膏體充填采煤技術及其應用前景

岳 陶 馮銳敏，李秀山

(1.中國礦業(yè)大學礦業(yè)工程學院，江蘇徐州221008;2.淄博礦業(yè)集團有限責任公司岱莊煤礦，山東濟寧272175;3.中國礦業(yè)大學(北京)資源與安全工程學院，北京100083)

隨著我國煤炭資源開采強度的加大，許多礦區(qū)面臨資源枯竭的危險。由煤炭開采造成的環(huán)境破壞問題 (如地表沉陷等)也日益顯現(xiàn)，特別是我國中部和東部礦區(qū)。如何有效解決資源枯竭、環(huán)境保護與經(jīng)濟發(fā)展之間的矛盾，越來越受到人們的關注和重視。另外，我國“三下”采煤方法形式多樣，就控制圍巖變形和地表沉陷的效果而言，條帶開采和充填法開采比較理想，但是條帶開采煤炭資源浪費嚴重，資源采出率低，大大縮短了礦井服務年限，不利于礦井的長遠發(fā)展，因此，充填法采煤有望成為我國“三下”采煤的首選方式。

1 各種充填采煤技術優(yōu)缺點比較

我國充填采煤技術經(jīng)歷了干式充填、水砂充填、低濃度膠結充填、高濃度膠結充填等幾個階段，現(xiàn)主要有矸石、高水材料、似膏體、膏體充填等幾種形式。各種充填開采方法都有其自身的特點，各礦井要根據(jù)現(xiàn)場實際進行選擇應用。

干式散體充填 工藝系統(tǒng)簡單，充填材料成本低 (噸煤增加材料成本約30～50元);充采可平行作業(yè)，效率較高，綜采散體充填是目前惟一單工作面理論產(chǎn)量可達1Mt/a的充填方式。然而，該方式充填材料間隙較多，充填體壓縮率較高，一般在8%～20%之間，相對其他充填方式產(chǎn)生的地表最終沉降和變形較大。散體充填開采適用于控制地表移動和變形效果要求較低的礦井。

(似)膏體充填 工藝系統(tǒng)簡單，依靠管道實現(xiàn)高效連續(xù)輸送，但易發(fā)生堵管事故;材料制備較為復雜，需將骨料破碎，并添加膠結材料后攪拌;充填材料成本較高 (噸煤增加材料成本約50～80元);充采難以平行作業(yè)，需充填體凝固 (約8h)后，才可進行采煤，充填開采效率較低。然而，充填材料密實，孔隙率低，泌水少，壓縮率一般在5%以內(nèi)，能有效控制地表沉降和變形。(似)膏體充填多用于對控制地表移動和變形效果要求較高的礦井。與似膏體相比，膏體充填料漿基本不沉淀、不泌水、不離析，工作面環(huán)境較好，且充填體強度高、密實度好、沉縮率小，能更好地控制覆巖及地表的移動變形。

高水充填開采 充填工藝系統(tǒng)較為簡單，不易發(fā)生堵管，能實現(xiàn)連續(xù)充填;材料制備較復雜，材料成本高，其中超高水材料價格較高 (噸煤增加材料成本約60～100元);充采一般不平行作業(yè)，需等凝固后方可繼續(xù)開采，但充填體凝固時間短(4h以內(nèi))，充填開采效率較高;高水材料一般有一定的膨脹性，能實現(xiàn)主動接頂，有效控制覆巖移動和下沉。然而，高水材料抗風化及抗高溫性能差，充填材料長期穩(wěn)定性差。高水充填多用于粉煤灰較多 (高水膨脹材料)，或其他充填材料較少的礦井。

2 膏體充填采煤技術體系

2.1 膏體充填技術的選擇

岱莊煤礦村莊下壓煤問題十分突出，井田范圍內(nèi)地面村莊稠密，共有78個自然村，可采儲量中村莊下壓煤量高達80%，多達79Mt，由于地面村莊稠密，多數(shù)情況下村莊保護煤柱之間已經(jīng)相互重疊連成一體，加上地處濟寧市區(qū)城鄉(xiāng)結合部的優(yōu)越地理位置條件，壓煤村莊總體上沒有搬遷的可能。

