高博 韓濤 張旭

摘要：在煤礦開(kāi)采工作中，充填采煤是重要的工作內(nèi)容。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境保護(hù)力度的不斷增加，綠色采煤也成為煤礦行業(yè)關(guān)注的重點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)綠色采煤的目標(biāo)，本文具體分析影響充實(shí)率設(shè)計(jì)的各種因素，并根據(jù)制約固體充填采煤發(fā)展的因素提出相應(yīng)的解決對(duì)策，旨在促使采煤行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

關(guān)鍵詞：固體充填；綠色采煤；控制

當(dāng)前，我國(guó)礦業(yè)研究者對(duì)充實(shí)率的研究主要集中在固體充填采煤方面。在煤礦采煤技術(shù)中，固體充填采煤技術(shù)是較有效的采煤工藝，通過(guò)充填體的充實(shí)率可以直觀了解固體充填采煤礦層的移動(dòng)情況。通常情況下，開(kāi)展固體充填采煤工程時(shí)，首先需要初步設(shè)計(jì)好充填采煤充實(shí)率，然后在具體施工過(guò)程中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。在設(shè)計(jì)充實(shí)率時(shí)，要結(jié)合地面建筑物和地底巖層的實(shí)際情況以及工程要求的采高標(biāo)準(zhǔn)等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)前，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，煤礦充填采煤技術(shù)已成為有效解決環(huán)境保護(hù)與開(kāi)采煤炭的重要手段之一，在推廣與應(yīng)用過(guò)程中，得到了國(guó)家的大力支持，可以說(shuō)，對(duì)促使煤礦開(kāi)采和提高煤炭利用率具有重要的現(xiàn)實(shí)作用。

一、國(guó)內(nèi)外礦山充填采煤技術(shù)的發(fā)展情況

早在1915年，澳大利亞采用廢石充填礦房的方法，成為世界上較早計(jì)劃充填采礦的國(guó)家，此后，國(guó)內(nèi)外的煤礦與礦山都開(kāi)始嘗試使用充填進(jìn)行開(kāi)采，根據(jù)充填材料的類(lèi)型，礦山充填主要經(jīng)歷以下階段：

第一階段，二十世紀(jì)四十年代前，充填采煤技術(shù)主要以廢石干式充填為主，由于技術(shù)尚未成熟，普遍存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)能力低與效率不足等問(wèn)題，因此無(wú)法在煤礦領(lǐng)域中得到廣泛推廣。

第二階段，二十世紀(jì)四十到五十年代，廢石干式充填技術(shù)應(yīng)用比例下降，充填采煤較應(yīng)用水砂充填技術(shù)，運(yùn)輸時(shí)會(huì)使用運(yùn)輸管道，可以大幅提升充填效率，其中，波蘭水砂充填采煤技術(shù)超過(guò)了50%，不過(guò)，這種方法同樣也存在一些不足，較突出的問(wèn)題是成本高、系統(tǒng)復(fù)雜、需要脫排水等，所以充填采煤技術(shù)發(fā)展到后期，此技術(shù)的使用頻率在逐漸降低。

第三階段，二十世紀(jì)六十到七十年代，此時(shí)，衍生出一種低濃度尾砂膠結(jié)充填技術(shù)，在充填采煤工作中，由于充填體具備膠結(jié)體自立能力、減少排水量等優(yōu)勢(shì)，在使用過(guò)程中，依舊存在較嚴(yán)重的泌水問(wèn)題，因此尚未得到廣泛推廣。

第四階段，二十世紀(jì)八十年代以后，基于先前的充填采煤技術(shù)，研發(fā)出一種濃度高、膏體充填的材料，固結(jié)體強(qiáng)度得到進(jìn)一步提升，也減少了泌水問(wèn)題。2021年以來(lái)，智能高效與功能性充填成為該階段的主要研發(fā)目標(biāo)，充填開(kāi)采技術(shù)自身智能升級(jí)，作為較成熟的技術(shù)，拓展用于地?zé)崤c煤炭資源協(xié)同開(kāi)采、儲(chǔ)能、儲(chǔ)熱及二氧化碳封存等為典型代表的功能性充填方向，即拓展至礦山采熱、CO2地質(zhì)封存等領(lǐng)域，且逐漸優(yōu)化與完善了充填技術(shù)。

