建筑物壓煤采空區(qū)充填方法研究

李志平

摘要：我國(guó)建筑物下的采煤研究技術(shù)從上世紀(jì)60年代就已經(jīng)開始，先后在本溪、撫順、鶴壁等煤礦區(qū)進(jìn)行了試驗(yàn)，并且取得了成功的經(jīng)驗(yàn)，但是隨著煤礦的進(jìn)一步開采，地上建筑物受到了安全威脅。本文分析了建筑物下采煤的現(xiàn)狀，以及充填采空區(qū)方法的分類研究。

關(guān)鍵詞：建筑物；壓煤采空區(qū)；充填方法；研究

目前，隨著生產(chǎn)技術(shù)不斷進(jìn)步以及社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)能源的需求越來越大，煤炭作為主要能源，正大量的從地下開采，煤炭從地下開采出來以后上方的建筑物就失去了支撐，巖體原有的支撐力被抽離，使平衡狀態(tài)受到了破壞，引起采礦區(qū)的周圍建筑物變形、位移甚至遭到破壞，采空區(qū)達(dá)到一定的范圍以后就會(huì)導(dǎo)致建筑物變形倒塌。

一、建筑物下采煤現(xiàn)狀

國(guó)外發(fā)達(dá)國(guó)家的壓煤開采比較早，采煤的技術(shù)也比較先進(jìn)，主要采用的方法是：地上加固維修、井下充填、條帶式和房柱開采等方式，目前建筑物下開采技術(shù)最先進(jìn)的是波蘭。我國(guó)從上世紀(jì)五十年代開始研究建筑物下開采煤礦，并且使建筑物不搬遷的技術(shù)，前期主要是學(xué)習(xí)和引進(jìn)外國(guó)的先進(jìn)技術(shù)以及經(jīng)驗(yàn)，從六十年代我國(guó)開始逐漸的自己研究壓煤開采的技術(shù)，目前主要運(yùn)用的技術(shù)有以下幾種：條帶開采、留設(shè)保護(hù)煤柱、房柱式開采、離層注漿開采、跳采[1]。

二、采空區(qū)充填方式分類研究

（一）膏體充填方式

膏體充填的方式就是把煤礦區(qū)附近的粉煤灰、煤矸石、風(fēng)積沙、河沙、劣質(zhì)土以及工業(yè)爐渣等，在地上進(jìn)行加工制作成不需要脫水的膏狀物體，使用重力加壓或者充填泵，將管道輸送到地下，適當(dāng)?shù)膶?duì)采空區(qū)進(jìn)行充填。

與金屬礦山的膏體采空區(qū)充填相比，膏體充填方式的特點(diǎn)有以下方面：采煤與充填在一個(gè)工作面上，充填體的構(gòu)造方式和金屬礦山的構(gòu)造方式不同，煤礦填充需要使用專門膏體隔離支架；對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填的材料要求強(qiáng)度不同，煤礦充填以后很短的時(shí)間內(nèi)就要求充填體進(jìn)行承載重量；由于煤礦膏狀填充方式的材料主要是劣質(zhì)土、低質(zhì)量的粉煤灰等低級(jí)材料，導(dǎo)致充填材料差，質(zhì)量波動(dòng)較大。

比較常用的膏體充填系統(tǒng)主要有以下幾個(gè)方面：泵送系統(tǒng)，配料制漿系統(tǒng)、工作面充填系統(tǒng)。泵送系統(tǒng)就是采用充填泵把填充材料通過充填的管道運(yùn)送到井下進(jìn)行填充工作；配料制漿系統(tǒng)就是粉煤灰、煤矸石、膠結(jié)料、水和工業(yè)爐渣等混合在一起制作成膏體填充液漿；工作面充填系統(tǒng)是將膏體材料填充到采空區(qū)。

膏體充填的優(yōu)勢(shì)主要有：密實(shí)度高、漿料流動(dòng)性強(qiáng)、充填體的輕度高等優(yōu)點(diǎn)，所以對(duì)建筑物破壞以及地表塌陷的控制性好，但是膏體充填的成本較高。

（二）矸石充填方式

矸石的充填方式是利用重力、機(jī)械、風(fēng)力等動(dòng)力將充填的材料輸入或者拋入采空區(qū)的充填采煤方式，根據(jù)充填料充填采空區(qū)的動(dòng)力進(jìn)行劃分，矸石充填的方法包括自溜充填、人工充填、機(jī)械充填以及風(fēng)力充填等[2]。充填系統(tǒng)的充填料是以矸石和沙子為主要填充物，一般情況下不需要加入其它的添加劑。人工矸石的填充因?yàn)樯a(chǎn)效率低、生產(chǎn)能力小、勞動(dòng)強(qiáng)度大，所以在填充時(shí)很少使用這種填充方法，矸石充填方式的自溜充填方式只有在緊急情況下才會(huì)使用。

普通機(jī)械化的矸石充填方式的特點(diǎn)是經(jīng)常采用專門的機(jī)器將矸石拋向采空區(qū)進(jìn)行填充。2006年我國(guó)新汶礦業(yè)開始試驗(yàn)和使用這種充填方法，這種充填方法是利用井下礦石填充采空區(qū)，填充的系統(tǒng)簡(jiǎn)單，裝備投資較少，經(jīng)常在煤層薄的礦區(qū)使用。