膏體充填技術可以緩和并從根本上解決此矛盾，膏體充填的根本目的就是借助這種特殊的開采技術方法解放村莊下、鐵路下、水體下 (簡稱“三下”)壓煤、提高煤炭資源采出率、控制地表沉陷、保護礦區(qū)生態(tài)環(huán)境和地表建 (構)筑物不受或少受開采損害，并實現(xiàn)煤矸石等固體廢物資源化利用［1－2］。

2.2 膏體充填材料

膏體膠結充填材料由膠結料、骨料和水3部分拌合而成。煤礦常用膠結料是普通硅酸鹽水泥，近年來又出現(xiàn)了爐渣水泥、高水材料等新型膠凝材料;常用骨料有矸石、江砂、河砂等。經(jīng)過實驗與現(xiàn)場試驗驗證，岱莊礦試制出了適合自身條件的充填材料［3］。

2.2.1 膠凝材料

使用專用膠結料，此膠結料是以爐渣等工業(yè)廢渣為基材的一類材料。膏體膠結料加水混合以后，在凝結的初期快速水化生成細針狀的高結晶水化物——鈣礬石，從而達到速凝、早強的效果;在凝結的中期和后期，充分激發(fā)和利用爐渣等材料的火山灰活性，水化生成硅酸鈣凝膠等膠凝物質(zhì)，具有后期強度持續(xù)增長的特點，保證了后期強度的需要。

2.2.2 骨料組成

骨料選用本礦的破碎煤矸石 (煤矸石最大粒度要求小于25mm，小于5mm部分的比重要達到45%左右)和本礦及附近電廠的粉煤灰，與水配制成不同重量濃度充填膏體。

膏體充填過程是一個先將煤矸石破碎加工，然后把矸石、粉煤灰、專用膠結料和水等物料按比例混合攪拌制成膏體漿液，再通過充填泵把膏體漿液輸送到井下充填工作面。膏體充填材料在保證可泵時間 (一般3～4h)的前提下，凝結固化達到能夠自穩(wěn)和對直接頂板適當支撐能力，一般需要8h左右的時間。表1所示為不同膠結料用量條件下矸石膏體充填材料強度實驗結果。在實驗范圍內(nèi)，總體趨勢是膠結料添加量越大，充填材料各齡期抗壓強度越高，通常可以通過變化膠結料用量來使充填材料滿足不同工程的需要。

2.3 工作面充填工藝

岱莊煤礦綜合機械化充填開采:雙滾筒采煤機割煤，割煤深度為0.6m，采用四刀一充，即采煤機割煤4刀，采空區(qū)充填1次，循環(huán)進度為2.4m;對于工作面兩巷端頭，則采用單體支柱、木板和塑料編制布人工設置隔離墻。

表1 膠結料用量與充填材料強度關系

充填工藝流程:充填準備 (充填前隔離墻支設;支架與支架、支架與頂?shù)装逯g進行密封)→管道充水→灰漿推水→矸石漿推灰漿→灰漿推矸石漿→水推灰漿→打風→管道清洗。充填工作面布置如圖1所示。

圖1 矸石膏體充填工作面

2.4 工作面充填體特點

膏體充填材料的特性決定了其不同于傳統(tǒng)的水砂充填，對工作面支架的要求也明顯區(qū)別于水砂充填，主要區(qū)別見表2。

表2 長壁膏體充填與水砂充填隔離要求對比

因此，膏體充填料輸送到回采工作面充填區(qū)以后，如要做到及時、保質(zhì)保量完成充填作業(yè)，需要注意以下3個方面:一是充填空間的臨時支護，保證在充填前、充填期間和充填體能夠有效作用前的這段時間內(nèi)頂板 (煤或巖石)保持穩(wěn)定;二是隔離墻的設立，需要快速形成必要的封閉待充填空間，為充填創(chuàng)造盡量多的時間，避免充填料漿流失和影響工作面環(huán)境;三是合理安排充填順序與措施，保證充填作業(yè)連續(xù)進行，保證充填體接頂質(zhì)量，這是關系充填控制地表沉陷的關鍵環(huán)節(jié)。

