充填开采对煤矿开采的影响

金属矿充填开采现状矿床开采给矿产资源和生态环境带来的负面效应主要有4大危害源:资源损失、地表塌陷、排放废石、排放尾砂(赤泥)。最近二三十年代，充填采矿法在世界范围内得到越来越广泛的使用。这一方面是地下开采深度逐步增加对维护矿山和采场稳定的需要，另一方面是提高自然回收率和环境保护的需要而促成的。在加拿大，充填采矿法的适用比重达40%以上，如果加上空场嗣后充填，则占采矿方法的70%~80%。南非的黄金深井开采，几乎全部使用充填采矿法或壁式空场嗣后充填。在我国，地下开采的有色金属矿山中，充填采矿法的使用达到23%左右（不包括空场法嗣后充填[7]；而在地下开采的黄金矿山，充填采矿法的使用比重更高，达到40%以上。从我国充填采矿法的应用现状来看，其主题依然是上向水平分层充填采矿法，使用胶结或非胶结的脱泥尾砂作为充填材料。此外，还有采用下向进路胶结充填法、削壁充填法、分段充填法等，使用的充填材料除脱泥尾砂外，还有块石、粗粒级碎石、磨砂、天然砂和全尾砂等。在充填工艺方面，主要的进展有：寻找新的充填材料，如挪威Niruna矿所报道的使用冰做充填材料，以及加拿大Denison-Potacan钾盐公司所报道的使用盐尾矿作充填料；降低充填成本，研究用不加水泥的粗粒级碎石充填料取代胶结脱泥尾砂充填料，这在我国锡矿山矿和会泽铅锌矿麒麟厂矿区得到了成功的应用。据麒麟厂矿区的试验资料，充填成本降低了42.7%。金属矿床开采的3大固体废料源为废石、尾砂(矿)和赤泥。近年来,研究开发并推广应用了高浓度全尾砂充填、自然级配废石胶结充填和赤泥胶结充填等固体废料充填工艺和技术,能够实现矿山废料资源化和减量排放,达到资源与环境、安全、经济协调发展的综合目标。全尾砂膏体充填技术的主要优点有：（1）尾砂利用率高。（2）减少尾砂库经营和维护费用。（3）充填料浆浓度高，大大减少了水泥用量，降低了充填成本。（4）全尾砂膏体充填料在采场一般无渗流水排出，改善了井下作业环境，节省了井下排水及清理污泥等方面的费用。全尾砂膏体充填的技术关键，有以下几点：（1）尾砂脱水浓缩技术。（2）膏体的泵压输送技术。（3）膏体管道输送系统的监控技术。孙恒虎等研制成功不脱水全尾砂速凝固充填材料。这种材料是在不脱水的全尾砂中加入特种吸水胶凝混合料，使之快速凝固硬化。焦家金矿与中国矿业大学（北京）合作，对高水固结充填采矿法的部分工艺进行了合理改进，现已趋于成熟。高水固结充填采矿法已经在焦家金矿得到了成功应用与推广。在充填料输送方面，最引人注目的研究成果是全尾砂膏体充填料泵压输送技术。金属矿充填采矿法的发展趋向：无废开采是世界采矿业发展的一种趋势。近年来，随着环境保护力度的加大，各国对改善矿山环境和无废开采越来越重视。矿床无废开采模式遵从工业生态学的观点,以采矿活动为中心,将矿山人文环境、生态环境、资源环境和经济环境相互联系起来,构成一个有机的工业系统;在采矿过程中,以最小的排放量获取最大资源量和企业经济效益;在采矿活动结束后,通过最小的末端治理使矿山工程与生态环境融为一个整体。因此,无废开采模式包括3项基本要素:资源效率高;废料流出量小;地表不受破坏；这也正是充填开采的优点所在。矿山压力显现：根据冀中能源股份有限公司邢台矿与中国矿业大学合作,试验研发的“建筑物下综合机械化充填采煤技术”对其进行顶板观测，得出的结论：(1)综采充填工作面采空区中矸石与粉煤灰作为充填支撑体承担了上覆岩层的一部分载荷,明显减弱了工作面的矿压显现强度,支架工作阻力只有全部垮落法的65%,充填体可有效抑制顶板的运动,工作面顶板周期来压强度只有垮落法的30%,基本顶只发生离层并没有断裂。(2)矸石充填综采与传统综采相比,采空区基本顶的垮落受充填体、破碎直接顶的支撑作用,其给予支架、煤壁等的动载系数将减小,采场矿压显现特征不明显。(3)采空区充填体的充实度对支架压力显现有重要影响,工作面中部充实度高,支架压力显现偏低;两端充实度低,支架压力显现高。(4)由于充填体的支承作用,矿压集中程度减弱,充填工作面的超前压力影响范围要比常规开采小40%。由中国矿业大学深部岩土力学与地下工程国家重点实验室专家组对薄基岩巷采矸石充填围岩变形特征进行数值模拟得出结论：（1）在薄基岩巷采充填过程中煤层上方一定高度内的岩层呈波浪丁沉状。岩层内部的波浪式下沉向部土层延伸。与围岩应力变化特点相对应，模拟结果将开采后覆岩移动变形破坏规律可视化。（2）单个开采并充填条带，引起围岩位移较小，位移分布与传统的开采沉陷盆地相似。距掘进面较远的岩层受二次采动影响，产生叠加。（3）采空区上部各岩层下沉值随深度的增加而增大，而煤柱方向则下沉值逐渐减小。数值模拟显示采用充填开采方式，地表各移动变形值均很小，地表水平变形最大值为0.2276mm／m，倾斜最大为0.05mm／m。从现试验来看，在这种薄基岩地层条件下，只要巷道开采高度与宽度设计合理是可以应用于现场实践的，以后可以在类似薄基岩煤层巷式充填开采方法迸行地表沉陷预计，对“三下”煤层的有效利用与汗采均具有很高的指导作用。