功應(yīng)用了這一技術(shù)。我國(guó)于1994年在金JIl---礦率先成功應(yīng)用了這一技術(shù)．隨后又在銅綠山銅礦、喀啦通克銅礦和山東湖田鋁土礦建成了膏體泵送充填系統(tǒng)。1．3氣力充填法氣力充填義稱風(fēng)力充填。氣力充填是一種利用空氣流作為輸送動(dòng)力．在管道巾搬運(yùn)粉粒狀固體物料進(jìn)行充填的一種方法。氣力充填具有充填帶密實(shí)性好、護(hù)巷帶窄、強(qiáng)度高、對(duì)充填材料性能要求不高且充填系統(tǒng)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。一國(guó)外兩德是最早應(yīng)用氣力充填的國(guó)家之一。根據(jù)不同的條件和液壓支架的形式，西德研究了3種架后充填的配置方式：跺式支架正面充填、節(jié)式支架側(cè)向充填和掩護(hù)式支架正面充填。加拿大國(guó)際金屬公司的D·蘭德里雅特等人對(duì)高濃度充填料的氣力充填方法也進(jìn)行了一定的研究，并指出了其最大的缺點(diǎn)是管路磨損消耗。國(guó)內(nèi)學(xué)者林汀對(duì)氣力輸送系統(tǒng)流動(dòng)特性進(jìn)行了一系列研究，對(duì)氣力輸送系統(tǒng)的氣固兩相流動(dòng)特性、氣力輸送系統(tǒng)的堵塞控制、低能耗、高效牢設(shè)計(jì)運(yùn)行等過(guò)程控制作了比較全面的探討．進(jìn)一步完善了氣力輸送系統(tǒng)的輸送理論和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。開(kāi)灤礦務(wù)局與北京開(kāi)采所主動(dòng)承擔(dān)了科技攻關(guān)項(xiàng)目——采煤工藝改革安全技術(shù)研究．并在唐山礦進(jìn)行了風(fēng)力充填護(hù)巷帶沿空留巷和一巷兩用的工業(yè)性試驗(yàn)。我國(guó)焦作和北京等礦區(qū)也曾進(jìn)行過(guò)工業(yè)試驗(yàn)，但未能廣，現(xiàn)仍在進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)。目前氣力充填技術(shù)在煤礦中應(yīng)用還不成熟。
5 充填開(kāi)采技術(shù)研究展望
我國(guó)是礦產(chǎn)資源大國(guó)，同時(shí)也是礦產(chǎn)資源生產(chǎn)和消耗大國(guó)．我們?cè)陂_(kāi)采礦產(chǎn)資源的同時(shí)不可避免地會(huì)擾動(dòng)和破壞地表環(huán)境，帶來(lái)安全隱患。隨著工業(yè)飛速發(fā)展．礦產(chǎn)需求迅速增加，開(kāi)采礦產(chǎn)資源所引發(fā)的環(huán)境破壞和廢料排放已成為相當(dāng)嚴(yán)峻的問(wèn)題，世界各國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人、環(huán)境爭(zhēng)家和采礦擘家均提出了礦山資源綠色開(kāi)采。
采空區(qū)充填可以解決地表環(huán)境、廢料排放、安全方面等問(wèn)題。在礦山開(kāi)采的同時(shí)。因開(kāi)采形成了大量采空區(qū)．用崩落采礦法回采時(shí)會(huì)造成地表塌陷。如果用空?qǐng)霾傻V法同采時(shí)．又會(huì)留下采空區(qū)。采空區(qū)的存在會(huì)使巖體中應(yīng)力重新分布，這又會(huì)導(dǎo)致采空區(qū)頂板、嗣巖和礦柱發(fā)生變形、破壞和移動(dòng)，而采用充填采礦法會(huì)很好解決這些問(wèn)題。在廢料排放方面．采礦實(shí)際就是開(kāi)采資源和廢料排放的過(guò)程。我國(guó)在開(kāi)采礦產(chǎn)資源過(guò)程巾排放的廢料占全圍下業(yè)廢棄物排放總量的85％?，F(xiàn)在的采礦模式顯著增加了地球環(huán)境負(fù)荷，不能滿足可持續(xù)發(fā)展原則。而充填采礦法正是利用這些廢料作為充填物料．這不僅解決了物料排放問(wèn)題，而且還大大降低了充填費(fèi)朋。安全方面。充填采礦還可以解決由于采空區(qū)誘發(fā)的礦區(qū)塌陷、滑坡、地震、礦井突水、瓦斯、頂板冒落等地質(zhì)災(zāi)害，以及廢石場(chǎng)引發(fā)泥石流及尾砂庫(kù)潰壩等災(zāi)害。在煤礦方面，充填采礦還可以更好地解決“三下”壓煤及留設(shè)保護(hù)煤柱問(wèn)題。能明顯地改善深井支護(hù)條件、提高同采率降低貧化率等。充填采礦法必將是礦山開(kāi)采中的一朵奇葩。在2l世紀(jì)嬌艷地綻放。
5.1膏體充填技術(shù)
5.1.1膏體充填技術(shù)研究背景
