充填采煤理論與技術的新進展及展望

趙上策

摘 要：充填采煤技術屬于煤炭開采中的綠色開采，本文從充填采煤技術的發展歷史出發，簡單介紹了我國采用綜合機械化進行充填采煤的重大突破，簡要分析了下充填采煤的巖層移動控制理論，指出了充填采煤理論與技術未來的發展趨勢。

關鍵詞：充填與采煤一體化；固體充填采煤；綜合機械化開采

煤炭在進行開采時，采用的采空區處理方法一般是垮落法，這種方法會使覆巖大范圍的垮落，引發地下水系的破壞、采空區遺留的煤炭引發自燃、頂板裂隙透水和瓦斯積聚等一些安全隱患。當采煤工作面推進后，將一些矸石、粉煤灰、膏體和建筑垃圾充填到采空區，這種技術稱為充填采煤技術，應用充填采煤技術有很多的優勢，比如可以使矸石不用升井，節約大量土地，減少了礦井水的積聚和煤礦瓦斯的積聚等優勢，這就實現了保護生態環境和煤炭開采之間平衡，充填采煤技術將是未來煤炭生產的發展方向。

1 充填采煤技術的發展歷史

充填開采技術是隨著煤炭開采的需求逐漸發展起來的，100多年以前，澳大利亞就已經開始使用充填技術，但當時充填是為了減少輔助運輸，不是真正意義上的充填，直到20世紀30年代，充填才被列為煤炭開采中的一個工序，被真正利用起來，以防礦山開采的沉陷。

此后的60年，國內外的進一步的對充填采煤技術進行研究，發展到21世紀后，在原有充填采煤技術的基礎上，對充填采煤技術和充填設備進行改進，現在已有高水材料、膏體充填、綜采架后進行原生矸石充填和拋矸充填技術，明顯的提高了采煤的效率，使充填采煤技術進入了新的發展階段。

2 充填采煤技術的重大突破

目前煤炭開采大部分采用的是綜合機械化采煤方式，充填采煤技術與綜合機械化采煤相匹配是實現綠色開采的發展方向，根據巖層控制理論和煤礦的礦山壓力，提出采用長壁工作面的采充一體化的原理，結合控制原理發明了綜合機械化的固體充填的采煤技術，從而達到了密實充填的效果，有效的控制了巖層的運動，成為煤炭綠色開采的核心技術。

結合現代礦井的生產模式和建設形式，采充一體化的原理是煤炭在前部進行開采而后部進行充填的雙工作面同時進行，建設礦井充填材料和煤炭運輸系統相協調的配套設備，使采煤的生產能力和充填的生產能力相互協調進行，研究采煤和工藝相匹配的工藝，從而實現采煤和充填統一進行的的開采方式。

在采充一體化原理的基礎上，經過多年研究，提出了綜合機械化固體充填的采煤技術，這種技術將綜合機械化采煤和固體充填結合起來，實現了采充一體化的原理，固體充填材料采用的是矸石、風積沙和粉煤灰等固體廢棄物，與傳統的工作面布置方式基本一樣，形成了前方進行綜合機械化采煤，后方進行機械化充填的雙工作面的形式。

3 充填采煤的巖層移動控制理論

與傳統的綜采巖層移動控制理論相比，充填采煤與其有很大的區別，充填采煤與煤層開時的極薄煤層開采一樣，因此通過對充填采煤進行巖層移動預計的等價采高理論建立，得到了解析計算公式，此計算公式是關于密實充填采煤巖層移動，為了滿足被保護的對象在進行

在采空區進行充填時，在覆巖下沉的過程中，因覆壓的作用造成一定的壓縮變形。以固體充填作為例子，在固體從整體狀態變為破碎狀態時會產生一定的體積松散膨脹，受到不同作用的壓力，將會產生相應的體積壓縮量，當覆巖完全下沉壓實后，此時充填的固體物料高度為M0，根據采高的定義，進行固體充填采煤時，等價采高為Me，實際采高為M，那最后的等價采高等于實際采高減去覆巖完全下沉壓實后的固體物料的高。

根據數值模擬、現場實測和物理模擬的研究發現，采用綜合機械化進行固體密實充填采煤的技術可以控制巖層的移動，這樣就可以使采空區覆巖中沒有垮落帶的形成，裂隙帶也只能發育到直接頂，在老頂巖層中，也只是發生了彎曲而沒有形成破斷，所以在對老頂和以上巖層進行巖層力學分析的時候，可以采用連續介質的力學模型進行分析。

4 充填采煤理論與技術的發展展望

從以上分析，近年來，充填采煤技術在我國得到了突破性的發展，領先于世界水平，采充一體化的原理是近百年來充填采煤技術的創新成果，但也存在著一定的缺陷，比如在礦井地質條件復雜的情況下，其生產效率會相對的降低，對于充填材料的來源和供應量上也無法滿足進行大面積的充填的需求，目前的的設備的型號比較少，不能實現完全配套，且設備的技術穩定性也比較差，另外還沒有一套比較完整的充填采煤技術的行業標準和相關的法規和政策。

充填采煤技術的最終目標是有效的控制地表沉陷和巖層的移動，根據我國現有的煤礦發展的現狀，綜合機械化采煤技術也越來越成熟，煤礦的開采地質條件也越來越復雜，綜合機械化采煤和充填采煤技術相協調發展，研究出與現代綜合機械化采煤技術相匹配的充填采煤技術裝備，從而實現煤炭的高效高產的目標，未來充填采煤理論與技術的發展方向是，第一個是要解決充填采煤理論和工程之間的問題，第二是對充填采煤的設備進行研究改進，提出更加自動化的設備，使系統的布置和工藝更加的優化，第三是對充填材料進行研究，找出更加適應充填環境的材料，第四是建立一套比較系統的充填效果評價體系和方法，第五是進一步的拓展充填采煤技術的應用，第六是對地下水環境和充填采煤的協調做進一步的研究。

5 結語

為了更好的實現能源保護和環境保護之間的相互協調問題，解決煤炭開采中采空區對建筑物下、鐵路下和水體下的資源造成威脅，充填采煤技術的發展將會成為未來進行綠色開采的核心技術，本文介紹了充填采煤技術的重大突破，簡單分析了充填采煤的巖層移動控制理論，對未來充填采煤理論與技術的發展提出一些意見，希望可以為實現綠色開采提供一些參考意見。

參考文獻：

[1] 繆協興，錢鳴高.中國煤炭資源綠色開采研究現狀與展望[J].采礦與安全工程學報，2009，26（1）：1-14.

[2] 繆協興.綜合機械化固體充填采煤技術研究進展[J].煤炭學報，2012，37（8）：1247-1255.

[3] 繆協興，張吉雄，郭廣禮.綜合機械化固體充填采煤方法與技術研究[J].煤炭學報，2010，35（1）：1-6.

[4] 周華強，侯朝炯，孫?？?固體廢物膏體充填不遷村采煤[J].中國礦業大學學報，2004，33（2）：154-158.