充填采矿技术在煤炭开采中的应用

引言：

充填采矿技术就是在煤炭开采作业期间，把适用充填材料填充到采空区，用以对潜在的围岩崩落进行有效控制。充填采矿技术应用于煤炭开采，充填成效及经济效益取决于充填材料技术的应用成效。煤炭企业须科学规划充填系统，优化设计方案，合理利用充填输送技术，做好参数控制。同时，充填采矿技术应用还要结合现场地质条件，选择适用充填方法，优化设计充填采矿工艺流程和参数，加快采充协调技术研发，客观评估充填采矿技术应用经济性，加强成本控制。

1 充填采矿技术概述

充填采矿技术的发展源于解决煤矿开采环境问题的需求，其核心在于控制岩层移动引发的沉陷与生态破坏。该技术通过矸石回填实现双重效益：既处理了固体废弃物，又为采空区提供了有效支撑。技术发展经历了从水砂充填到现代材料体系的演进，在建筑物下采煤等特殊条件下展现出独特优势。充填技术通过改变覆岩破断规律，显著降低地表沉陷值和导水裂隙带发育程度。这种控制效果不仅保护地表建筑物，更实现了保水开采的突破。

2 充填采矿技术在煤炭开采中的应用策略

2.1 充填材料性能优化与新型材料研发

充填材料的性能直接影响采矿技术的实施效果和经济性。材料需满足流动性、凝固性和强度等要求，其性能取决于胶凝材料、骨料及添加剂的配比。胶凝材料的水化反应与骨料级配共同决定充填体力学性能，添加剂可调节流变行为和凝固过程。工程应用中，浆体的流变特性研究对降低管道输送阻力至关重要。充填体强度形成涉及水化反应动力学与微观孔隙结构演变，需深入研究以优化长期稳定性。性能评价包括流动度、凝结时间和抗压强度等指标，为材料优化和质量控制提供依据。近年来，膏体充填和高水材料充填等新技术通过调整固液比或利用特殊胶凝机制，提升了充填技术的适用性，为复杂地质条件下的应用奠定了基础。

2.2 充填工艺与设备

2.2.1 充填系统设计与优化

充填系统的设计需综合考虑矿山地质特征、开采规模及充填材料的物理力学特性。地质条件决定了采空区的空间分布与岩层稳定性要求，而生产规模则直接影响充填系统的处理能力需求。在系统参数设计方面，充填站的存储与搅拌容量需与矿井生产能力相匹配，管道布置方案需兼顾输送效率与施工可行性，泵送设备的选型则取决于充填材料的流变特性与输送距离要求。系统优化设计依赖于数值模拟与工程实践的有机结合。计算流体动力学方法可模拟充填料浆在管道内的流动状态，通过分析流速分布与压力损失规律，优化管径选择与弯头配置方案。自动化控制系统的集成实现了充填参数实时监测与动态调节，确保充填浓度、流量与压力的稳定控制，为充填质量的均一性提供了技术保障。

2.2.2 充填系统参数化设计方法

充填输送技术在工程应用中主要采用管道输送和泵送两种方式，其技术参数优化对系统效率具有决定性影响。在管道输送系统中，充填浆体的固体质量浓度通常控制在 65%-75% 范围内，该区间既能保证料浆的流动性，又可有效降低沉降风险。输送速度一般维持在 0.8-1.2m/s 之间，该速度范围既可确保物料充分悬浮，又能将管道磨损控制在合理水平。管道内壁粗糙度系数通常要求不超过 0.015mm ，以最大限度降低沿程阻力损失。

2.3 充填采矿工艺工程应用

2.3.1 地质适应性充填方法选择

充填采矿方法的选择需依据煤层埋深和地质条件进行差异化设计。浅埋煤层（<200 米）适用膏体充填技术，充填体强度控制在2-3 兆帕以控制地表沉降；中等埋深煤层（200-500 米）采用水泥砂浆充填，其 4-6 兆帕强度可满足地压承载需求；深部煤层 (>500 米）需采用强度超过 8 兆帕的胶结碎石充填体应对高地应力条件。特殊地质条件下需针对性调整技术方案：软弱顶板采用凝结时间 <2 小时的快凝材料；厚煤层（>6 米）实施分层充填，单层厚度 3-4 米且层间强度差 ⟨20% ；断层发育区选用弹性模量 ⟨0.5 吉帕的柔性充填材料以优化应力分布。这些技术参数的确定均基于特定地质条件下的岩层控制要求，体现了

充填采矿方法的工程适应性。

2.3.2 充填参数优化与工艺流程设计

充填参数优化与工艺流程设计需采用多目标系统优化方法。材料配比通过正交试验确定最佳方案，典型配比为水泥：粉煤灰：砂 =1:4:6 ，水胶比控制在 0.5-0.6，使充填体 28 天抗压强度稳定在 4,5-5,5MPa ，满足中等埋深煤层强度需求。浆体浓度优化至 72%-75% ，兼顾输送流动性与材料稳定性。输送系统设计需匹配充填规模与输送距离，日充填量 500-1000m³ 时，采用 100-150mm 管径配合 4-8MPa 泵压，流速控制在 0.8-1.2m/s 以降低管道磨损。工艺流程关键控制点包括：高精度计量（误差 ⟨0.5%⟩ ）、 搅拌功率、输送间断时间<15 分钟 / 次及充填量误差 ⟨1.5% 。自动化控制系统实现浆体浓度波动 ±1% 、压力波动 ±0.2MPa 的精确调控，使充填体合格率超过 98% ，显著提升系统稳定性与作业效率。这些优化措施构成了现代充填采矿技术的核心体系，为矿山绿色高效开采提供技术保障。

2.3.3 采充协调技术

采充协调技术通过优化作业循环周期，实现采矿、充填和养护工序的高效衔接。采用并行作业方式缩短采场准备时间，并通过实时调控充填参数保证质量稳定性。分段充填技术的应用解决了大高度采场的充填难题，而可视化监测系统显著降低了人工巡检需求。设备选型与布置的优化提升了整体利用率，该技术的综合应用使工作面回采率和采充效率得到显著提高。

2.4 充填采矿全生命周期经济评价

充填采矿技术的经济性评估需基于全生命周期成本效益分析。材料成本构成中胶凝材料占比最高，采用工业固废替代水泥可显著降低费用。输送系统通过管网优化和泵站合理布置实现能耗控制，自动化技术则提升控制精度并减少人力需求。充填体强度设计以围岩强度的 70%-80% 为经济合理值，既能满足岩层控制要求又可优化成本。资源回收率的提升可对冲充填成本，在优质资源矿区效益更显著。环境效益评估需量化地表沉陷控制和地下水保护带来的长期价值。虽然初期投资较高，但在深部及复杂地质条件下优势明显。

结束语：

总而言之，煤炭开采保障国计民生能源供应，在国家能源安全方面发挥着重要作用，具有战略价值。煤炭开采面临的是错综复杂的地质环境，不同现场条件决定着煤炭开采的技术应用选型。充填采矿技术是煤炭开采作业常用技术类型，它技术特点独特，经济性优良，能够充分体现环境效益和社会效益，是一种具备综合性优势的煤炭开采技术。煤炭企业须针对井下条件，围绕充填采矿技术应用制定完善的措施和工艺流程，保证技术应用发挥预期成效。

参考文献：

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[3] 杨 发 发 . 充 填 采 矿 技 术 在 煤 炭 开 采 中 的 应 用 [J]. 模 型 世界 ,2022(10):49-51.