據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國(guó)的煤炭資源儲(chǔ)存總量中有超過(guò)30%的煤炭埋藏在水體下、建筑下、路橋下（簡(jiǎn)稱“三下”）等不宜開(kāi)采或開(kāi)采后不允許產(chǎn)生塌陷的區(qū)域[1]。我國(guó)是一個(gè)煤炭資源產(chǎn)出大國(guó)，也是一個(gè)以煤炭為主要能源的能源消費(fèi)大國(guó)，這幾年，隨著全球能源問(wèn)題的日益突出，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)煤炭需求量成大幅增長(zhǎng)趨勢(shì)，露天煤礦及埋藏較淺的煤炭資源由于儲(chǔ)量較少，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需要；埋藏較深的煤礦資源因?yàn)殚_(kāi)采技術(shù)條件和開(kāi)采設(shè)備的原因也受到了很大的的限制。隨著國(guó)內(nèi)能源市場(chǎng)對(duì)煤炭資源的需求量的不斷加大以及我國(guó)煤炭資源的特點(diǎn)，探索如何對(duì)深層煤炭資源的開(kāi)發(fā)利用及對(duì)后續(xù)問(wèn)題的妥當(dāng)處理已經(jīng)受到了政府部門的重視，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)和科研機(jī)構(gòu)都在加大對(duì)這方面的研究，已經(jīng)取得了不少成果。但是，開(kāi)采深層煤炭資源仍舊面臨著很多的問(wèn)題。近兩年，在我國(guó)部分地區(qū)頻繁發(fā)生地震等自然災(zāi)害，已經(jīng)給人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)造成了極大的損失，比如陜西省神木縣與府谷縣一年就發(fā)生了5 次震級(jí)在里氏2。0- 3。5 級(jí)的地震，最近一次為2010 年12 月28 日，經(jīng)陜西省地震局確認(rèn)，此種地震多為采空區(qū)塌陷引發(fā)的地震。
在我國(guó)因煤炭開(kāi)采而造成的地面塌陷已達(dá)60 多萬(wàn)公頃，且每年新增沉陷面積達(dá)4 萬(wàn)公頃之多，同時(shí)地面塌陷在地質(zhì)、環(huán)保和安全等方面的負(fù)面影響也是不可估量的，如何解決因地下煤炭資源的采出而產(chǎn)生的地面塌陷問(wèn)題已經(jīng)成為了煤炭行業(yè)亟待解決的一個(gè)問(wèn)題；另一方面，煤礦在開(kāi)采過(guò)程中產(chǎn)生大量的煤矸石，堆積在地面不僅占用大量的土地，而且一遇大風(fēng)天氣便會(huì)出現(xiàn)粉塵彌漫的現(xiàn)象，不僅對(duì)附近農(nóng)田和水利造成很大的影響，而且污染了居民區(qū)環(huán)境；城市生活垃圾和城市工業(yè)產(chǎn)生的粉煤灰也會(huì)產(chǎn)生一系列環(huán)境問(wèn)題，探求如何變廢為寶、加以利用至關(guān)重要。以上所有問(wèn)題，都可以通過(guò)采用合理的充填技術(shù)得到很好的解決。
煤礦采空區(qū)回填采用膏體充填是一種新型的煤礦開(kāi)采技術(shù)模式,是為解決“三下”煤炭資源的開(kāi)采、提高煤炭資源采出率、保護(hù)生態(tài)環(huán)境而提出的。煤礦采空區(qū)膏體充填技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)采空區(qū)的充填，及時(shí)對(duì)采空區(qū)地殼進(jìn)行支撐，有效避免了地下采空區(qū)域因不能承受巨大的壓力而產(chǎn)生的地表塌陷問(wèn)題。這幾年隨著煤礦充填站技術(shù)、長(zhǎng)距離泵送技術(shù)的不斷成熟，深層采煤及“三下”采煤出現(xiàn)的問(wèn)題正逐步得到解決。因此，推廣煤礦采空區(qū)膏體充填技術(shù)是實(shí)現(xiàn)煤炭企業(yè)清潔發(fā)展、綠色開(kāi)采，保證采空區(qū)安全發(fā)展和可持續(xù)發(fā)展的重要舉措。
5.1.2膏體充填技術(shù)的特點(diǎn)
膏體充填技術(shù)是在20 世紀(jì)80 年代初發(fā)展起來(lái)的一種基于煤礦“綠色開(kāi)采”理念的新型開(kāi)采技術(shù)，它可用于煤炭置換開(kāi)采或者是煤礦采空區(qū)充填支護(hù)等。以煤矸石為骨料的膏體充填開(kāi)采技術(shù)是一種新的充填開(kāi)采方法，其主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
2.1 膏體充填技術(shù)的原材料主要是煤矸石、粉煤灰、爐渣、河沙或城市固體垃圾等固體廢棄物。膏體充填原材料來(lái)源廣泛，可以將煤礦遺留下來(lái)的矸石，城市生活垃圾及工業(yè)廢渣回收利用，變廢為寶。既可以解決深層采煤和“三下”采煤?jiǎn)栴}，又解決了礦區(qū)和城市環(huán)境問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了環(huán)境與經(jīng)濟(jì)效益的雙贏。
2.2 將原材料制成膏體再輔以膠結(jié)材料就可以在地面上加工制成膏狀漿體。通常情況下，制成的膏體具有無(wú)臨界流速、與水相融、不沉淀、泵送性能良好、可以長(zhǎng)距離進(jìn)行管道輸送的優(yōu)點(diǎn)[2]。
