充填采礦法與礦層移動(dòng)控制研究

李濤濤

（河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院，河南 焦作 454000）

為了提高“三下”壓礦（鐵路下、水體下、建筑物下）的采出率和對(duì)地表沉陷的控制，充填系統(tǒng)要將充填材料填運(yùn)送至采空區(qū)，并且要對(duì)其壓實(shí)，使其在頂板下沉之前具有一定的強(qiáng)度，進(jìn)行充填壓實(shí)填充材料的過程中要盡量避免影響正常的采礦作業(yè)，這樣才能起到支撐頂板減小地表沉陷且又進(jìn)行安全采礦作業(yè)的目的[1]。本文介紹了充填采礦法的主要方法，根據(jù)等價(jià)采高理論找到影響充填效果的關(guān)鍵因素。

1 充填采礦法

充填采礦法是利用井下采空區(qū)處理本來要提升到地面準(zhǔn)備丟棄的矸石，變廢為寶，在減少地面固體廢棄物的同時(shí)，減輕地面沉降，釋放“三下”壓礦，提高礦石回收率，減少礦石開采過程中造成的環(huán)境污染，實(shí)現(xiàn)礦山資源的可持續(xù)利用。

（1）充填采礦法系統(tǒng)。矸石是充填采礦法的主要填充材料，通過地面礦車、礦井提升機(jī)運(yùn)送至井下，經(jīng)井下礦車，膠帶運(yùn)輸機(jī)、轉(zhuǎn)載機(jī)等設(shè)備運(yùn)輸至充填工作面，最后通過液壓支架尾部的底卸式充填刮板輸送機(jī)運(yùn)送至需要填充的部位，矸石在夯實(shí)機(jī)構(gòu)的作用下變得密實(shí)，從而具有一定的強(qiáng)度。

（2）充填采礦法的主要設(shè)備。在充填采礦法技術(shù)中，矸石充填系統(tǒng)的主要設(shè)備包括充填采礦液壓支架、卸式充填刮板輸輸送機(jī)、可移動(dòng)轉(zhuǎn)載機(jī)等。填液壓支架除了具有普通液壓支架的功能外，還為充填工藝工程提供工作空間，為采礦工作面和采空區(qū)充填矸石提供保護(hù)；多孔底卸式刮板輸送機(jī)把矸石等充填材料合理的分配充填入采空區(qū)；可移動(dòng)轉(zhuǎn)載機(jī)能夠把充填蔡材料從膠帶運(yùn)輸機(jī)轉(zhuǎn)載到多孔底卸式刮板輸送機(jī)，可以根據(jù)工作面的推進(jìn)情況進(jìn)行移動(dòng)，增加了設(shè)備的適應(yīng)性。

（3）充填采礦法工藝。通過液壓缸將底卸式刮板輸送機(jī)吊架移至支架后頂梁末端，開始充填作業(yè)，4個(gè)底卸式刮板輸送機(jī)的卸料孔為一組，當(dāng)充填物料從第一個(gè)卸料孔卸載一定量后停止卸料，對(duì)應(yīng)的支架夯實(shí)機(jī)構(gòu)開始夯實(shí)，有序的將卸料孔分別進(jìn)行關(guān)閉和打開，關(guān)閉一個(gè)的同時(shí)打開另一個(gè)進(jìn)行卸料，當(dāng)卸載一定量的物料后關(guān)閉第二個(gè)卸料孔開啟第二卸料孔對(duì)應(yīng)的液壓夯實(shí)機(jī)構(gòu)進(jìn)行夯實(shí)作業(yè)，與此同時(shí)開啟第一個(gè)卸料孔對(duì)用夯實(shí)機(jī)構(gòu)剛夯實(shí)過的空間卸料，經(jīng)過幾個(gè)卸料與夯實(shí)工作反復(fù)循環(huán)作業(yè)，當(dāng)采空區(qū)矸石接觸到頂板且矸石具有一定的密實(shí)度后，結(jié)束該輪充填工作，通過液壓缸將底卸式刮板輸送機(jī)吊架沿著后頂梁的吊架槽向前移動(dòng)一個(gè)步距，用夯實(shí)機(jī)構(gòu)把支架后方的矸石推向后上部，使其充分接觸頂板并壓實(shí)，最后將刮板輸送機(jī)吊架再次移到支架后頂梁末端，開始新的一輪充填。

2 充填采礦巖層移動(dòng)計(jì)算的等價(jià)采高理論

2.1 充填采礦巖層移動(dòng)規(guī)律

在充填開采過程中，充填體作為采空區(qū)主體支撐上覆巖層的主要荷載，在很大程度上改變了覆巖移動(dòng)，因此，與傳統(tǒng)開采相比，巖層移動(dòng)特征、地層壓力和開采控制發(fā)生了重大變化：

