2-5 充填开采技术

二、充填开采技术原理
3、充填开采地表沉陷预计——等效采高
将充填开采视为一个等厚的薄煤层开采，该薄煤层的厚度就是实 际采高减去充填体压实后的厚度，这样就可以应用常规的垮落法 地表沉陷预计方法进行充填开采的地表沉陷预测。
如煤层实际采高为3.0m，充填率为90%，充填体压缩率10%，则 此时的等效采高为0.57m。
充填体充填率
充填开采地表沉陷 的影响因素
充填体压缩率
顶板超前下沉
二、充填开采技术原理 2、充填开采地表沉陷的影响因素——充填体充填率
v1 r v
式中，v1为充入的充填材料体积，v为采出煤层的体积。
提高采空区充填率是减缓地表开采沉陷的最有效和最直接的方法 。理论上来说，假如充填率接近1，充填开采可以完全控制地表沉 陷。事实上，由于充填前采场围岩就已发生了变形及受充填工艺 的限制，充填材料不可能充满形状复杂的采空区或实现采空区充 填接顶，在实际充填中充填率不可能达到1，例如波兰的水沙充填 率最大为0.7。
充填开采的经济核算曲线
一、充填开采技术概述——充填开采特点 （3）充填成本与采矿效益不均衡
充填成
成 本 费 用
本
土地费
用
年份
煤矿充填开采的经济分析 充填开采的经济核算曲线
一、充填开采技术概述——充填开采特点 （3）充填成本与采矿效益不均衡
（×10000）元/亩
3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 1990 1992 1994 1996 1998 2000
充填开采特点
充填成本与采矿效益不均衡 充填作业时空受限 充填范围大
一、充填开采技术概述——充填开采特点 （1）采煤生产能力与充填生产能力不均衡 众所周知，充填开采中，采矿和充填互相制约 ，不继续采矿就无处充填，不充填也就不能采矿 ，使得由采矿和充填这两个作业环节组成的回采 作业大循环共同决定矿井的开采。因此，只有实 现采矿和充填的均衡，充填技术才有生命力，才 会在矿山有效应用。 煤矿的充填技术必须适应高产高效的发展。但 是目前的充填能力一般小于40m3/h，而一个年产 100万吨的矿井的生产能力超过100 m3/h，因此煤 矿充填技术无法与高产高效采煤技术相匹配。
一、充填开采技术概述——充填开采特点 （2）充填材料供需不均衡 例如我国抚顺矿区由于有大量的油页岩的炼油 废渣作为煤矿采空区充填材料，水砂充填采煤方 法被延续应用了几十年。我国新汶矿区，由于有 汶河优质河砂，曾采用河砂作为煤矿采空区充填 材料。然而，上述矿区随着充填材料的枯竭，充 填采煤方法也随着减少或消失。
三、水砂充填开采方法 1、充填系统
1—行人斜井；2—砂 仓；3—注砂室；4— 斜井；5—地面清水池； 6—注砂管；7—流水 上山；8—流水道； 9—沉淀池；10—排泥 罐；11—水仓；12— 水泵；13—排泥矿车； 14—吸水井；15—排 水管；16—运砂矿车； 17—供水管；18—已 充填的采空区
一、充填开采技术概述——充填开采特点 （1）采煤生产能力与充填生产能力不均衡 例如抚顺老虎台矿采用采空区全部水砂充填采 煤法40余年，为了维持年生产能力300万吨水平， 需22个采煤工作面。而1999年改用综放开采后， 该矿采煤工作面减少到3个，生产准备工作面大幅 度减少，矿井生产能力超过300万吨。由于水砂充 填生产不适应高产高效的采煤工艺，3套充填系统 全部被废弃。
二、充填开采技术原理 1、充填开采岩层移动与破坏特点
（3）采空区充填可以减少地表移动和破坏
根据开采沉陷规律可知，地表移动变形与开采厚度 有直接关系。采厚越小，地表下沉越小，反之下沉越 大。充填采空区后，相当于减小了开采煤层的厚度， 故可以减小地表移动和破坏。
二、充填开采技术原理 2、充填开采地表沉陷的影响因素
2 减沉开采技术
2-1 2-2 2-3 2-4 2-5 开采引起的地表沉陷规律 开采沉陷对地面建筑物的影响 减少开采沉陷影响的技术措施 条带开采技术 充填开采技术
2-6
部分充填开采技术
2-5
充填开采技术
一、充填开采技术概述 二、充填开采技术原理