2.3 膏體經(jīng)管路泵送到煤礦井下待充填區(qū)域后，由于膠結(jié)材料的作用可以在短時(shí)間內(nèi)就能夠凝結(jié)固化到能夠自穩(wěn)并達(dá)到脫模條件、達(dá)到預(yù)定的支護(hù)強(qiáng)度；特殊情況下，即使充填體局部達(dá)到強(qiáng)度極限破壞后，整個(gè)充填體仍具有較高的承載性能。
2.4 膏體充填形成大體積固化體，有利于控制充填材料中物質(zhì)的溶出與遷移，不會(huì)對(duì)地下水資源造成影響。采空區(qū)采用膏體全部充填后，頂?shù)装鍘r層不會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性破壞，不改變頂?shù)装宓叵滤到Y(jié)構(gòu)，也有利于控制和限制充填材料中物質(zhì)的遷移和影響。膏體充填的一個(gè)顯著特點(diǎn)是基本不泌水，充填時(shí)泌出的水分基本被頂?shù)装鍘r石吸收或被工作面排水系統(tǒng)外排，不會(huì)對(duì)地下水環(huán)境產(chǎn)生不利的影響。實(shí)際上，由于采空區(qū)采用膏體全部充填后，不改變礦井地下水系結(jié)構(gòu)，反而有利于保護(hù)地下水資源。基于膏體充填技術(shù)，利用泵送設(shè)備將膏體通過(guò)管道輸送到井下,及時(shí)對(duì)采空區(qū)實(shí)施充填,形成以膏體充填體為主的覆巖支撐體系,能夠有效地控制地表因開(kāi)采出現(xiàn)的沉陷在允許值范圍內(nèi),保護(hù)地面建筑物不受破壞,提高煤炭資源采出率,改善煤礦安全生產(chǎn)條件,解決“三下”煤炭資源開(kāi)采問(wèn)題,保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境,并使煤礦固體廢棄物得以資源化。
5.1.3膏體充填技術(shù)應(yīng)用實(shí)例
邢臺(tái)礦7606 充填工作面處于工業(yè)廣場(chǎng)煤柱內(nèi), 走向長(zhǎng)度為460m,傾斜長(zhǎng)度為50m,可采儲(chǔ)量11。7 萬(wàn)工。7606 工作面從2008 年12 月17 日正式試采, 到2009 年5 月24 日結(jié)束, 累計(jì)采出原煤11154 萬(wàn)工,充填矸石粉煤灰地面固體廢棄物1216 萬(wàn)工,實(shí)際充填率達(dá)到98%以上,生產(chǎn)效率每工作面達(dá)到22工,矸石充填開(kāi)采成本較低,每噸增加成本在50 至55 元左右,創(chuàng)直接經(jīng)濟(jì)效益4400 萬(wàn)元。
5.2超高水材料充填開(kāi)采試驗(yàn)研究
邯鄲礦業(yè)集團(tuán)各礦地質(zhì)條件復(fù)雜，煤炭資源回收率較低，大量的“三下”壓煤因開(kāi)采成本高或安全風(fēng)險(xiǎn)較大而不能開(kāi)采。截至2008 年，邯鄲礦業(yè)集團(tuán)保有資源總量為9。 36億工，其中“三下”壓煤3。 52 億工，占資源總量的37。 6%。按礦區(qū)目前的可采儲(chǔ)量和生產(chǎn)情況，礦區(qū)壽命僅15 年左右，而該礦區(qū)又沒(méi)有新的探明資源可供接替。因此，邯鄲礦業(yè)集團(tuán)急于尋求新的能有效解決“三下”煤炭開(kāi)采的技術(shù)方法。2008 年起，邯鄲礦業(yè)集團(tuán)與中國(guó)礦業(yè)大學(xué)進(jìn)行技術(shù)合作，在陶一礦開(kāi)展了超高水材料充填開(kāi)采的試驗(yàn)研究。陶一礦充填開(kāi)采試驗(yàn)共設(shè)計(jì)了連續(xù)的5 個(gè)試驗(yàn)面。目前，已有4 個(gè)試驗(yàn)面開(kāi)采完畢，分別采用了開(kāi)放式、包式和混合式充填方法。
5.2.1地質(zhì)與生產(chǎn)條件概況
充填試驗(yàn)面位于七采區(qū)南翼、停駟頭村保護(hù)煤柱范圍內(nèi)，共設(shè)計(jì)了5 個(gè)充填面，即12701 上01 ～ 05 面( 以下簡(jiǎn)稱“充1 ～ 5 面”) 。試驗(yàn)面埋深315。 1 ～ 365。 9m，對(duì)應(yīng)地面在停駟頭村東部，型煤場(chǎng)西部。地表有民房建筑、沖溝、梯田。工作面長(zhǎng)50m，推進(jìn)長(zhǎng)度220m 左右，沿煤層走向布置，仰斜推進(jìn)。試驗(yàn)面布置如圖1 所示。
工作面主采2#煤層，煤層厚3。 5 ～ 4。 3m，平均3。 97m。直接頂為厚5。 63m 左右的粗粉砂巖。底板為厚4。 1m 左右的閃長(zhǎng)巖。據(jù)臨近試驗(yàn)面的開(kāi)采情況可知，直接頂和老頂具有較好的穩(wěn)定性，老頂可起到采空區(qū)開(kāi)放式充填條件下的關(guān)鍵層作用。
工作面采用傾斜長(zhǎng)壁采煤法，綜采一次采全高回采工藝，超高水材料充填法處理采空區(qū)，只在充5 面的一小段嘗試了炮采條件下的超高水材料包式充填法。工作面采用區(qū)段跳采的方法進(jìn)行回采，開(kāi)采順序?yàn)?→3→5→2→4。工作面回風(fēng)斜巷、運(yùn)輸斜巷和切眼均沿煤層頂板掘進(jìn)，巷道均采用錨網(wǎng)梁加錨索支護(hù)。