（1）充填采礦可以使上覆巖層不形成垮落帶，很大程度減小了頂板裂縫的影響高度。使用垮落法管理頂板的綜采采礦工藝，采高的大小對(duì)采空區(qū)上覆巖層被破壞有直接的作用，采高越大上覆巖層被破壞的就越厲害，相反破壞就會(huì)小。在有矸石充填采空區(qū)的充填開采過程中，充填材料能夠及時(shí)的填充到采空區(qū)，并具有一定的強(qiáng)度，大大改善采空區(qū)頂板的受力條件，使其沒有垮落帶形成，這樣上部頂板裂縫的影響高度也將變小，條件好的頂板甚至沒有裂縫。因此，充填采礦可以使上覆巖層不形成垮落帶，很大程度減小了頂板裂縫的影響高度。

（2）充填采礦對(duì)減小礦山壓力顯現(xiàn)強(qiáng)度作用明顯。充填采礦工作面采用充填液壓支架，在充填采礦過程中，采空區(qū)用充填材料填實(shí)，礦體、圍巖和填充材料共同支撐上部覆巖，改善了礦體和圍巖的受力情況，本來僅僅由采空區(qū)周圍礦巖控制的壓力改由填充材料和周圍礦巖共同控制，能夠有效的分散頂板壓力，有效的控制頂板下沉和底板隆起；改善巖層的受力情況，減小采礦工作面礦山壓力[2]。

（3）采空區(qū)充填可以減少地表沉陷。礦層開采后填充材料并使材料具有一定強(qiáng)度，礦層采高相當(dāng)于被縮小了，采空區(qū)充填矸石可以有效控制地表沉陷。

2.2 等價(jià)采高理論

在礦山開采過程中，礦層厚度是影響巖層移動(dòng)、礦山壓力顯現(xiàn)與地表沉陷等的主要因素，而在充填采礦過程中，采空區(qū)被充填材料所填充，填充后的矸石占據(jù)采空區(qū)上部巖層垮落時(shí)一部分的空間，這樣巖層的垮落程度就會(huì)降低，填充的矸石可以轉(zhuǎn)換成礦層厚度，這部分“礦層”將不再開采，這樣將會(huì)降低實(shí)際的開采高度。等價(jià)采高為采礦工作面實(shí)際采礦高度減去固體充填體被頂板壓實(shí)后的高度所示。

等價(jià)采高計(jì)算公式見式（1）：

式中，HZ—等價(jià)采高；hq—充填欠接頂量；h—實(shí)際采高；v—充填材料的松散系數(shù)；v’—充填材料的壓實(shí)系數(shù)。

由式（1）可知：假定充填法采礦的采礦高度為h，由于充填材料接觸不到頂板和松散體碎脹率等因素，被充填后的采空區(qū)覆巖頂板會(huì)隨著時(shí)間的推移形成一定的下沉量，因此，實(shí)際采出礦層的厚度為h而在效果上不等價(jià)于。

但在公式（1）中，主要考慮了充填材料沒有接觸到頂板和松散材料的碎脹率等因素，但由于充填之前采空區(qū)的頂板已經(jīng)有不同程度的下沉量，且在工程實(shí)踐中矸石等松散體的碎脹系數(shù)難以被測(cè)出來，因此確定等價(jià)采高具有一定的難度。

根據(jù)實(shí)際情況，我們對(duì)公式（1）進(jìn)行修正。在充填采礦過程中，上覆巖層運(yùn)動(dòng)變形是一個(gè)不間斷的過程，等價(jià)采高HZ的大小等于該變化過程頂板的最終下沉量hd的大小，頂板最終沉降的hd與充填材料的力學(xué)性能、礦山地質(zhì)條件、充填設(shè)備和工藝等有關(guān)，其中關(guān)鍵因素包含頂板提前下沉量h1、欠接頂量hq、充填體的壓縮量hk等三個(gè)參量，因此公式（1）可以修正為：

其中頂板提前下沉量ht、欠接頂量hq均可以通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)得到，而充填體的最終壓縮量可以根據(jù)試驗(yàn)得到的充填體的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線得出。充填體壓實(shí)率η的概念：壓實(shí)率是指被測(cè)材料四周被限制的條件下，在垂直應(yīng)力作用下充填體最大壓縮量與充填體受力之前高度的比值，因此，hk可表示為：

因此，將式（3）代入式（2）可得充填采礦中等價(jià)采高的最終表達(dá)式為：

從式（4）可以得出，充填采礦中等價(jià)采高主要由頂板提前下沉量ht、欠接頂量hq、充填體的壓實(shí)率η等三個(gè)關(guān)鍵參量控制。

3 小結(jié)

本文主要介紹了充填采礦方法，根據(jù)矸石充填采礦巖層移動(dòng)控制規(guī)律，通過等價(jià)采高理論找到了控制巖層移動(dòng)與地表沉陷的關(guān)鍵因素。

降低充填開采的等效采高是可以達(dá)到上述目的，可以通過減小充填之前頂板的下沉量ht、減小矸石欠接頂量hq和增大矸石的壓實(shí)率η來實(shí)現(xiàn)。