李强
淮河能源控股集团煤业公司谢桥煤矿，安徽淮南 236200
摘要：综合机械化固体充填采煤技术是近些年随着解决“三下”压煤而逐渐发展起来的开采技术，在运用其解决水体下压煤开采时，需要研究覆岩导水裂隙带发育高度及裂隙分布特征，从而为水体下安全开采以及最大限度提高煤炭资源采出率提供理论指导。
关键词：含水层下采煤；固体充填开采；固体充填
我国煤矿水文地质条件复杂，受上覆水体威胁的煤层储量巨大。在东北、华北和华东平原等地区普遍被第四系的含水砂层覆盖，这些地区煤田的浅部开采都存在含水砂层下采煤问题。此外，在我国南方一些产煤大省，如贵州、湖南、江西等存在的煤层顶板石灰岩溶水患也十分严重。
1 固体充填采煤技术的必要性
自20世纪50年代以来，我国开始进行水体下采煤的研究和试采，已经安全开采出了大量水体下压煤，形成具有我国特色的水体下采煤的理论体系和开采技术。然而绝大部分矿区主要还是留设大尺寸的防水煤岩柱以保证水体下开采的安全，由此造成煤炭资源的极大浪费，在煤炭资源日益稀缺的今天，此问题更加凸显出来。
2 固体充填采煤关键技术
对导水裂隙带发育高度及形态的研究，是矿井进行水体下压煤开采确定合理开采边界的基础，是矿井安全生产的关键。准确地预计导水裂隙带发育高度，合理确定煤层开采边界，不但是矿井安全生产的问题，更是提高开采上限，扩大矿井可采储量，延长矿井服务年限，提高经济以及社会效益的有效途径。据不完全统计，自建国以来，我国先后已有十几个省五十多个煤矿，采用近十几种方法，对不同地质条件下的薄、中厚、厚煤层分层开采的一百多个工作面上覆岩层裂隙发育情况进行现场探测，得出了近水平至倾斜煤层开采后覆岩裂隙基本呈“马鞍形”的规律。“建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设于压煤开采规程”中归纳了各类地质采矿条件下计算导水裂隙带高度的经验公式。
实践及研究表明，充填开采是水体下采煤较为有效的开采方式，可以实现煤炭资源采出率的最大化。充入采空区内的充填体支撑着上覆岩层，极大地减小了覆岩的破坏高度，相应地减小了导水裂隙带发育高度，缩小了防水煤岩柱留设尺寸，提高了煤炭资源的采出率。鉴于充填开采在控制覆岩运动方面具有较大的优势，各学者及科研院所等从充填输送动力、充填工艺到充填材料都进行了深入的研究，在一定的时段适应了开采技术的要求，起到了较好的覆岩控制效果，但是由于其成本高、效率低等因素，这些充填开采技术大多没有在煤矿得到推广应用。因此，对于充填开采技术运用于水体下压煤开采的相关研究甚少，对于充填采煤上覆岩层导水裂隙带发育高度的研究更是少之又少。
3 充填采煤技术的发展
充填开采就是利用井下或地面的矸石、砂、碎石等物料充填采空区，以达到控制岩层运动及地表沉陷的目的。按充填方式可分为水力充填、风力充填、矸石自溜充填、机械充填等；按所采用充填材料可分为非胶结充填法和胶结充填法。国外为解决在重要建筑物下开采时，也曾采用混凝土充填。
矿山充填技术已有数百年的历史。从20世纪初期，澳大利亚的金属矿山开始有计划采用废石充填，至90年代，矿山充填开采主要经历了大致四个阶段：以处理废弃物为目的的矿山废料干式充填，水砂充填，尾砂胶结充填，高浓度充填技术、膏体充填、块石砂浆胶结充填和全尾矿胶结充填等新技术。
国内充填开采技术是在近40年以来取得了较大发展，其发展历程基本与国外相似，但要比国外滞后10～20年，由于是在吸取了国外的发展经验的基础上，因而其差距已逐步缩小。国内在上世纪50年代以前，均是以处理废弃物为目的的废石干式充填工艺，从60年代才开始采用水砂充填工艺。国内初期的胶结充填均为传统的混凝土充填，在70年代至80年代，细砂胶结充填工艺获得广泛推广应用，并且在全国二十多座矿山成功实践。进入90年代，随着采矿工业的发展，原充填工艺已不能满足回采工艺的要求和进一步降低采矿成本或环境保护的需要，高浓度充填技术、膏体充填和全尾矿胶结充填等新技术得到了大力发展。
上述充填开采技术初始阶段主要都是运用于有色或黑色金属矿山开采方面，但由于煤矿开采的复杂性及充填成本高、煤炭价格低等因素，这些充填开采技术大多没有在煤矿得到推广应用。
近些年，随着煤炭行业的快速发展，研发与煤炭企业安全、高产高效发展相适应的充填开采技术及工艺成为必要。2004年以来，中国矿业大学周华强等人率先将膏体充填技术应用于煤矿采空区充填，对不迁村采煤的固体废物膏体充填的工艺与方法进行了研究，并在多个煤矿进行了实践应用，取得了良好效果。冯光明等人研制了高水速凝充填材料，利用高水材料具有较好的固水能力的特点，实现高水胶结充填，其技术优点是可将较高比例的水（占87%~90%）凝结起来，充填浆料凝固速度快，早期强度高，提高了充填效率。郭维嘉等学者提出了袋装充填及城市垃圾充填的设想，并初步论述了其充填原理及可行性，但还未成功应用于实践，由于城市垃圾的危害大，处理困难，因此其能得以实现将具有重大的现实意义。
矸石直接充填开采技术无论是从控制覆岩移动和地表沉陷，还是从减少固体废物排放和煤炭资源浪费等方面来考虑，都是一种比较理想的“三下”采煤方法，并且其充填材料具有来源丰富、价格低廉、适用性广等优点，其一直是我国各学者及科研院所致力研究的方向。早期煤矿矸石充填开采主要经历了矸石自溜充填、矸石风力充填、人工矸石充填和矸石简易机械充填等4个阶段，但由于充填工艺落后、生产效率低、工人劳动强度很高及适用条件限制等因素，使矸石充填开采始终没有得到较大的发展和推广。为此，中国矿业大学缪协兴等学者研发了综合机械化固体充填采煤技术，通过综采回采工艺与矸石机械化充填工艺的优化组合，实现高效采煤与充填的并举，是与矿井安全、高产高效发展相适应的“三下”开采技术，该技术已成功建筑物下、河堤下压煤开采进行了实践。
4 结束语
综合机械化固体充填采煤技术是近几年发展起来的，适应现代矿井高产高效要求的新型开采技术，具有充填效率高、充填材料来源广泛、成本低廉等特点，其在我国新汶、兖州等矿区解决建（构）筑物下、河堤下压煤开采已经得到成功应用。对于其应用于水下压煤开采具有广阔的前景，也是煤矿绿色开采的发展方向之一。为此，研究综合机械化固体充填采煤上覆岩层导水裂隙带发育高度，合理确定开采边界，对于最大限度的提高煤炭资源采出率具有重要现实意义。
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