5.2.2超高水材料簡(jiǎn)介
超高水材料［2］主要由A、B 兩種物料組成。A 料主要以鋁土礦、石膏等獨(dú)立煉制并復(fù)合超緩凝分散劑構(gòu)成，B 料由石膏、石灰與復(fù)合速凝劑構(gòu)成，二者以1∶ 1 比例配合使用。超高水材料水體積可達(dá)97%，具有凝固速度快( 20～90min 內(nèi)凝結(jié)) 、早期強(qiáng)度高、固結(jié)體不可壓縮、承載性能好、可根據(jù)工程需要對(duì)材料強(qiáng)度和凝固時(shí)間進(jìn)行調(diào)控等優(yōu)良性能［2 － 4］，非常適應(yīng)于井下大體積空間( 如采空區(qū)、廢棄巷道等) 的充填需要。
5.2.3超高水材料采空區(qū)充填方法簡(jiǎn)介
采空區(qū)充填方法與充填材料有關(guān)，超高水材料主要有開(kāi)放式、包式和混合式三種采空區(qū)充填方法。下面分別對(duì)其作簡(jiǎn)要介紹。
開(kāi)放式充填法
該方法是在仰斜開(kāi)采條件下，對(duì)采空區(qū)不進(jìn)行任何調(diào)控，超高水材料漿液直接灌入采空區(qū)并固結(jié)形成充填體的充填方式。
1) 優(yōu)點(diǎn): 充填與開(kāi)采互不影響; 充填工藝簡(jiǎn)單，人員需求少，易于組織與管理; 工作面支架無(wú)需改造; 不需要控制直接頂，人員作業(yè)不在采空區(qū)，作業(yè)過(guò)程安全可靠。
2) 缺點(diǎn): 當(dāng)煤層頂板非常好，在采空區(qū)既不垮落又不斷裂，而只是均勻下沉?xí)r，超高水材料漿液將不能滲透到采空區(qū)上覆巖層的裂隙和離層空間中，充填效果會(huì)受到影響。此外，當(dāng)工作面涌水量較大時(shí)，充填效果也會(huì)受到影響，需采取疏治水措施。
3) 適用條件: 煤層傾角較大的仰采工作面。
包式充填法
該方法是在采空區(qū)范圍內(nèi)全部布置充填袋，袋內(nèi)充入超高水充填材料，凝固后對(duì)上覆巖層直接進(jìn)行支撐。
1) 優(yōu)點(diǎn): 適用性更廣，能適用于現(xiàn)有大多數(shù)采煤方法與回采工藝條件下的采空區(qū)充填要求; 可直接控制直接頂，充填效果直觀; 不受工作面涌水影響。
2) 缺點(diǎn): 充填包架設(shè)工序較復(fù)雜，工作量較大; 充填與回采存在相互影響; 充填成本較高。
混合式充填法
該方法是前兩種充填方法的結(jié)合，可根據(jù)需要采用不同的結(jié)合方式。通過(guò)上述幾種充填方法，可使該技術(shù)應(yīng)用于各種條件下的充填開(kāi)采需求，在實(shí)際生產(chǎn)中可以根據(jù)需求靈活選用。在陶一礦的試驗(yàn)中，充1 和充3 面采用開(kāi)放式充填法，充2 和充4 面采用包式充填法，充5 面部分采用包式充填法，部分采用混合式充填法。
5.2.4超高水材料充填工藝系統(tǒng)
超高水材料含水量高，將其輸送至采空區(qū)需要相應(yīng)的配套設(shè)備與工藝。根據(jù)該材料特點(diǎn)，井下的充填工藝系統(tǒng)應(yīng)包括材料存放、漿體制備、漿體輸送以及漿體混合四個(gè)系統(tǒng)。其中，漿體制備系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，是充填工藝系統(tǒng)的核心。
漿體制備系統(tǒng)
漿體制備系統(tǒng)用于將固體粉料制成液態(tài)，便于管道長(zhǎng)距離輸送。它由A 料漿與B 料漿兩個(gè)制備子系統(tǒng)組成，各子系統(tǒng)均由給料、水與粉料計(jì)量、攪拌、漿體緩存等部分組成。漿體制備系統(tǒng)應(yīng)具備性能穩(wěn)定、制漿配比準(zhǔn)確等特點(diǎn)。根據(jù)制漿方式不同，可分為連續(xù)與半連續(xù)兩種形式。連續(xù)制漿是制漿系統(tǒng)可不斷地制備出漿體，過(guò)程連續(xù)不斷。此方式系統(tǒng)占用空間小，流程簡(jiǎn)單，但制漿配比不易調(diào)制，系統(tǒng)對(duì)設(shè)備可靠性要求高。
半連續(xù)制漿是指制漿過(guò)程是不連續(xù)的，在使用時(shí)，多個(gè)攪拌器交替工作，使料漿供給呈連續(xù)態(tài)，滿足料漿輸送要求。該方式漿體配比易于控制，準(zhǔn)確性高。
綜合考慮，陶一礦充填開(kāi)采試驗(yàn)選用半連續(xù)制漿系統(tǒng)，制漿設(shè)備選用鄭州華威水工機(jī)電工程有限公司生產(chǎn)的NJ72 －4D1200 型漿體生產(chǎn)線，每個(gè)子系統(tǒng)的制漿能力為60m3 /h。
漿體輸送系統(tǒng)
料漿輸送系統(tǒng)由泵送系統(tǒng)和管路系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)要求系統(tǒng)簡(jiǎn)單、運(yùn)行平穩(wěn)。輸送能力應(yīng)與制漿能力相匹配，滿足充填開(kāi)采要求。