三、水砂充填开采技术
四、膏体充填开采技术
五、矸石直接充填开采
二、充填开采技术原理
2、充填开采地表沉陷的影响因素——充填体压缩率
传压活塞
40 35 30 25 20 15 10 5 0
压缩率 /%
充填料 渗水板 渗水层（砂子） 泄水口
矸石粉50%,粉煤灰50% 矸石粉60%,粉煤灰40% 矸石粉70%,粉煤灰30% 矸石粉80%,粉煤灰20% 矸石粉100%(-2.5mm) 粉煤灰100%
gate
backfill
gate
mining face
Backfill in longwall
Silesian Technical University - Gliwice Prof. J. Palarski
应该指出的是，相同的充填材料、充填工艺和同样的采矿地质条 件下，充填率越大，控制开采沉陷的效果越好。
二、充填开采技术原理
2、充填开采地表沉陷的影响因素——充填体压缩率
l1 s l
充填体在自重和上覆岩层的作用下会产生压缩变形和沉降。如果 采空区中充填体的压缩变形引起的沉降过大，会失去控制开采沉 陷的作用。
16 5 17 4 1 2
3 6
15
18
7 13 10 9 12 14 11 8
三、水砂充填开采方法 2、应用及评价
水砂充填采煤法具有充填率高、能有效控制地表 下沉和变形等优点。但其充填系统复杂，设备及 设施投资大，充填材料昂贵，故吨煤成本较高。 与该方法对应的采煤工艺落后，实现机械化有一 定困难，劳动效率低。
一、充填开采技术概述——充填开采特点 （3）充填成本与采矿效益不均衡
某矿区采煤沉陷土地赔偿费与充填成本对比
一、充填开采技术概述——充填开采特点 （3）充填成本与采矿效益不均衡
某矿区村庄搬迁费与充填采煤成本对比
一、充填开采技术概述——充填开采特点 （3）充填成本与采矿效益不均衡
降低充填材料的成本
在充填率相同时，不同充填方法控制开采沉陷的效果一般是不同 的。例如波兰的上西里西亚煤矿区使用河沙充填，地表下沉系数 一般小于0.1；同样条件下使用矸石充填，地表下沉系数一般为 0.25~0.5。这两种充填方法的减沉效果差异的根本原因在于：水沙 充填体和矸石充填体的压缩率不一样。
二、充填开采技术原理
降低充填成本的主要途径
采用部分充填
一、充填开采技术概述 2、充填开采方法分类
采空区充填
全部充填 冒落区充填 离层区充填 充填 开采 按充填位置 按充填量 部分充填
自溜充填 风力充填 按充填动力 机械充填 水力充填
水砂充填
矸石充填
按充填物质 膏体充填
高水充填
一、充填开采技术概述 3、充填开采历史
20世纪 80年代 离层区充填 我国首例——抚顺
（1）采空区充填可以有效缓解采煤引起的矿山压力 显现 采空区充填可以有效改变煤体、围岩的受力状态， 将其所受的采动压力由四周煤岩体承担改为充填物和 四周煤岩体共同承担，有效分散采动影响压力，减少 应力集中。同时，充填体将承受和转移顶板的大部分 压力，有效抑制顶板下沉和底板隆起。一般情况下， 采用采空区充填的采煤工作面，其初次来压和周期来 压都不明显，有的几乎观测不到，工作面和回采巷道 的矿山压力显著减小。
Work station of operator
Scheme of process
Mixer
gate
backfill
gate
mining face
Backfill in longwall
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一、充填开采技术概述——充填开采特点 （2）充填材料供需不均衡 寻找丰富低廉的合适充填材料满足回填空间的 要求，是充填开采方法成功应用的一个必要条件 ，这就是充填材料供需均衡问题。 金属矿山采用掘进废石、尾砂（约占矿石开采 量的90%左右）、冶炼炉渣等采矿废弃物作为充 填料，完全解决了充填材料供需均衡的问题。同 金属矿相比，煤矿自身工业废弃物比例小，煤矿 的矸石一般为煤炭开采量的15%左右，采空区全 部充填难以解决充填材料来源困难的问题。因此 ，采空区全部充填采煤技术只局限于在能够在解 决充填材料的矿区使用。
