充填采矿技术在煤炭开采中的应用

煤层开采后，煤层的上覆岩层会移动，导致岩层 原有的平衡被破坏。当岩层达到新的平衡时，会有很 长一段时间处于不稳定状态。在煤层开采过程中，岩 层移动会形成采矿工程中常说的“三带”。在垮落带和断裂带内有大量裂隙发育，岩层的密 封性被破坏，因此，此处便是导水裂隙带的范围。如果导水裂隙带内有含水层，则可判断岩层中的含水层 被破坏。

值得注意的是，在很多情况下，导水裂隙带会贯 穿到地表，这会导致矿区所在的地下水断流。地下水 的断流会造成地表植被退化，农作物减产且病虫害严 重，同时，还会导致生态环境变得十分脆弱。如果矿区 内有村庄，遇到这种情况很容易导致居民面临用水困难 的情况。此外，当导水裂隙带贯穿到地表时，地表上的污染物可以随着雨水流入地下水，导致地下水被严 重污染。岩层移动的宏观表现就是地表发生沉降，这是采矿 工程引起的重要地质灾害。煤层开采后，采空区上方会 形成一个下沉盆地，如图 2 所示。在盆地的中心，地表 下沉值最大，这个最大值需要很长时间才能达到。地表下沉盆地的范围要比采空区的范围 大，这要求在防治地表下沉灾害时要考虑其边界。由于 地表下沉的不均匀性，导致处于地表沉陷影响区内的建 筑物很容易发生不均匀变形进而被破坏。与此同时，如 果一些公共基础设施位于采空区影响范围内，例如公路、铁路以及供电线路塔等，也会受到影响。

2 充填采矿技术的原理及优势

2.1 充填采矿技术应用原理

煤矿开采引起环境问题，主要是因为煤层开采后 的岩层移动，而解决这一问题的关键就是控制岩层的 运动。对于煤矿开采的矸石山问题，最有效和经济的 方法是将矸石回填到采空区中。充填采矿技术是同时 解决岩层运动和矸石山问题的有效方法。 充填采矿技术起源于“三下”开采，即建筑物下 采煤，是由波兰传入中国的。采用水砂作为充填物， 波兰将建筑物下的煤炭资源全部开采出。这项技术在 早些年并未受到重视，但随着中国对环境质量的要求 越来越高，这项技术的优势逐渐被开发。充填采矿技 术是在工作面回采后采用充填物充填采矿区，从而有 效控制煤层开采引起的岩层移动，其实施的关键在于 充填材料的成本控制。 充填采空区后，可以有效控制岩层的运动，减轻 地表的下沉。有关数据统计发现，采用水砂充填采矿 技术后，地表下沉值可以降低 70%，减轻了地表沉陷 对地表一些建筑物的破坏。充填采空区，可以改变岩 层的运动规律，使得导水裂隙带的高度大幅度降低甚 至为零，这有助于实现保水开采。保水开采的实现有 助于保护当地的生态，减轻对矿区地下水的污染。从 长远情况来看，充填采矿技术有助于实现煤矿行业的可持续发展。在一些矿区，采用矸石进行充填开采， 实现了矸石的零排放，满足了绿色采矿的基本要求。

2.2 充填采矿技术的发展

根据充填物的类型，充填采矿技术可以分为水砂 充填、干式充填和胶体充填。经过大量实验发现，水 砂充填的效果最好，但是成本非常高。水砂主要是河 砂和水按照一定的成分形成的，在充填时通过管道注 入到采空区中，水砂在采空区中脱水后会对岩层的顶 板起到支撑作用。使用水砂充填技术存在一个问题， 即河砂的用量非常大，很多矿区并不具备这样的条件， 尤其是政府对河砂的管控越来越严，所以，这项技术 只在特殊情况下才会使用。鉴于此，现在很多矿区多 采用干式充填采矿技术和胶体充填采矿技术。 干式充填采矿技术是以固体物质直接充填采矿区， 这种方式不需要对充填材料进行特殊的处理。常用的 干式充填物质有粉煤灰、固体废弃物和矸等，但是 这种物质的强度非常低。由于采矿中充填物的需求量 非常大，干式充填物很难满足充填的要求。干式充填 有助于以非常低的成本处理一些垃圾物质，例如矸石、 粉煤灰等，有利于实现煤炭的绿色开采。 鉴于干式充填形成的充填物强度低的问题，特提 出了胶体充填采矿技术。这种技术是将 2 种水溶性物 质按照一定的比例配置成胶体，然后充填到采空区中， 凝固后可以对采空区进行有效的支撑。这种胶体的凝 固时间和强度可以通过控制 2 种混合物质的浓度来实 现，它可以满足不同回采条件的需求。这种充填材料 的生产已经实现了工业化，而且在井下运输方便，具 有很好的推广前景。 目前，充填采矿技术正处于发展阶段，在某些矿 区得到了很好的应用，但并未在全国推广起来。出现 这种情况的原因有 2 点：a) 充填采矿技术的成本难以 得到有效控制，采用的充填物质的成本有的已经超过 了煤炭本身的价值;b) 充填采矿技术的效率受到充填 效率的限制，难以有效提高，这十分不利于煤炭的高 产高效。

3 结语

针对煤矿开采过程中出现的环境问题，充填采矿 技术提供了一种有效的解决思路。煤矿开采过程中出 现的环境问题主要有矸石山污染、地下水断流和地表 沉陷。煤矿开采引发的环境问题主要是由煤层开采后 的岩层移动导致的，而解决这一问题的关键就是控制 岩层的运动。而对于煤矿开采中遇到的矸石山问题， 最有效和经济的方法是将矸石回填到采空区中去。充 填采矿技术是能同时解决岩层运动和矸石山问题的有 效方法。根据充填物的类型，充填采矿技术可以分为 水砂充填、干式充填和胶体充填。现在很多矿区多采 用的是干式充填采矿技术和胶体充填采矿技术。