采空区充填技术的优点和存在问题探索

采空区充填技术的优点和存在问题探索

【摘要】随着煤炭事业的发展，深井开采是煤炭矿井发展的必经之路。充填法是深井矿山首选的、极其重要的采矿方法，因此对此进行系统的研究和探索，对保证深井煤矿的安全开采、降低其生产费用等都具有积极的意义。

【关键词】采空区；理论基础；充填体

0.概述

煤矿深井由于深部岩层压力大，支架损坏严重，巷道维护异常困难，安全事故增加，带来的地质灾害严重，因此需要寻求深井煤矿开采方法，充填开采技术是解决深井开采问题的发展方向，也是煤矿绿色开采技术体系的主要内容之一，本文主要介绍充填开采技术中的干式充填方法。

1.干式充填采空区

1.1干式充填采空区技术简述

干式充填技术是指一种利用空气流作为输送动力，在管道中搬运粉粒状固体物料进行采空区充填的一种回采方法。也就是常说的气力输送技术在煤矿中的应用。气力输送系统主要包括：源动力部分、加料、混合、加速部分、输送部分。见图1。到目前为止，干式充填技术仍旧处于基础理论阶段，因此有待于进一步研究开发并应用于我国煤矿的实践当中。

１－空压机；２－稳压箱；３－干燥器；４－油水分离器；５－储气罐；

６－气体流量计；７－发送罐；８－压力传感器；９－称重机；

１０－料位计；１１－除尘器；１２－料仓

1.2干式充填技术的理论基础

干式充填技术的理论基础为气力输送技术，气力通过管道输送物料在一些领域已经得到成功应用，而对于我国煤矿通过气力输送物料充填采空区技术仍处于研究阶段。

1.2.1气力输送过程中物料的运动状态

从气力输送的理论研究（气固两相流动）研究看，气力输送是一个复杂的二相流动过程。物料在管道输送过程中常常同时以悬浮和流体床两种方式向前运送，即通常说的稀相气力输送与密相气力输送，稀相与密相气力输送物料在管道中的流动状态分别为悬浮和集团流，见图2。由于稀相气力输送运输物料效率低

下，能源利用率低。因此本文主要探讨的是图 2 所示的以集团流为物料流动状态的密相气力输送。

图2 物料在输送管道中的流动状态

1.2.2密相气力输送的动力学特征

浓相气力输送是指气流速度在8m/s～15m/s 之间，物料在管内不再均匀分布，呈密集状态见图 2 流动状态所示，但管道并未被物料堵塞，物料仍然依靠空气动能来输送。

系统的压损：管道压降是气力输送设计计算中最重要的参数之一，计算压降的方法有很多种，包括：压降比法、经验公式法、附加压降法和力平衡法等方法。影响浓相气力输送压损的因素很多也很复杂，主要有输送物料特性（输送管道特征、长度、倾斜角度、弯头）、输送压力等。

物料特性对气力输送特性影响。物料特性对气力输送特性的影响至关重要。在浓相中这种影响来自料群(团)的性能或流动行为，其涉及范围广且影响大。

输送管道特征的影响。包括输送管道的长度、提升高度、倾斜角度、弯管的数量及弯头角度等，管道的影响是很复杂的，这些方面已经有人做了大量的实验研究，并建立了相对合适的经验关联式，但还不很完善。

输送压力的影响。一般来说，在一定压力范围内，输送压力逐渐增大时，输送能力逐渐增大，输送加速度增大，输送速度也相应增大。由于浓相气力输送规律的复杂性，找到一个通用性很强的反应输送特性和阻力特性的公式很难对于不同的场合，不同的输送介质，有必要做专门的实验获得相应的规律。

系统的输送速度：气力输送中的气固两相流由于受两相物性（流体密度、粘度、粒径分布形状、大小以及相界面张力等）、操作条件（输送量、流体速度、固相含量、操作温度、压力等）和过程环境（过程装备的形状、大小、相对位置和方向）等的影响。

2.充填体的作用机理

2.1充填体力学作用机理

充填体充入采空区，改变了采空区两侧煤柱及顶板的应力状态，使其单轴或双轴应力状态变为双轴或三轴应力状态，使其顶板岩层的强度得到很大提高，从而增强了顶板岩层的自支撑能力。因此，就此观点来说，充填体不仅起到支撑作用，更重要的是提高了围岩的强度和承载能力。

2.2充填体结构作用机理

在煤矿工作面向前推进过程中，采空区的老顶悬空面积不断增加，从而自承能力在不断地减弱，且煤层顶板岩体中的断层、节理裂隙将岩体切割成一系列结构体。这些结构体的组成方式决定了结构体的稳定状况。当工作面向前推进，破坏了岩体原始的结构体系，导致煤层顶板的失稳。当充填体充入到采场中，尽管充填体的强度低和承载时变形大，但是它可以起到维护原岩体的结构作用，使围岩能够维持稳定和承受载荷。这就是说，充填体在一定的条件下，具有维持围岩的结构作用，可以避免围岩结构系统的突变失稳。

2.3充填体让压作用机理

由于充填体变形远比原岩体大，因此充填体在采空区内形成具有一定承载能力的支撑体，在工作面向前推进过程中，可以减缓采空区顶板变形而突然释放能量的过程，也就是说可以缓慢让压，使其顶板的变形能能够得到缓慢的释放。

3.优点和存在问题

3.1优点

随着煤矿开采深度的增加，与浅井相比深井的地质灾害明显增多，具有二类变形特征的岩石会发生频繁的岩爆，且由于开采深度的增加，采场高温、采场闭合、地震活动等地质灾害相应出现，从而增加了煤矿开采的难度与危险性，干式充填技术能够有效的减缓或控制上述灾害的发生。

（1）有效的减弱岩爆的发生，根据充填体的作用机理可知，充填体能够改变顶板的应力状态，使岩体的应变能缓慢释放，从而控制岩爆的发生。

（2）提高通风效率，降低岩温。充填可使采场原岩暴露面积大大减小，从而降低了原岩的散热面积，因此可以降低原岩的热量散发；同时充填体能有效的阻止风流渗漏，在一定程度上避免废风串联，从而提高风流的利用率，有效的降低采场的温度。

（3）预防火灾。干式充填采矿法可使坑木消耗量大大减少，可燃物的减少使发生火灾的可能性显著降低，而且充填可防止局部火灾的蔓延。另外，对于高瓦斯矿井充填采空区后，能够有效的降低采空区瓦斯的涌出，减少工作面瓦斯的含量，从而降低瓦斯爆炸的机率。

3.2存在的问题及解决方案

我国煤矿干式充填技术处于试验研究阶段，根据前人研究，干式充填技术应用到实际存在着诸多的问题，本文只提出了以下问题及解决方案：

3.2.1管道在运送物料过程中物料对管壁的磨损

在气力运料过程中，固体物料以较快的速度在管道内运行，尤其是在密相气