國(guó)外礦山與國(guó)內(nèi)金屬礦較早應(yīng)用到充填采礦技術(shù)，隨著充填開(kāi)采技術(shù)的不斷深入，礦井應(yīng)用充填技術(shù)的力度加大，為充填采煤研究提供了便捷。1967年，波蘭利用水砂充填法開(kāi)采多個(gè)城鎮(zhèn)下的壓煤。德國(guó)利用風(fēng)力充填開(kāi)展了開(kāi)采試驗(yàn)，隨后DMT公司研發(fā)出一種高濃漿“尾管”充填技術(shù)，提高了采煤效率。南非在開(kāi)采地面建筑物壓煤時(shí)，主要以粉煤灰作為充填物，然后通過(guò)房柱法進(jìn)行分層充填與開(kāi)采，進(jìn)一步保障了建筑物的穩(wěn)定性。二十世紀(jì)七十年代，我國(guó)招遠(yuǎn)金礦等采用細(xì)砂膠結(jié)充填，提高了煤礦采出率與質(zhì)量。九十年代末，國(guó)內(nèi)不少煤礦企業(yè)看到了充填采煤技術(shù)帶來(lái)的實(shí)際效益，研發(fā)出一套膏體充填泵送系統(tǒng)，被湖田鋁土礦、銅綠山銅礦、克拉同科銅礦等所使用。隨著充填采煤技術(shù)的不斷深入，逐漸在煤礦行業(yè)得以推廣和應(yīng)用，也為煤礦行業(yè)的發(fā)展作出了一定貢獻(xiàn)。

二、我國(guó)充填采煤技術(shù)的進(jìn)步

進(jìn)入二十一世紀(jì)以來(lái)，我國(guó)的充填采煤技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展。隨著全民環(huán)保意識(shí)的不斷增強(qiáng)，充填開(kāi)采技術(shù)作為綠色開(kāi)采手段中逐漸被人們重視。2002年，煤炭行業(yè)由低谷期走向正軌并得到迅速發(fā)展，促使煤礦充填技術(shù)得以推廣和使用。2018年，基于煤矸分選與井下就地充填的研究主題獲批國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃深地資源勘查開(kāi)采重點(diǎn)專(zhuān)項(xiàng)立項(xiàng)，并于2021年經(jīng)科技部驗(yàn)收通過(guò)。2022年，多個(gè)研究團(tuán)隊(duì)與礦山企業(yè)聯(lián)合攻關(guān)，在冀中能源股份有限公司邢東礦建成全國(guó)首個(gè)固體智能充填采煤工作面，實(shí)現(xiàn)了煤基固廢充填開(kāi)采技術(shù)的進(jìn)一步升級(jí)，經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，基本形成井下充填開(kāi)采模式，有效推動(dòng)了我國(guó)煤礦充填采煤技術(shù)的發(fā)展，也有不少研究成果已達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平。

（一）固體充填材料

隨著充填采煤技術(shù)的不斷推進(jìn)，固體充填材料被使用的頻率也逐漸增多，對(duì)于固體充填材料的使用，實(shí)際上是對(duì)符合粒徑要求的固體塊體使用，此材料的優(yōu)勢(shì)是成本低、系統(tǒng)簡(jiǎn)單。當(dāng)前，在應(yīng)用充填材料中使用最多的是矸石，其次是粉煤灰與建筑垃圾等材料，由于眾多學(xué)者分析了固體充填材料的壓縮性，所以在所得到的結(jié)論中，大體相同。以矸石為例，可以分為三個(gè)階段：首先，初步壓實(shí)階段，盡管載荷較低，不過(guò)矸石之間存在較大空隙，通過(guò)相互擠壓，空隙會(huì)慢慢縮小，壓縮速度也會(huì)加快；其次，破裂壓密階段，矸石塊體發(fā)生變形，壓碎矸石隨即會(huì)填充細(xì)小的空間，達(dá)到壓密的效果；最后，整體穩(wěn)定壓實(shí)階段，隨著應(yīng)力的不斷增加，矸石的壓縮變形量也會(huì)發(fā)生改變，最終趨于平穩(wěn)。

