充填开采是从源头防止地表沉陷,实现以最小的生态扰动获取煤炭资源,把对生态环境、水土资源和基础设施等影响限制在生态环境对开采行为容忍度可控范围之内的有效方法,促进煤炭开采和生态环境协调、共融发展。

1 我国的充填开采技术

目前,我国煤矿应用的充填开采方法与技术主要有固体工作面充填开采、固体巷道充填、膏体工作面充填开采、覆岩离层注浆充填开采和高水材料充填开采等几种方法。以下介绍固体充填、膏体充填以及高水充填开采技术。

固体充填开采技术。固体充填开采技术分为工作面充填和巷道充填。固体工作面充填开采技术,是将井下采煤、掘进过程中产生的矸石及地面洗选过程中产生的矸石,通过机械破碎后,配以粉煤灰、黄土等辅料,利用连续输送系统将充填材料输送至工作面进行采后直接充填,并用推压密实装置对充填物料推压密实,实现采空区密实充填。固体巷道充填开采技术,是将岩巷掘进产生的矸石在井下直接运输、破碎后,由给料机、带式输送机运至充填巷掘进工作面,经矸石胶带抛矸机充填。与其他矸石处理方法相比,具有系统简单、投资小、充填效果好的特点。

膏体充填开采技术。工作面膏体充填开采技术是将煤矿生产过程中产生的煤矸石、电厂产生的粉煤灰、工业炉渣等固体废弃物,在地面加工制成浆状充填材料,通过专用充填泵加压,利用充填管道将充填物料输送至井下工作面。工作面膏体充填开采技术已经在我国淄博、济宁、峰峰、焦作等矿区开展了应用。覆岩离层注浆充填开采技术也是膏体充填一种形式,是利用煤层开采后覆岩下沉开裂过程中形成的离层空间,借助高压注浆泵,从地面通过钻孔向离层空间注入充填材料,减少采出空间向上的传递,支撑离层上位岩层、减缓岩层进一步弯曲下沉,从而达到减缓地表下沉的目的。安徽淮北矿业集团临涣煤矿采用离层注浆充填开采效果显著。

高水充填采煤技术。高水充填开采是将制备好的高水充填材料通过管路输送至工作面采空区充填袋(包),待凝固后形成固定形状的支撑体,起到支撑顶板的作用。由于其具有流动性好的特点,可以通过地面打孔至采空区进行灌注,也可以通过管路直接输送至采空区,在邯郸、临沂等矿区进行了应用。

2 煤矿充填开采在我国的应用情况

调查数据表明,我国 26 个分布有煤矿的省份中已采用及拟采用(充填系统施工准备或施工阶段)充填开采的省份有 13 个,涉及 51家矿业集团公司、75 座煤矿,我国充填矿井数量总体偏低（截至2020年）。

我国各省充填矿井数量如图所示。由图可知,我国各省充填矿井数量分布不均衡,充填矿井主要集中在华东地区,如山东、山西、河北、河南、安徽等省份;陕西、内蒙古、宁夏充填矿井数目呈现上升趋势,拟充填矿井数目增多;华南地区、东北地区充填矿井零星分布,数量较少。

多种充填方式在我国不同矿井取得了应用,如图所示。其中,固体充填方式应用较多,膏体充填、超高水充填也有不少矿井进行了应用。膏体充填工作面受充填泵能力制约,同时膏体凝固需要时间,影响了充填开采的产量,但近几年,随着泵送能力的提高和胶结材料性能的改进,充填能力也在提高。在各种充填方式中也起着很重要的作用。

3 我国充填开采技术的发展

我国首部绿色矿山建设行业标准———《非金属行业绿色矿山建设规范》 由自然资源部正式公告发布,于 2018-10-01 起实施,规范提出:在矿产资源开发全过程中,实施科学有序开采,对矿区及周边生态环境扰动控制在可控范围内,实行矿区环境生态化、开采方式科学化、资源利用高效化、管理信息数字化和矿区社区和谐化的矿山。绿色矿山建设已然成为我国煤炭工业发展的主题,充填开采作为绿色矿山建设的重要技术手段,在我国绿色矿山建设的远景规划中将扮演更加重要的角色,应进一步形成我国煤矿充填开采的区域战略、精准模式、产业政策体系,我国煤矿充填开采未来远景美好。

基于充填开采煤矿生产全过程生态矿山建设

根据煤炭行业的发展现状和生态环境的要求,将能主动保护生态环境的充填开采嵌入到煤炭生产过程中,把充填开采作为煤矿保护生态环境调节工具,完全按照规划设计要求控制地表沉陷区域和沉陷程度,向“精准地质,统一设计,精准充填,保护环境,保水开采, 建设全过程全息智能生态矿山” 方向迈进。

精准高效密实充填技术工艺体系构建

研究充填开采的诸多影响因素,构建精准高效密实充填技术工艺体系,根据地质模型,研究提出充填质量判据,结合不同充填工艺,实现密实充填率精准控制,对特定区域实施精准充填,最大限度提高充填工效、充填面推进速度,将有助于实现充填工作面高产高效的目标。

对于固体充填,要深入研究散状固体边界限定条件下物理特性,散状固体改变散状特性的机理、条件和工艺,以及改性后的物理特性,保证充填体的快速成型、承载。对于膏体充填,要研究膏体凝固速度的方法和泵送能力的提高,提高产量,降低成本。

研究充填开采条件下液压支架受力状况,建立充填开采液压支架工作阻力选择依据,设计适合智能控制的各种充填方式的液压支架。同时响应国家煤监局煤矿机器人研发公告精神,研究充填开采与被保护对象损伤的边界条件,建立充填过程中充填材料的均布、密实、改性的控制模型和质量判据,完成充填开采的智能控制,最终实现充填机器人化的终极目标。

重点发展区域的充填开采

煤矿充填开采能够主动保护地表环境,以最小的生态扰动获取煤炭资源,当控制地表沉陷或保护生态环境对煤炭开采有特殊要求或约束时,应积极采用充填开采,扩大其应用范围;同时,认真研究地质赋存条件、充填物料、充填成本等对充填开采的影响,明确充填开采的适用条件,并提出突破条件限制的技术措施,才能有效地推广充填开采技术。

4结语

充填开采技术在资源开发的同时开展沉陷预防和生态保护,从源头上设计并防止开采沉陷的产生,是主动保护生态环境、减少采煤沉陷区的有效途径。充填开采在常规采煤方法和地表生态环境、地面建筑物、井上下水系发生矛盾的时候,可以起到不可替代的作用,在源头上保护生态环境,减少地面沉陷。

随着充填开采技术的发展,井下“采选充留”一体化,将实现矸石不升井,并在重点区域实现“精准充填”,为生态环境保护发挥更大的作用。

通过建立充填开采推广机制,加强对新建矿井和老矿井技术改造项目的投入,配套相应的沉陷区和矸石废弃物治理的扶持政策等措施,充填开采技术将会迅速在全国推广,将有效地推进采煤沉陷区治理,产生巨大的社会、经济与环境效益。