1) 泵送系統(tǒng)。配制的超高水材料以漿體形式由管路輸送至采空區(qū)。可供選擇的泵送設(shè)備有離心泵與柱塞泵兩種。離心泵的可輸送漿體粒徑大，能力高，流量選擇范圍寬，價(jià)格低，但存在輸送壓力較小、輸送流量不夠準(zhǔn)確等問(wèn)題;柱塞泵具有吸漿負(fù)壓高，輸送壓力大，輸送流量準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，但輸送能力選擇范圍不寬，設(shè)備價(jià)格較高。由于超高水材料漿體輸送時(shí)要求流量穩(wěn)定，所以選擇柱塞泵泵送漿體。據(jù)此，陶一礦充填泵選用由石家莊煤礦機(jī)械有限公司生產(chǎn)制造的型號(hào)為工BW － 1200 /7B 的柱塞式充填泵，共需四臺(tái)，兩開(kāi)兩備。
2) 管路系統(tǒng)。配制好的超高水材料漿體通過(guò)兩條管路輸送至采空區(qū)，分別輸送A、B 料。
管路系統(tǒng)應(yīng)順暢，具有一定的耐壓能力。管材一般可選無(wú)縫鋼管，也可選用具有輸送阻力低、結(jié)實(shí)耐用等特點(diǎn)的管材。管徑依輸送物料特性、輸送能力及管內(nèi)無(wú)淤臨界流速來(lái)定。管路安裝時(shí)，應(yīng)盡量減少變徑、彎頭、閥門等的數(shù)量，避免人為造成的管路死角，降低管道輸送阻力。
根據(jù)上述要求及陶一礦試驗(yàn)面的實(shí)際情況，管道采用四寸無(wú)縫鋼管，單趟管路的輸送能力為60m3 /h，每路長(zhǎng)約1500m。管路內(nèi)各分段管路間用法蘭聯(lián)接。
混合系統(tǒng)
超高水材料的兩種不同漿體在進(jìn)入采空區(qū)之前應(yīng)充分混合?；旌舷到y(tǒng)應(yīng)具有如下特點(diǎn): ①混合裝置應(yīng)能承載較大的流量，但受回采巷道斷面限制，混合裝置不宜太大;②混合裝置除用于將A、B 兩種漿液混合之外，還應(yīng)具有將混合漿體導(dǎo)引至采空區(qū)的作用。
根據(jù)上述要求，混合系統(tǒng)采用8 寸管徑的三通，直接與進(jìn)漿管路、出漿管路相連接，出漿管路連接自制螺旋混合裝置，保證充填料的混合效果，后接普通管路進(jìn)入工作面采空區(qū)。
材料儲(chǔ)運(yùn)及供水系統(tǒng)
充填泵站建在井下時(shí)，超高水充填材料需要運(yùn)送至井下充填泵站。井下儲(chǔ)存空間需防潮，材料應(yīng)分類堆放。井下每日所用充填材料量需專人統(tǒng)計(jì)，保證材料儲(chǔ)量、品質(zhì)均滿足要求。
超高水充填材料用水量多，供水系統(tǒng)要穩(wěn)定可靠。一般情況下，充填材料所用水既可取自井底水倉(cāng)，也可利用充填泵站上位排放的污水。
5.2.5充填開(kāi)采效果評(píng)價(jià)
試驗(yàn)表明: 超高水材料充填開(kāi)采能有效地控制采空區(qū)覆巖的活動(dòng)和地表的沉陷。下面以充1 面為例進(jìn)行充填開(kāi)采效果評(píng)價(jià)。充1 面的礦壓觀測(cè)包括地面觀測(cè)、觀測(cè)巷觀測(cè)和工作面觀測(cè)。簡(jiǎn)述如下:
地面觀測(cè)結(jié)果
充1 面充填開(kāi)采結(jié)束一年多的地面觀測(cè)表明，地表沒(méi)有發(fā)生明顯變化。說(shuō)明采空區(qū)充填后上覆巖層得到有效控制，開(kāi)采對(duì)地表的影響很小。
觀測(cè)巷觀測(cè)結(jié)果
觀測(cè)巷位于工作面采空區(qū)上方正中央20m 處。由于觀測(cè)巷頂板處在不同的充填與回采方案實(shí)施段，對(duì)距切眼不同水平距離的觀測(cè)點(diǎn)的頂板最終下沉量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如圖5 所示。由圖可見(jiàn)，采空區(qū)充填越及時(shí)，觀測(cè)巷頂板下沉量越小。另外，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，采空區(qū)充填越及時(shí)，觀測(cè)巷的圍巖變形和破壞程度也越低。這些觀測(cè)結(jié)果為分析更上位巖層的活動(dòng)提供了可靠依據(jù)。
工作面觀測(cè)結(jié)果
在工作面液壓支架安設(shè)了壓力采集儀，24h 不間斷監(jiān)測(cè)工作面壓力的變化情況，分析充填開(kāi)采后工作面上覆巖層的活動(dòng)情況。
將所獲數(shù)據(jù)作歸類與加權(quán)處理后，再進(jìn)行數(shù)值擬合，得出了液壓支架活柱支護(hù)強(qiáng)度隨時(shí)間變化曲線( 如圖6 所示) 。從曲線可以看出: 未充填段末期液壓支架受力明顯增大，其它充填階段液壓支架受力都比較平緩; 液壓支架受力沒(méi)有周期性的增大現(xiàn)象; 隨著采空區(qū)得到及時(shí)充填，液壓支架承受的平均載荷也有所降低?？梢?jiàn)，在充填開(kāi)采條件下，工作面沒(méi)有出現(xiàn)周期來(lái)壓現(xiàn)象，工作面上覆巖層活動(dòng)因采空區(qū)得到及時(shí)充填而減緩。
