膠結(jié)填充采空區(qū)技術(shù)的工程應(yīng)用

鄧紹云,寧東衛(wèi)

(1.新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院,奎屯 833200;2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué),昆明 650201)

膠結(jié)填充采空區(qū)技術(shù)的工程應(yīng)用

鄧紹云1,寧東衛(wèi)2

(1.新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院,奎屯 833200;2.云南農(nóng)業(yè)大學(xué),昆明 650201)

針對(duì)目前的主要能源生產(chǎn)行業(yè)煤炭開(kāi)采業(yè)的采空區(qū)的填充技術(shù)進(jìn)行了分析,指出膠結(jié)填充采空區(qū)技術(shù)的先進(jìn)性和工程實(shí)用性;并對(duì)煤炭開(kāi)采采空區(qū)的填充必要性和重要性進(jìn)行了闡述;對(duì)膠結(jié)填充采空區(qū)的概念進(jìn)行了闡述;對(duì)膠結(jié)填充采空區(qū)技術(shù)的工程應(yīng)用的現(xiàn)狀進(jìn)行了分析與評(píng)述;最后指出了目前膠結(jié)填充采空區(qū)技術(shù)的不足并指出了其發(fā)展方向。

膠結(jié)填充材料; 工程應(yīng)用; 研究

基礎(chǔ)建設(shè)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)的基礎(chǔ)也是關(guān)鍵,是民生之本,固民之根。黨的十七大之后,黨和國(guó)家政府將民生列為當(dāng)政之首,當(dāng)政者關(guān)鍵工作之一。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛、社會(huì)的發(fā)展、國(guó)力的強(qiáng)盛,中央和各地政府逐步加大基礎(chǔ)建設(shè)的步伐,能源工程是基礎(chǔ)建設(shè)中的一個(gè)非常重要的方面。

在目前能源緊張甚至枯竭,新的能源沒(méi)有得到充分開(kāi)發(fā)與利用的今天,世界的能源主要依靠石油和煤及其產(chǎn)物。當(dāng)今,對(duì)于石油開(kāi)采技術(shù)不是很先進(jìn)的我國(guó),煤是最為主要的能源,在我國(guó)的能源應(yīng)用方面占據(jù)主要陣地,在能源市場(chǎng)的比重超過(guò)50%,煤炭工業(yè)在我國(guó)能源開(kāi)發(fā)利用中占據(jù)絕對(duì)引領(lǐng)地位。

但煤炭資源開(kāi)采和應(yīng)用過(guò)程中,因種種原因?qū)⒏綆Мa(chǎn)生很多環(huán)境問(wèn)題[1],其主要表現(xiàn)在:1)煤炭開(kāi)采過(guò)程中所造成的地表塌陷,破壞地面的整體性;2)煤炭的選摙和燃燒所產(chǎn)生的矸石和煤渣的堆積對(duì)土壤和植被的破壞;3)煤炭開(kāi)采過(guò)程中應(yīng)用到一些化學(xué)物質(zhì)將對(duì)水資源造成破壞和污染;4)煤炭的燃燒不完全所釋放的廢氣、毒氣和粉塵將對(duì)空氣產(chǎn)生污染。其中以第一條問(wèn)題較為直觀,產(chǎn)生的后果極為直接顯現(xiàn),應(yīng)引起高度重視,并予以整治。

1 填充的必要性與重要性

煤炭的大面積開(kāi)采已經(jīng)使得我國(guó)許多礦區(qū)地面坍陷災(zāi)害嚴(yán)重,部分甚至已造成地下水位嚴(yán)重下降,嚴(yán)重影響當(dāng)?shù)鼐用竦纳詈凸ぷ?。同時(shí),隨著煤礦開(kāi)采范圍的擴(kuò)大,越來(lái)越多的土地受到破壞,地面塌陷不但給當(dāng)?shù)鼐用竦纳?、工作帶?lái)麻煩,破壞整體性地面,嚴(yán)重者,造成房屋倒塌,公路、橋梁斷跨,破壞交通樞紐和生產(chǎn)設(shè)備,甚至危及到當(dāng)?shù)厝罕姷纳?cái)產(chǎn)安全,同時(shí)對(duì)生態(tài)環(huán)境造成嚴(yán)重影響。如何處理采空區(qū)塌陷問(wèn)題,合理安全高效地回采建筑物下、交通樞紐線路下、水體下開(kāi)采煤炭,將是目前我國(guó)亟待解決和處理好的一大問(wèn)題,以便利于社會(huì)的和諧發(fā)展。

煤矸石因煤炭開(kāi)采而生產(chǎn),其量之大,可以用堆積如山來(lái)形容。目前在我國(guó)堆積如山的煤矸石噸位數(shù)之大,占地面積之廣,讓人驚駭[2]。煤矸石堆放在地面之上,經(jīng)雨水霧氣的淋洗等,產(chǎn)生一系列的物理化學(xué)反應(yīng),一些有害物質(zhì)極易被釋放進(jìn)入土壤和水體中,且一些有害氣體被釋放出并進(jìn)入大氣,對(duì)所在區(qū)域的生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)造成嚴(yán)重的污染,危及人們的正常生活、生產(chǎn)及發(fā)展。所以,我們?cè)诳紤]煤矸石的資源化、煤矸石的堆積污染問(wèn)題的同時(shí),想到將煤矸石作為主要填充物,對(duì)煤炭地下采空區(qū)進(jìn)行填充。