（二）超高水充填材料

超高水材料主要由石膏、鋁土礦、石灰等加水組成，在實(shí)際應(yīng)用中，由于超高水充填體含水量大、需要固體材料少等優(yōu)勢(shì)，能彌補(bǔ)傳統(tǒng)開(kāi)采依賴(lài)大宗固體物料的缺陷。同時(shí)，超高水材料具有速凝性，有助于工作面充填，超高水材料凝固后，抗壓強(qiáng)大較高，可以消除采煤工作中存在的一些安全隱患，為采煤人員的開(kāi)采工作提供便捷。不過(guò)，超高水材料固結(jié)體中含有鈣礬石等物質(zhì)，如果置于干燥或高溫等環(huán)境中，容易被釋放，不利于開(kāi)采工作。由于超高水材料充填工藝使用雙槳輸送系統(tǒng)會(huì)將相關(guān)漿液充填到工作面，因此要想充分混勻漿液，在混勻物料時(shí)，一般會(huì)結(jié)合混合管、混合器或混合三通使用，以此確保超高水固體材料的性能，為下一步的充填開(kāi)采工作奠定基礎(chǔ)。

（三）膏體充填材料

膏體充填材料按照一定比例，混合好凝膠材料、骨料與水等物質(zhì)，制定的膏體充填材料質(zhì)量約為80%，即使在管路輸送中也不會(huì)發(fā)生離析、沉淀等現(xiàn)象，甚至達(dá)到充填區(qū)域后泌水現(xiàn)象也不會(huì)嚴(yán)重，充填體凝固后，具有很強(qiáng)的抗壓性，特別是在多軸的共同作用下，可以穩(wěn)固支撐覆巖與頂板，確保開(kāi)采人員的安全。不過(guò)，根據(jù)現(xiàn)有研究可知，原材料來(lái)源范圍廣，易造成材料特性差異較大，不能很好地控制膏體指標(biāo)，且在學(xué)術(shù)界中，尚未形成對(duì)膏體、似膏體與高濃度的統(tǒng)一區(qū)分標(biāo)準(zhǔn)。同時(shí)，膏體充填材料普遍存在先漿體后固體的狀態(tài)，較適合控制覆巖移動(dòng)與地表沉陷。因此，膏體充填材料的配比要滿(mǎn)足實(shí)際施工要求，充填體強(qiáng)度要滿(mǎn)足開(kāi)采標(biāo)準(zhǔn)，以免發(fā)生沉陷、塌方等事故。

三、充實(shí)率設(shè)計(jì)的原理

充實(shí)率設(shè)計(jì)并不是隨意進(jìn)行的，在實(shí)際充填采煤工藝中，要想達(dá)到良好的充填開(kāi)采效果，需要結(jié)合礦區(qū)實(shí)際情況以及各種設(shè)備參數(shù)等內(nèi)容，在了解礦區(qū)地質(zhì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)并確定固體充填采煤充實(shí)率，以此提升采煤效率，提高采煤質(zhì)量，確保采煤人員的安全。

（一）影響充實(shí)率設(shè)計(jì)的因素

在設(shè)計(jì)充實(shí)率時(shí)，往往會(huì)受到各種內(nèi)外部因素的影響，例如實(shí)施的充填工藝、覆巖結(jié)構(gòu)、壓煤類(lèi)型等。充實(shí)率設(shè)計(jì)的采高主要由地表建筑物與壓煤類(lèi)型決定，但覆巖結(jié)構(gòu)也會(huì)影響采煤充實(shí)率。在保障充實(shí)率的安全性方面，根據(jù)充填采煤液壓支架設(shè)計(jì)，同時(shí)在控制管理上，科學(xué)管理地質(zhì)條件，以此較好地控制與調(diào)整充實(shí)率，另外，要采用有效的充填技術(shù)提高采煤質(zhì)量。在固體充填采煤工程中，采煤充填體的壓縮量與穩(wěn)定性由充填體的力學(xué)特性決定，如果固體充填材料的力學(xué)特性較好，表明其穩(wěn)定性更好，關(guān)于充實(shí)率的各個(gè)因素也都會(huì)在一定程度上影響充實(shí)率的設(shè)計(jì)，這些設(shè)計(jì)因素既相互影響又獨(dú)立存在，每個(gè)設(shè)計(jì)因素都發(fā)揮著一定的作用，在實(shí)際應(yīng)用中促使各項(xiàng)設(shè)計(jì)因素相結(jié)合，才能更好地發(fā)揮充實(shí)率設(shè)計(jì)的作用與效能。

