充填開采是從源頭防止地表沉陷,實現以最小的生態擾動獲取煤炭資源,把對生態環境、水土資源和基礎設施等影響限制在生態環境對開采行為容忍度可控范圍之內的有效方法,促進煤炭開采和生態環境協調、共融發展。

1 我國的充填開采技術

目前,我國煤礦應用的充填開采方法與技術主要有固體工作面充填開采、固體巷道充填、膏體工作面充填開采、覆巖離層注漿充填開采和高水材料充填開采等幾種方法。以下介紹固體充填、膏體充填以及高水充填開采技術。

固體充填開采技術。固體充填開采技術分為工作面充填和巷道充填。固體工作面充填開采技術,是將井下采煤、掘進過程中產生的矸石及地面洗選過程中產生的矸石,通過機械破碎后,配以粉煤灰、黃土等輔料,利用連續輸送系統將充填材料輸送至工作面進行采后直接充填,并用推壓密實裝置對充填物料推壓密實,實現采空區密實充填。固體巷道充填開采技術,是將巖巷掘進產生的矸石在井下直接運輸、破碎后,由給料機、帶式輸送機運至充填巷掘進工作面,經矸石膠帶拋矸機充填。與其他矸石處理方法相比,具有系統簡單、投資小、充填效果好的特點。

膏體充填開采技術。工作面膏體充填開采技術是將煤礦生產過程中產生的煤矸石、電廠產生的粉煤灰、工業爐渣等固體廢棄物,在地面加工制成漿狀充填材料,通過專用充填泵加壓,利用充填管道將充填物料輸送至井下工作面。工作面膏體充填開采技術已經在我國淄博、濟寧、峰峰、焦作等礦區開展了應用。覆巖離層注漿充填開采技術也是膏體充填一種形式,是利用煤層開采后覆巖下沉開裂過程中形成的離層空間,借助高壓注漿泵,從地面通過鉆孔向離層空間注入充填材料,減少采出空間向上的傳遞,支撐離層上位巖層、減緩巖層進一步彎曲下沉,從而達到減緩地表下沉的目的。安徽淮北礦業集團臨渙煤礦采用離層注漿充填開采效果顯著。

高水充填采煤技術。高水充填開采是將制備好的高水充填材料通過管路輸送至工作面采空區充填袋(包),待凝固后形成固定形狀的支撐體,起到支撐頂板的作用。由于其具有流動性好的特點,可以通過地面打孔至采空區進行灌注,也可以通過管路直接輸送至采空區,在邯鄲、臨沂等礦區進行了應用。

2 煤礦充填開采在我國的應用情況

調查數據表明,我國 26 個分布有煤礦的省份中已采用及擬采用(充填系統施工準備或施工階段)充填開采的省份有 13 個,涉及 51家礦業集團公司、75 座煤礦,我國充填礦井數量總體偏低（截至2020年）。

我國各省充填礦井數量如圖所示。由圖可知,我國各省充填礦井數量分布不均衡,充填礦井主要集中在華東地區,如山東、山西、河北、河南、安徽等省份;陜西、內蒙古、寧夏充填礦井數目呈現上升趨勢,擬充填礦井數目增多;華南地區、東北地區充填礦井零星分布,數量較少。

多種充填方式在我國不同礦井取得了應用,如圖所示。其中,固體充填方式應用較多,膏體充填、超高水充填也有不少礦井進行了應用。膏體充填工作面受充填泵能力制約,同時膏體凝固需要時間,影響了充填開采的產量,但近幾年,隨著泵送能力的提高和膠結材料性能的改進,充填能力也在提高。在各種充填方式中也起著很重要的作用。

3 我國充填開采技術的發展

我國首部綠色礦山建設行業標準———《非金屬行業綠色礦山建設規范》 由自然資源部正式公告發布,于 2018-10-01 起實施,規范提出:在礦產資源開發全過程中,實施科學有序開采,對礦區及周邊生態環境擾動控制在可控范圍內,實行礦區環境生態化、開采方式科學化、資源利用高效化、管理信息數字化和礦區社區和諧化的礦山。綠色礦山建設已然成為我國煤炭工業發展的主題,充填開采作為綠色礦山建設的重要技術手段,在我國綠色礦山建設的遠景規劃中將扮演更加重要的角色,應進一步形成我國煤礦充填開采的區域戰略、精準模式、產業政策體系,我國煤礦充填開采未來遠景美好。

基于充填開采煤礦生產全過程生態礦山建設

根據煤炭行業的發展現狀和生態環境的要求,將能主動保護生態環境的充填開采嵌入到煤炭生產過程中,把充填開采作為煤礦保護生態環境調節工具,完全按照規劃設計要求控制地表沉陷區域和沉陷程度,向“精準地質,統一設計,精準充填,保護環境,保水開采, 建設全過程全息智能生態礦山” 方向邁進。

精準高效密實充填技術工藝體系構建

研究充填開采的諸多影響因素,構建精準高效密實充填技術工藝體系,根據地質模型,研究提出充填質量判據,結合不同充填工藝,實現密實充填率精準控制,對特定區域實施精準充填,最大限度提高充填工效、充填面推進速度,將有助于實現充填工作面高產高效的目標。

對于固體充填,要深入研究散狀固體邊界限定條件下物理特性,散狀固體改變散狀特性的機理、條件和工藝,以及改性后的物理特性,保證充填體的快速成型、承載。對于膏體充填,要研究膏體凝固速度的方法和泵送能力的提高,提高產量,降低成本。

研究充填開采條件下液壓支架受力狀況,建立充填開采液壓支架工作阻力選擇依據,設計適合智能控制的各種充填方式的液壓支架。同時響應國家煤監局煤礦機器人研發公告精神,研究充填開采與被保護對象損傷的邊界條件,建立充填過程中充填材料的均布、密實、改性的控制模型和質量判據,完成充填開采的智能控制,最終實現充填機器人化的終極目標。

重點發展區域的充填開采

煤礦充填開采能夠主動保護地表環境,以最小的生態擾動獲取煤炭資源,當控制地表沉陷或保護生態環境對煤炭開采有特殊要求或約束時,應積極采用充填開采,擴大其應用范圍;同時,認真研究地質賦存條件、充填物料、充填成本等對充填開采的影響,明確充填開采的適用條件,并提出突破條件限制的技術措施,才能有效地推廣充填開采技術。

4結語

充填開采技術在資源開發的同時開展沉陷預防和生態保護,從源頭上設計并防止開采沉陷的產生,是主動保護生態環境、減少采煤沉陷區的有效途徑。充填開采在常規采煤方法和地表生態環境、地面建筑物、井上下水系發生矛盾的時候,可以起到不可替代的作用,在源頭上保護生態環境,減少地面沉陷。

隨著充填開采技術的發展,井下“采選充留”一體化,將實現矸石不升井,并在重點區域實現“精準充填”,為生態環境保護發揮更大的作用。

通過建立充填開采推廣機制,加強對新建礦井和老礦井技術改造項目的投入,配套相應的沉陷區和矸石廢棄物治理的扶持政策等措施,充填開采技術將會迅速在全國推廣,將有效地推進采煤沉陷區治理,產生巨大的社會、經濟與環境效益。