ห้องสมุดไป่ตู้
一、充填开采技术概述——充填开采特点 （3）充填成本与采矿效益不均衡
充填成本与采矿效益均衡问题就是：充填开 采中因充填而增加的经济效益能否抵消充填成 本？就我国煤矿充填而言，只有当充填成本小 于因开采引起的土地破坏和村庄搬迁赔偿费用 时，充填成本与采矿效益才实现均衡，充填技 术才有生命力，才会在煤矿得到有效应用。
2、充填开采地表沉陷的影响因素——充填体压缩率
传压活塞
40 35 30 25
压缩率 /%
粉煤灰 矸石粉(-4.0mm) 矸石粉(-2.5mm) 矸石粉(-1.25mm) 砂子
充填料 渗水板
20 15 10 5 0 0 2 4 6 8 载荷 /MPa 10 12
渗水层（砂子） 泄水口
砂子的压缩率最低，粉煤灰的压缩率最高。不同粒径的矸石粉的压缩率较为 相近，其压缩变形大大小于粉煤灰，但却明显高与砂子。
0
2
4
6
8
载荷 /MPa 10 12
纯矸石粉的压缩率最低，而纯粉煤灰的压缩率最高。当轴向压力达到9MPa后 ，纯矸石粉的压缩率增加已经趋于缓慢，即压缩变形量接近最大值。
二、充填开采技术原理
2、充填开采地表沉陷的影响因素——顶板超前下沉
超前下沉是指充填前顶板和地表向采空区的下沉量。 由于煤层的开采，导致采场四周煤岩体内应力集中，尤其是工 作面前方将受到超前支承压力影响。在超前支承压力作用下，工 作面前方顶板和覆岩在充填之前必然发生压缩、变形。虽然通过 采用充填开采后，工作面超前支承压力有所缓和，但其仍然存在 ，故该下沉变形量是不可控的。随着回采面积的逐渐增大，岩层 运动向地表的传播，该超前下沉必将最终反映在地表沉陷上。其 表现是：地表沉陷范围总是大于工作面回采边界。从这个方面来 讲，采用充填开采不可能做到地表完全不下沉，除非是在极不充 分采动条件下。
二、充填开采技术原理 1、充填开采岩层移动与破坏特点
（2）采空区充填可以减少采动影响造成的顶板导水 裂隙高度和底板的破坏深度 全部垮落法管理顶板的采煤方式，其上覆岩层遭到 破坏程度随采厚的增加而增加。充填开采的采空区在 充填及时、足量的情况下可以做到不形成垮落带，导 水裂隙带的高度也大大减小。采用全部充填工艺时， 其导水裂隙带高度不足全部垮落法的15%，甚至有时 导水裂隙带不明显。因此，充填开采可以减少因采动 引起的煤层上覆岩层破坏造成的导水裂隙。同样，采 空区全部充填对于煤层底板的破坏程度也大大减轻， 其“下三带”破坏程度比全部垮落法轻很多。
基于这些原因，该方法在我国已逐渐淘汰。
pipe branch
长壁充填开采技术
Surface infrastructure
Distribution system
Longwall panel
Dewatering system
POLITECHNIKA ŚLĄSKA W GLIWICACH
PROF. JAN PALARSKI
冒落区充填
主要用于德国、波兰；我国尚处于起步阶段
采空区充填
干式充填
水力充填 膏体、高水、固体废物充填
20世纪 50年代
20世纪 80年代
二、充填开采技术原理
1.充填开采岩层移动与破坏特点
2.充填开采地表沉陷的影响因素 3.充填开采地表沉陷的预计方法
二、充填开采技术原理 1、充填开采岩层移动与破坏特点
年份(年)
2002
某矿区1990-2001年采煤沉陷土地赔偿费
一、充填开采技术概述——充填开采特点 （3）充填成本与采矿效益不均衡
（×10000）元/户
5.0
4.0
3.0
2.0
年份（年）
1.0 1990 1992 1994 1996 1998 2000
2002
某矿区1990-2001年采煤村庄搬迁费
六、高水材料充填开采
一、充填开采技术概述
1.煤矿充填开采特点
2.充填开采方法分类 3.国内外煤矿充填开采历史及现状
一、充填开采技术概述 1、充填开采特点
充填开采就是利用外来材料如矸石、 砂、碎石、粉煤灰等物料充填采空区， 达到控制岩层移动及地表沉陷的目的。
采煤生产能力与充填生产能力不均衡 充填材料供需不均衡