3 膏體充填采煤技術應用前景

目前的煤炭生產(chǎn)在為我國經(jīng)濟發(fā)展提供能源保障的同時，也造成了嚴重的環(huán)境污染和生態(tài)破壞，存在以下3方面制約煤炭工業(yè)發(fā)展的難題:地表沉陷問題，如嚴重危害農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，造成建筑物、交通設施、水利設施的破壞等;水資源破壞問題，如開采過程中的人為疏干排水和采動形成的導水裂隙對煤系含水層的自然疏干等;煤矸石排放問題，一般而言，煤矸石排放量占原煤產(chǎn)量的8%～20%左右。據(jù)不完全統(tǒng)計，煤矸石積存已超過3.5Gt，占地1.3333×104hm2，并以每年0.2Gt的速度增長，是目前我國排放量最大的工業(yè)固體廢棄物之一。

此外，我國“三下”壓煤量已達13.7Gt。在某些礦區(qū)，“三下”壓煤的儲量占礦區(qū)可采儲量的60%［4］。隨著我國社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，鐵路、城鎮(zhèn)和工業(yè)占地面積迅速增加，“三下”壓煤量上升的勢頭十分強勁。利用煤礦固體廢棄物進行井下充填，可以避免地面排放造成的環(huán)境污染，同時可以減少地表沉陷，是解放“三下”壓煤的重要途徑。國外用粉煤灰井下充填、國內(nèi)用水砂充填都進行了許多實踐，但國內(nèi)因成本高等原因一直沒有很好地開發(fā)研究和推廣應用。隨著人們對環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展認識的提高， “綠色開采”、 “潔凈生產(chǎn)”和“綠色礦區(qū)”已成為當前的研究熱點。

膏體充填采煤在4個方面凸顯出優(yōu)勢:充填骨料可以就地取材，以煤矸石和粉煤灰作充填骨料，既解決了充填原料的來源，又可降低充填成本，減小固體廢棄物污染;井下充填不需脫水或微量脫水，工作面充填工序簡單，井下污染小;充填體早期強度高，有利于對覆巖的有效控制和機械化采煤的快速推進;充填成本低。表3為岱莊煤礦膏體充填采煤充填成本的構成，其1m3采空區(qū)的充填成本為93.38元。該礦的煤比重為1.37t/m3，另外充填前頂板不可避免地出現(xiàn)一定的下沉量，這部分頂板下沉占據(jù)的體積是不需要充填的，也無法充填，即充填量不可能做到100%。按照該礦充填系數(shù)kf=0.94，則可計算出膏體充填直接費用增加的噸煤成本為64.07元。

膏體充填采煤技術實現(xiàn)了礦山開采無廢無害、資源開發(fā)安全高效，是礦山實現(xiàn)全面綠色開采的有效途徑。尤其是當前“三下”采煤越來越受到人們關注和重視的情況下，膏體充填采煤在技術和經(jīng)濟方面的優(yōu)勢必將愈顯突出［5－7］。

表3 充填1m3采空區(qū)的成本

4 結束語

膏體充填技術通過對充填材料和充填料漿配合比的試驗研究，在保證充填效果的前提下，選擇廉價的充填材料及合理的料漿配合比是降低充填成本的有效方法。膠凝材料優(yōu)良的性價比，對工業(yè)垃圾的資源化利用，都將極大地降低充填成本。膏體充填采煤技術將為“三下”煤炭資源的開采開辟出一條新的途徑，同時也將解決煤矸石和粉煤灰給生態(tài)環(huán)境帶來的污染，對我國煤炭資源的可持續(xù)開采具有重大意義。

［1］錢鳴高，許家林，繆協(xié)興.煤礦綠色開采技術 ［J］.中國礦業(yè)大學學報，2003，32(4):343－348.

［2］孫恒虎，黃玉誠，楊寶貴.當代膠結充填技術［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2002.

［3］劉同有．充填采礦技術與應用 ［M］．北京:冶金工業(yè)出版社，2001.

［4］王金莊，郭培長.我國村莊下采煤的回顧與展望［J］.中國煤炭，2002，28(5):28－31.

［5］閆少宏，張華興.我國目前煤礦充填開采技術現(xiàn)狀 ［J］.煤礦開采，2008，13(3):1－3.

［6］高 武.實施矸石膏體充填采煤的探索與實踐［J］.中國煤炭，2009，35(10):62－64.

［7］繆協(xié)興，錢鳴高.中國煤炭資源綠色開采研究現(xiàn)狀與展望［J］.采礦與安全工程學報，2009，26(1).