所以,將煤矸石和粉煤灰等廢料作為充填材料,采用膠結(jié)充填是適合于我國(guó)煤炭資源消費(fèi)狀況以及開(kāi)采現(xiàn)狀的最佳選擇,極為必要和重要。

2 膠結(jié)填充采礦區(qū)的概念

膠結(jié)填充是將采集來(lái)的或加工成的尾砂、煤矸石等材料摻入適量的膠凝材料如水泥、石膏等,加水混合攪拌制備成膠結(jié)填充料漿體物質(zhì),沿鉆孔、輸送管、挖槽、鉆洞等向采空區(qū)輸送及堆放,接著使?jié){體物質(zhì)在采空區(qū)中脫去多余的水形成具有一定強(qiáng)度和整體性的充填體;或?qū)?zhǔn)備好的煤矸石、沙石等按照一定的配合比摻入適量的膠凝材料和細(xì)顆粒膠粘物質(zhì),加水混合形成低等級(jí)類混凝土物質(zhì),或?qū)⑹孪扰渲坪玫乃嗌皾{或凈漿,與砂石、塊石及其他塊料等分別送入煤礦井下,將這些材料先充入采空區(qū),然后用壓力灌注、水淋、噴灑稀的膠粘物質(zhì)等方式,將砂漿或凈漿包裹在這些填充塊料等表面,逐步膠結(jié)形成具有一定形狀特性和強(qiáng)度特性的填充體[3,4]。

膠結(jié)填充是填充開(kāi)采技術(shù)中效果較為良好的一種技術(shù),該技術(shù)的三個(gè)關(guān)鍵方面在于:1)填充材料配合比的設(shè)計(jì);2)填充設(shè)備和工藝的選擇和應(yīng)用;3)填充體控制巖層移動(dòng)變形理論的完善。其中,第一點(diǎn)又是重中之重,關(guān)鍵所在。配合比恰當(dāng)?shù)奶畛洳牧鲜翘畛洳煽諈^(qū)施工選料成功的基礎(chǔ),膠結(jié)填充材料在目前我國(guó)煤礦開(kāi)采中得到廣泛應(yīng)用,且應(yīng)用效果較佳。

膠結(jié)填充技術(shù)能否得到成功應(yīng)用,其填充材料的性能和質(zhì)量等特性起關(guān)鍵作用,決定著填充效果,甚至整個(gè)工程的進(jìn)展與成敗。如果填充材料物理化學(xué)及力學(xué)性能較好、膠結(jié)凝固能力大、初凝時(shí)間不長(zhǎng),終凝時(shí)間不短,強(qiáng)度大,具有一定的塑性和力學(xué)協(xié)調(diào)性,則對(duì)于上部覆蓋體的支撐能力強(qiáng),控制其上地面沉陷效果明顯;若其配合比、和易性等特性不好、不合適,則輸送也困難,輸送到位后也難以達(dá)到預(yù)想的工程效果。

故,填充材料的優(yōu)化配制生產(chǎn)和應(yīng)用,適中的配合比選用應(yīng)該與填充工程實(shí)際相關(guān)聯(lián),人們必須對(duì)影響填充材料性能的諸多有關(guān)因素進(jìn)行細(xì)致地分析和探究,并因地制宜將其應(yīng)用到工程實(shí)踐中去。

3 工程應(yīng)用現(xiàn)狀

一邊填充,同時(shí)采礦是在采礦工程過(guò)程中,在工作全面推進(jìn)的同時(shí),不斷向采空區(qū)輸送填充材料,來(lái)及時(shí)控制圍巖的移動(dòng)變形和地面變形或坍塌。在填充體的作用下,可以達(dá)到提高采礦作業(yè)的安全性,同時(shí)對(duì)防止地面塌陷具有較好的控制作用。