另外，從超高水材料的滲透和固結(jié)情況來(lái)看: 超高水材料漿液可滲透并固結(jié)采空區(qū)圍巖中幾乎所有導(dǎo)通的縫隙;充填于采空區(qū)的超高水材料7d 強(qiáng)度可達(dá)0。 8MPa，固結(jié)體密實(shí)度高，凝固狀況良好，在三向受力狀態(tài)下對(duì)采空區(qū)上覆巖層起到了有效的支撐作用。
綜上所述，超高水充填材料因其具有良好的流動(dòng)性和可灌注性使采空區(qū)及其上覆巖層中幾乎所有導(dǎo)通的縫隙都被充填密實(shí)，使整個(gè)采空區(qū)形成了一個(gè)穩(wěn)固的支撐上覆巖層的承載體系。
另外，據(jù)最近一次地表測(cè)量可見(jiàn)，充填開(kāi)采后地表最大下沉量不到200mm，地表建筑物沒(méi)有出現(xiàn)明顯裂紋。可見(jiàn)，充填開(kāi)采取得了良好的效果。
5.2.6經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益
充填成本
充填材料成本為950 元/工。充填開(kāi)采的綜合成本是考慮充填材料成本、人工費(fèi)、電耗、設(shè)備維修、充填包以及排水費(fèi)用節(jié)約等內(nèi)容而算得的成本。
經(jīng)濟(jì)效益
目前陶一礦噸煤售價(jià)在600 元左右，煤炭開(kāi)采的常規(guī)成本約230 元/工，再加上增加的噸煤充填成本，則充1 面、充3 面凈獲利4772。 4 萬(wàn)元，充5 面凈獲利1580。7 萬(wàn)元，充2 面凈獲利1972。 4 萬(wàn)元。因此，陶一礦通過(guò)充填開(kāi)采目前已獲利8325。5 萬(wàn)元。
社會(huì)效益
該技術(shù)在陶一礦充填試驗(yàn)面的應(yīng)用成功，不僅為陶一礦“三下”煤炭開(kāi)采提供了有效的技術(shù)方法，為礦井的可持續(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，也為邯鄲礦業(yè)集團(tuán)其它礦“三下”煤炭開(kāi)采提供了有效的技術(shù)方法。該技術(shù)屬國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)，其成功實(shí)施為今后我國(guó)乃至世界地下礦床的充填開(kāi)采提供了新途徑與新方法，具有深遠(yuǎn)的社會(huì)效益。
5.3固體廢物膏體充填不遷村采煤
所謂固體廢物膏體充填不遷村采煤, 就是把煤礦附近的煤矸石、粉煤灰、工業(yè)爐渣、劣質(zhì)土、城市固體垃圾等在地面加工制作成不需要脫水處理的牙膏狀漿體, 采用充填泵或重力加壓, 通過(guò)管道輸送到井下, 適時(shí)充填采空區(qū)或離層區(qū), 形成以膏體充填體為主的上覆巖層支撐體系, 有效控制地表沉陷在建筑物允許值范圍內(nèi), 實(shí)現(xiàn)村莊不搬遷, 安全開(kāi)采建筑物下壓煤, 保護(hù)礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和地下水資源。 固體廢物膏體充填是煤礦綠色開(kāi)采技術(shù)的重要組成部分[ 1] 。
膏體充填技術(shù)在國(guó)外金屬礦山已經(jīng)有20 多年的發(fā)展歷史。 世界上首次膏體充填試驗(yàn)是1979 年在德國(guó)格倫德鉛鋅礦( Bed Grund Lead and ZincMine) 進(jìn)行的。 試驗(yàn)成功以后, 膏體充填技術(shù)在澳大利亞、奧地利、加拿大、英國(guó)、摩洛哥、葡萄牙、俄羅斯、南非、美國(guó)等國(guó)家得到了推廣應(yīng)用。 國(guó)內(nèi)金川有色金屬公司二礦區(qū)、大冶有色金屬公司銅綠山礦近年成功試驗(yàn)并應(yīng)用了膏體充填技術(shù)[ 2] 。 但是, 在我國(guó)煤炭系統(tǒng), 固體廢物膏體充填技術(shù)目前還處于研究階段, 煤礦不遷村膏體充填與金屬礦山膏體充填相比, 在充填材料、充填目的和充填要求等方面均不相同, 本文就煤礦膏體充填不遷村采煤技術(shù)的若干重大問(wèn)題進(jìn)行了分析研究, 以期對(duì)此項(xiàng)技術(shù)的研究與發(fā)展有所裨益。
5.3.1固體廢物膏體充填不遷村采煤的意義
村莊等建筑物下采煤一直是困擾我國(guó)煤礦生產(chǎn)正常接續(xù)和持續(xù)發(fā)展的重大問(wèn)題。 特別是我國(guó)東部地區(qū), 人口多, 村莊密度大, 村莊壓煤尤為嚴(yán)重。以山東省為例, 截止2001 年底, 山東全省村莊等建筑物下壓煤達(dá)44 億t, 占可采煤量的53 %( 倪永
康, 2002) 。 前些年資源充足時(shí), 一般都盡量繞過(guò)村莊開(kāi)采, 現(xiàn)在資源越來(lái)越少, 如果村莊壓煤開(kāi)采解決不好, 許多礦井將難以維持生產(chǎn)正常接續(xù), 面臨過(guò)早停產(chǎn)報(bào)廢的被動(dòng)局面, 影響地方經(jīng)濟(jì)健康穩(wěn)定發(fā)展和礦區(qū)職工的生產(chǎn)生活。