綜合的矸石充填方式是指在綜合的機(jī)械化采煤作業(yè)上面同時(shí)實(shí)現(xiàn)綜合機(jī)械化矸石填充方式。矸石填充方式的實(shí)現(xiàn)主要技術(shù)難點(diǎn)就是解決實(shí)施充填空間、充填的通道以及充填的動(dòng)力問題。這種技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)在同一個(gè)液壓支架上掩護(hù)采煤與填充作業(yè)，并且采煤運(yùn)煤的布置方式與傳統(tǒng)的綜合采煤完全相同，為了實(shí)現(xiàn)矸石從地面上運(yùn)轉(zhuǎn)到充填工作面的連續(xù)高效填充，布置一個(gè)充填運(yùn)輸系統(tǒng)即可。

（三）超高水材料充填方式

超高水材料是一種膠凝材料，它的全稱是高水速凝固結(jié)材料，組成方式主要是由A、B兩種材料混合而成，A主要是指鋁土礦、石膏等獨(dú)立煉制而成的主料、復(fù)合超緩凝的分散劑結(jié)合而成，B料是指由石灰、石膏混合磨制成的主料加上小量復(fù)合速凝劑組成，這兩種材料以1：1的混合使用，有95%—97%的水體積，用水量高，初次凝結(jié)的時(shí)間是30分鐘到90分鐘，最終凝結(jié)強(qiáng)度為0.5—1.0MPa，并且生成的固體不會(huì)收縮，也不會(huì)遭到壓縮，是一種理想的填充采空區(qū)材料[3]。

與其它的填充技術(shù)相比較，超高水材料的充填方式有以下幾種優(yōu)點(diǎn)：由于用水量較高，所以需要的固體材料很少，一方面克服了填充采礦區(qū)缺乏固體材料的問題，另一方面又簡(jiǎn)化了其他的填充技術(shù)所需要的龐大填充系統(tǒng)；由于不需要太多的固體材料，基本上不會(huì)影響礦井運(yùn)輸；填充時(shí)所需要花費(fèi)的資金少，充填漿料的流動(dòng)性好，不容易堵塞，工作巖石面不漏水滲水[4]。超高水填充方式的缺點(diǎn)是抗風(fēng)化性能差、抗高溫的性能低、充填材料不利于長(zhǎng)期的穩(wěn)定。

超高水的填充法主要包括以下幾種方式：開放式填充法、袋式填充法、混合式填充法。開放式的填充法是指在仰斜的開采條件下，不對(duì)采空區(qū)做任何調(diào)控，利用超高水的材料漿液將采空區(qū)充滿，凝固后的充填體與周圍的巖層來控制地上建筑物的安全；開放式的填充優(yōu)點(diǎn)是開采與充填互不影響，產(chǎn)量不受填充影響，工藝簡(jiǎn)單，不需要改工作面的支架，充填的速度快，對(duì)充填人員的需求小，勞動(dòng)量低，方便組織和管理。袋式的填充法是指將超高水材料的漿液通過管路預(yù)先在采空區(qū)設(shè)置充填袋內(nèi)，使用凝固以后的填充體控制采空區(qū)的巖體活動(dòng)?；旌鲜降某涮罘ㄊ侵笇㈤_放式的填充和袋式填充相融合，采空區(qū)部分采用袋式填充，只需要保證頂板在短期內(nèi)不斷就可以，工作面推進(jìn)一定的距離以后用填充袋將采空區(qū)沒有填滿的部分封閉，然后向里面置入超高水漿液，這種混合充填法也是適合在兩巷沿空留巷[5]。

三、建筑物下開采發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前在國(guó)內(nèi)采取的主要方式是使原地重建抗打擊抗變形的建筑物，在村莊下部分開采，實(shí)施預(yù)先墊置矸石等措施，在建筑物下開采時(shí)普遍運(yùn)用，異地搬遷與就地重建相比，就地重建減輕了因村莊集體搬遷給征地的煤礦企業(yè)帶來的經(jīng)濟(jì)壓力，對(duì)解決建設(shè)用地和耕地用地的積極利用土地有現(xiàn)實(shí)的意義[6]。同時(shí)，采用抗變壓型的樓房技術(shù)處理可以給建筑物拆遷、搬遷、重新規(guī)劃等建設(shè)帶來新方向引導(dǎo)，有效的改善居民居住條件，提高居民的生活水平。

結(jié)語：

目前因?yàn)槲覈?guó)開采煤礦的環(huán)境問題越來越嚴(yán)峻，建議規(guī)定地面磚混結(jié)構(gòu)來保護(hù)建筑物與地表變形指標(biāo)的體系，作為充填開采地面建筑物變形的控制指標(biāo)，綜合考慮地質(zhì)的采礦條件以及地表的移動(dòng)規(guī)律，避免過度的充填，會(huì)造成浪費(fèi)充填材料并且增加生產(chǎn)成本，確保建筑物下安全開采。

參考文獻(xiàn)：

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[2]周振，馮光明，張明，夏文營(yíng)，王成真.超高水材料分段阻隔式充填開采研究[J].中州煤炭，2011，02：10-12.

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