（二）地質(zhì)條件充實(shí)率的設(shè)計(jì)

在了解地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，明確密實(shí)充填體的下沉量，根據(jù)前人的密實(shí)充填概念得出充實(shí)率，同時(shí)結(jié)合物料的接頂量等因素，得出充填體的最終壓縮量表達(dá)式：充填體最終壓縮量=（采高－頂板最終下沉量）×充填材料的壓縮率。根據(jù)采高與最終壓縮量可以計(jì)算頂板的最終壓縮量，結(jié)合選定條件，了解基于地質(zhì)條件的充實(shí)率設(shè)計(jì)原理，即選定固體充填材料后，同時(shí)控制好制頂板提前下沉量，并減少對(duì)頂板最終下沉量的影響，以此得到基于地質(zhì)條件下的充實(shí)率設(shè)計(jì)，為充填開(kāi)采工作提供便利，由于頂板下沉量等因素嚴(yán)重影響充實(shí)率設(shè)計(jì)，所以，要盡量得到精準(zhǔn)的下沉量，明確獲得各個(gè)相關(guān)參數(shù)后，確保地質(zhì)條件充實(shí)率的設(shè)計(jì)。

（三）充實(shí)率的設(shè)計(jì)

結(jié)合現(xiàn)有研究成果得出，在充實(shí)率設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)上，以建筑物下的固體充填采煤充實(shí)率設(shè)計(jì)為例，具體設(shè)計(jì)流程按照壓煤類(lèi)型與覆巖結(jié)構(gòu)，根據(jù)地面保護(hù)對(duì)象的抗變形能力明確極限采厚，以此獲得充實(shí)率的控制參數(shù)，接著由控制參數(shù)篩選充填設(shè)備，再優(yōu)化工作面的布置與設(shè)計(jì)，減少沉降問(wèn)題，并評(píng)估影響地質(zhì)條件的相關(guān)因素，最終判斷實(shí)施充填工藝后的效果。同時(shí)，在充填率工程中，要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各項(xiàng)參數(shù)，及時(shí)反饋異常問(wèn)題，以供管理人員調(diào)整和優(yōu)化指標(biāo)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)充實(shí)率的設(shè)計(jì)，為充填采煤工作帶來(lái)效益和方便，推動(dòng)煤礦產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

四、充填采煤技術(shù)的發(fā)展和展望

隨著充填開(kāi)采理論研究的不斷深入，煤礦充填開(kāi)采理論與技術(shù)已取得了不錯(cuò)的進(jìn)展，在我國(guó)，煤礦行業(yè)中的充填開(kāi)采技術(shù)一直處于領(lǐng)先水平，甚至有的已與國(guó)際水平相接近。近年來(lái)，不斷推出采煤充填技術(shù)的應(yīng)用，可見(jiàn)，在煤礦領(lǐng)域中充填開(kāi)采技術(shù)具有較高的行業(yè)價(jià)值。相信在未來(lái)發(fā)展中，隨著人們綠色環(huán)保意識(shí)的不斷加強(qiáng)以及機(jī)械化、智能化程度的不斷加深，充填采煤技術(shù)的應(yīng)用也會(huì)越來(lái)越廣泛。其中，創(chuàng)新發(fā)展高效及安全的充填采煤技術(shù)和設(shè)備時(shí)，可以從以下幾方面出發(fā)：