長(zhǎng)期以來(lái), 我國(guó)煤礦村莊壓煤主要采用遷村或條帶開(kāi)采的方法進(jìn)行開(kāi)采, 這兩種方法已經(jīng)越來(lái)越難以滿足村莊壓煤開(kāi)采的需要。 采用遷村法開(kāi)采村莊壓煤, 不需要改變采煤方法與工藝, 煤炭采出率較高, 但是存在以下問(wèn)題: 其一, 村莊搬遷成本不斷上升, 經(jīng)濟(jì)上使煤礦越來(lái)越難以承受。 如, 遷村采煤在兗州礦區(qū)噸煤增加成本高者已達(dá)20 元/ t, 將來(lái)還會(huì)更高。 其二, 遷村需要新占大量土地, 使本已嚴(yán)重的人多地少的矛盾更加突出。 其三, 開(kāi)采過(guò)程中對(duì)上覆巖層及地表造成嚴(yán)重破壞, 破壞土地, 甚至導(dǎo)致大量地下水流失。 其四, 遷村選址越來(lái)越困難,許多礦井搬遷距離大于5( 6 km, 有的甚至達(dá)到10km, 超出了原來(lái)耕作半徑, 給農(nóng)民帶來(lái)許多生產(chǎn)和生活的不便, 農(nóng)民不愿意搬遷, 引發(fā)復(fù)雜的工農(nóng)矛盾。 其五, 遷村過(guò)程耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng), 通常搬遷一個(gè)村莊需要數(shù)年時(shí)間。 采用條帶開(kāi)采, 雖然能夠?qū)崿F(xiàn)不遷村采煤, 但是煤炭采出率低, 一般條件下只有40( 60 % , 在厚煤層、薄基巖條件下采用條帶開(kāi)采, 采出率更低, 如山東太平煤礦在煤層厚度8 m, 大部分基巖厚度小于40 m 條件下, 采用條帶開(kāi)采, 采出率只有15 %左右, 資源浪費(fèi)十分嚴(yán)重。
所以, 我國(guó)急需發(fā)展新的不遷村采煤方法。 新的不遷村采煤方法應(yīng)該具有高產(chǎn)、高效、高采出率、環(huán)保、安全的技術(shù)特征。
(1)膏體充填的特點(diǎn)與技術(shù)優(yōu)勢(shì)
與煤礦曾經(jīng)采用過(guò)的普通水砂充填等比較, 膏體充填材料具有以下特點(diǎn):
1) 濃度高一般膏體充填材料質(zhì)量濃度大于75 %, 目前最高濃度達(dá)到88 %。 而普通水砂充填材料濃度低于65 %, 如, 我國(guó)阜新礦區(qū)水砂充填水砂比, 新平安礦為2。 7∶1～5。 3∶1, 新邱一坑為1。2∶1～2。 1∶1, 高德八坑為2∶1, 按照質(zhì)量濃度小于50%。 [ 3]
2) 流動(dòng)狀態(tài)為柱塞結(jié)構(gòu)流普通水砂充填料漿管道輸送過(guò)程中呈典型的兩相紊流特征, 管道橫截面上漿體的流速為拋物線分布, 從管道中心到管壁, 流速逐漸由大減小為零, 而膏體充填料漿在管道中基本是整體平推運(yùn)動(dòng), 管道橫截面上的漿體基本上以相同的流速流動(dòng), 稱之為柱塞結(jié)構(gòu)流。
3) 料漿基本不沉淀、不泌水、不離析膏體充填材料這個(gè)特點(diǎn)非常重要, 可以降低凝結(jié)前的隔離要求, 使充填工作面不需要復(fù)雜的過(guò)濾排水設(shè)施,也避免或減少了充填水對(duì)工作面的影響, 充填密實(shí)程度高。 而普通水砂充填, 除大部分充填水需要過(guò)濾排走以外, 常常還在排水的同時(shí)帶出大量的固體顆粒, 其量高者達(dá)40 %, 只在少數(shù)情況下低于15% , 產(chǎn)生繁重的沉淀清理工作。 [ 4]
4) 無(wú)臨界流速最大顆粒料粒徑達(dá)到25～35mm, 流速小于1 m/ s 仍然能夠正常輸送, 所以, 膏體充填所用的煤矸石等物料只要破碎加工即可,可降低材料加工費(fèi), 低速輸送能夠減少管道磨損。
5) 相同膠結(jié)料用量下強(qiáng)度較高可降低價(jià)格較貴的膠結(jié)料用量, 降低材料成本。
由于膏體充填材料具備上述特點(diǎn), 固體廢物膏體不僅能夠解決不遷村采煤, 而且可以取得比傳統(tǒng)水砂充填開(kāi)采更好的效果, 一方面, 不需要復(fù)雜的過(guò)濾排水設(shè)施, 充填系統(tǒng)簡(jiǎn)單, 維護(hù)工程量少, 另一方面, 充填效率高, 充填密實(shí)程度高, 有利于提高控制覆巖沉降效果, 再則膏體充填工作面環(huán)境沒(méi)有大量充填水濾排的影響, 有利于采煤機(jī)械化的應(yīng)用,還有采用固體廢物作充填料, 固體廢物膏體充填完全有條件發(fā)展成為高產(chǎn)、高效、高采出率、環(huán)保、安全的不遷村采煤技術(shù)。
(2)膏體充填為固體廢物資源化利用開(kāi)辟新途徑
長(zhǎng)期以來(lái), 我國(guó)煤礦采用垮落法開(kāi)采, 開(kāi)采的過(guò)程中除造成土地資源的沉陷破壞外, 還排放大量的煤矸石等固體廢物, 對(duì)環(huán)境造成五個(gè)方面的危害, 包括侵占土地、污染土壤、污染水體、污染大氣和影響環(huán)境衛(wèi)生。 據(jù)統(tǒng)計(jì), 2002 年全國(guó)工業(yè)固體廢物產(chǎn)生量為9。 5 億t , 綜合利用率只有52。 0 % , 多年固體廢物產(chǎn)大于用, 已經(jīng)累計(jì)堆積了近100 億t固體廢物, 占用和污染了上100 萬(wàn)ha 的土地[ 5] 。
固體廢物膏體充填不遷村采煤試驗(yàn)成功以后,是一項(xiàng)固體廢物需要量巨大的工程。 以一個(gè)年產(chǎn)30 萬(wàn)t 的工作面全部充填開(kāi)采為例, 年充填需要的固體廢物相當(dāng)于一個(gè)200 萬(wàn)t 礦井一年的排矸量, 這為固體廢物資源化利用開(kāi)辟一條新途徑, 對(duì)
環(huán)境保護(hù)具有重要的意義。
（3）膏體充填還可以解決許多其它開(kāi)采環(huán)境與安全問(wèn)題
固體廢物膏體充填除能夠?qū)崿F(xiàn)不遷村采煤以外, 還可用以解決以下開(kāi)采環(huán)境與安全問(wèn)題:
1) 鐵路下、水體下、水體上采煤;
2) 提高開(kāi)采上限, 防治頂板透水和潰砂事故;
3) 防止采空區(qū)上方含水層破壞, 實(shí)現(xiàn)保水采煤;
4) 堅(jiān)硬頂板煤層的安全開(kāi)采;
5) 深井開(kāi)采, 防治沖擊地壓。
5.3.2不遷村采煤固體廢物膏體充填方法
村莊等建筑物不搬遷安全采煤的原則是: 受開(kāi)采影響后大部分建筑物不維修或小修, 少部分建筑物經(jīng)中修和個(gè)別經(jīng)大修能滿足安全使用要求, 開(kāi)采引起的地表變形控制在下列范圍內(nèi): 水平變形E≤2。 0 mm/ m, 曲率K ≤0。 2×10- 3·m- 1, 傾斜i≤3。0 mm/ m[ 6] 。 煤層厚度、開(kāi)采深度、覆巖條件和表土層厚度等開(kāi)采條件不同, 達(dá)到上述村莊等建筑物不搬遷安全采煤所要求的開(kāi)采下沉系數(shù)不盡相同, 對(duì)固體廢物膏體充填的要求也不一樣, 可以選擇不同的充填方法。
根據(jù)采煤工作面采空區(qū)膏體充填程度、充填地點(diǎn)和工作面布置方式的不同, 不遷村采煤固體廢物膏體充填可歸納為以下5 種方法:
1) 全采全充法 在村莊壓煤范圍內(nèi)每一個(gè)回采工作面都采用膏體充填開(kāi)采, 隨著回采工作面向前推進(jìn), 在直接頂板尚未垮落之前, 即用膠結(jié)性固體廢物膏體材料把工作面后方的采空區(qū)全部充填起來(lái)。 全采全充法控制覆巖及地表變形效果最好,但充填量大, 一般適用于村莊下厚煤層分層開(kāi)采,或同時(shí)要求提高開(kāi)采上限等條件。
2) 短壁間隔充填法 在村莊壓煤范圍內(nèi), 采煤工作面布置成短壁條帶工作面開(kāi)采, 每?jī)蓚€(gè)短壁開(kāi)采條帶安排一個(gè)工作面后方全部采用膠結(jié)性固體廢物膏體充填, 另外一個(gè)工作面采用一般的垮落法管理頂板。 短壁開(kāi)采條帶之間保留窄煤柱, 形成一個(gè)以膏體充填體、關(guān)鍵層[ 7] 、窄煤柱構(gòu)成的支撐體系, 控制覆巖和地表變形, 達(dá)到保護(hù)村莊等建筑物的目的。 短壁間隔充填法是一種部分充填的方法, 充填量較少, 有利于降低充填成本, 一般適用于基巖較厚的薄及中厚煤層條件。
3) 長(zhǎng)壁間隔充填法 該方法指在村莊壓煤范圍內(nèi), 采用長(zhǎng)壁工作面開(kāi)采, 隨著工作面推進(jìn), 在工作面后方用膠結(jié)性的固體廢物膏體材料構(gòu)筑數(shù)個(gè)沿工作面推進(jìn)方向的充填條帶, 充填條帶之間的空間不充填或部分充填。 長(zhǎng)壁間隔充填法也是一種部分充填方法, 支撐體系為充填體、關(guān)鍵層, 適用條件與短壁間隔充填法類似。
4) 冒落區(qū)充填法該方法把充填管道布置到采煤工作面冒落區(qū)底板, 充填管隨工作面推進(jìn)拖動(dòng)前移, 在頂板冒落矸石未壓實(shí)之前把非膠結(jié)性固體廢物膏體料漿壓入矸石空隙, 達(dá)到減少覆巖和地表變形、保護(hù)村莊等建筑物的目的。 冒落區(qū)充填法不需要隔離措施, 也不需要膠結(jié)料, 有利于降低充填材料成本, 德國(guó)Wallsum, Monopol 等數(shù)個(gè)煤礦曾經(jīng)在薄煤層回采工作面后方冒落矸石還未壓實(shí)之前向采空區(qū)充填固體廢物膏體, 這種方法減沉效果有限, 地表下沉系數(shù)為0。 30～0。 40[ 8-9] 。 所以, 冒落區(qū)充填法一般適用于采深較大的薄及中厚煤層條件。
5) 離層區(qū)膏體充填法該方法是把非膠結(jié)性的固體廢物膏體料漿通過(guò)鉆孔充填到回采工作面上方離層區(qū), 達(dá)到減少覆巖和地表變形, 保護(hù)村莊等建筑物的目的。 與目前普通粉煤灰離層區(qū)注漿比較, 采用離層區(qū)膏體充填方法將大幅度減少漿體中
水的流失, 充填量少, 減沉效果明顯改善。 離層區(qū)膏體充填法一般實(shí)用于覆巖有厚層關(guān)鍵層, 采深較大的薄及中厚煤層。
5.3.3固體廢物膏體充填不遷村采煤的研究與發(fā)展
發(fā)展固體廢物膏體充填不遷村采煤技術(shù)主要由三部分組成, 即膏體充填材料、充填設(shè)備與工藝、采動(dòng)巖層充填控制理論。 由于固體廢物膏體充填在我國(guó)煤礦還處于發(fā)展的初期階段, 有關(guān)作用的認(rèn)識(shí)需
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