（一）控制成本

在研究如何加強(qiáng)煤礦充填采煤技術(shù)方面，往往會(huì)投入一定的人力、物力與財(cái)力，具體研究充填材料的特性時(shí)，研究者為了探究適合充填采煤環(huán)境的充填材料，會(huì)創(chuàng)建一套較完善的充填效果評(píng)價(jià)體系，以便為充填采煤工程帶來(lái)便捷，同時(shí)為了減少成本投入，煤礦企業(yè)可以聯(lián)系實(shí)際開(kāi)采需求，對(duì)比衡量各指標(biāo)后選出最佳的充填采煤方法，深入研究充填采煤技術(shù)相結(jié)合的控制理論，在滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)需求的前提下，減少充填材料的需求量，以此在一定程度上降低成本，提高開(kāi)采效率，為企業(yè)的有序發(fā)展提供保障。

（二）拓展充填技術(shù)的適用范圍

充填開(kāi)采技術(shù)在不斷進(jìn)步與發(fā)展，為我國(guó)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展與社會(huì)穩(wěn)定作出貢獻(xiàn)。在組成我國(guó)的經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)體系中，煤炭產(chǎn)業(yè)具有推動(dòng)作用，煤炭經(jīng)濟(jì)對(duì)國(guó)家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要性不容忽視，充填采煤技術(shù)的推廣和應(yīng)用推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展。目前，隨著自動(dòng)化采煤設(shè)備、充填采煤設(shè)備的優(yōu)化與完善，充填技術(shù)的應(yīng)用范圍得到進(jìn)一步拓展，除了日常被應(yīng)用到采煤采礦等領(lǐng)域外，還能延伸到其他金屬等物質(zhì)的開(kāi)采工作中。同時(shí)，隨著充填采煤技術(shù)的不斷升級(jí)與進(jìn)步，將會(huì)帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益，因此應(yīng)積極研發(fā)與探究相關(guān)充填開(kāi)采技術(shù)。

（三）保護(hù)綠色生態(tài)環(huán)境

煤炭資源所處的環(huán)境往往較復(fù)雜多樣，有些煤礦企業(yè)在不恰當(dāng)?shù)拈_(kāi)采作業(yè)中，不僅難以達(dá)到高效開(kāi)采的目的，還會(huì)嚴(yán)重破壞賴(lài)以生存的生態(tài)環(huán)境，危害人們的健康。例如，以地下水資源保護(hù)與煤礦開(kāi)采為例，在水體下開(kāi)采煤礦時(shí)，易出現(xiàn)的是水體污染，所以，在實(shí)際開(kāi)采過(guò)程中，要兼顧到地下水資源環(huán)境和充填采煤工藝的協(xié)調(diào)性，以此實(shí)現(xiàn)綠色采煤。煤礦企業(yè)要注重經(jīng)濟(jì)效益和綠色發(fā)展，使充填采煤走上可持續(xù)發(fā)展的道路，促進(jìn)我國(guó)經(jīng)濟(jì)的穩(wěn)定發(fā)展。

五、結(jié)語(yǔ)

綜上所述，本文重點(diǎn)揭示充實(shí)率設(shè)計(jì)的依據(jù)與理論，由于充實(shí)率不同，充填體對(duì)地表變形的抑制程度也不同，不同覆巖壓煤條件承受的變形指標(biāo)對(duì)充實(shí)率提出的要求不同。通過(guò)理論研究得出，充實(shí)率指標(biāo)會(huì)受到固體充填材料、關(guān)鍵充填采煤裝置與成本等因素影響，所以在具體應(yīng)用中，需要作出精準(zhǔn)設(shè)計(jì)。結(jié)合理論分析得出，充實(shí)率的設(shè)計(jì)會(huì)受到礦區(qū)地質(zhì)條件、覆巖結(jié)構(gòu)、壓煤類(lèi)型、固體充填材料類(lèi)型與充填工藝等因素影響，本文基于理論研究，創(chuàng)建設(shè)計(jì)的流程與方法，明確提出控制充實(shí)率的影響因素。在實(shí)際工程應(yīng)用中，固體充填采煤階段不同，控制充實(shí)率應(yīng)用的方法也不同，例如，在工程實(shí)施階段，要控制好頂板下沉量、動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)采空區(qū)的充實(shí)率，以此更好地指導(dǎo)施工實(shí)踐，進(jìn)一步確保采煤安全。

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