礦物填充開(kāi)采技術(shù)的發(fā)展已有一定的歷史,其種類繁雜,有較為科學(xué)的分類,是根據(jù)填充材料和輸送方式的不同來(lái)分類,可以分為:1)干式填充;2)砂石填充;3)膠結(jié)填充。其中干式填充較為簡(jiǎn)單明了,即將具有一定力學(xué)性能的固體物質(zhì)等干式材料用一定的方法輸送到指定的待填區(qū)域,形成可壓縮的松散填充體。這種填充方式較為早期,歷史悠久,但效率較低,生產(chǎn)能力小,而勞動(dòng)強(qiáng)度非常大的特性因滿足不了日益擴(kuò)大的采礦生產(chǎn)需要漸被淘汰。砂石填充是采用泵送貨自重流方式將一些塊料干式填充材料等與礦井中的一些廢水拌合成漿體,輸送到礦井下填充到指定的挖空區(qū)域。砂石填充的效果較好,材料來(lái)源廣泛,減沉效果也較好,但其涉及到排水問(wèn)題,排水工藝較復(fù)雜、麻煩,費(fèi)用較高,填充量較小,填充體的強(qiáng)度不如人意,從而逐步被后來(lái)的膠結(jié)填充技術(shù)給取代。膠結(jié)填充與砂石填充的區(qū)別就在于膠結(jié)填充過(guò)程中加入了膠結(jié)材料如水泥、石膏、石灰等等,這些膠結(jié)材料與水發(fā)生反應(yīng)產(chǎn)生出具有膠結(jié)能力的產(chǎn)物將零散的砂石、塊料等膠結(jié)合成一個(gè)整體,從而達(dá)到一定強(qiáng)度、一定形態(tài)的填充體。

目前,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,工藝的創(chuàng)新,材料科學(xué)的日益發(fā)展,新材料、新工藝的產(chǎn)生,膠結(jié)填充技術(shù)和材料得到了很好的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用,并不斷更新應(yīng)用于工程實(shí)踐,填充材料得到了擴(kuò)充,其性能得到提高、膠結(jié)機(jī)理得到探索明確、強(qiáng)度影響因素得到了制約、管道輸送能力有了提高,工程施工效率得到了提升,工程效果得到了改善,工程業(yè)績(jī)得到了增大,新型填充材料得到了開(kāi)發(fā)與利用,種類繁多起來(lái),膠結(jié)材料的類型得到了拓展,配合品種和輔助材料及外加劑花樣繁多,使膠結(jié)填充材料市場(chǎng)空前繁榮。

歸納膠結(jié)填充材料根據(jù)其特性大致分為:1)干式材料有混凝土或類混凝土材料、塊料如塊石、碎料如碎石等;2)低含水材料有膏體材料、似膏體材料;3)高含水量材料如稀料等等。干式材料必須加入流塑態(tài)膠凝物質(zhì),而含水材料本身就必須含有一定量和一定功效的膠凝材料物質(zhì)。

混凝土和類混凝土材料作為填充材料具有取材方便、制作簡(jiǎn)單、勞動(dòng)強(qiáng)度小、成本低并可以充分利用煤矸石作為混凝土配制的骨料,但這些優(yōu)勢(shì)無(wú)法填補(bǔ)其終凝時(shí)間較長(zhǎng)、強(qiáng)度增長(zhǎng)的時(shí)間較長(zhǎng)、初期強(qiáng)度低的缺點(diǎn)。在膠結(jié)填充中可以將煤矸石為粗骨料、粉煤灰作為細(xì)集料、硅酸鹽水泥作為膠結(jié)材料。

塊料和碎料結(jié)合膠凝材料的膠結(jié)填充技術(shù)是在混凝土材料填充技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的,其主要是將采礦所得廢棄石塊和碎石等有一定力學(xué)性能和強(qiáng)度的干料和水泥砂漿或水泥凈漿混合而成,但因水泥砂漿終凝時(shí)間較長(zhǎng),從而需加入早強(qiáng)劑,以提高早期強(qiáng)度,也因此其應(yīng)用得到限制。

膏體填充材料屬高濃度膠結(jié)填充材料,其質(zhì)量濃度高達(dá)百分七十五以上,要求具有一定的塑性,同時(shí)具有一定的流動(dòng)性,且流動(dòng)性不是很大。如今我國(guó)工程實(shí)際中所用的膠體材料多由膠結(jié)料、煤矸石和粉煤灰等材料按一定的比例配制而成,較為粘稠呈膏狀。其塑性大、粘度高和屈服應(yīng)力大,流動(dòng)性差,將其輸送到礦下采空指定欲填充區(qū)域較困難,須采取特殊的設(shè)備加壓輸送,成本較高,代價(jià)大。其特性是:該材料的膠體中的固體顆粒難以發(fā)生沉淀,層間不發(fā)生交互流動(dòng),不易發(fā)生泌水現(xiàn)象,水分散發(fā)難,時(shí)間長(zhǎng),但所需的凝固時(shí)間較短,能在較短時(shí)間內(nèi),對(duì)填充區(qū)域圍巖和上方頂板產(chǎn)生作用,降低采空區(qū)閉合的可能性。

似膠體填充材料的配制中的膠結(jié)材料是使用砂土固結(jié)材料或?qū)⒁苯鹪?、粉煤灰、煤矸石等各種工業(yè)廢棄物磨細(xì)后再“凝聚”而成的“石頭”,該材料骨料一般選用煤矸石、粉煤灰和尾礦砂,其主要的特點(diǎn)是填充體強(qiáng)度接近膏體填充體強(qiáng)度,塑性減弱,但流動(dòng)性增大,較膏體填充材料更好,容易輸送到指定的填充區(qū)域,但不脫水或少量脫水,終凝時(shí)間較長(zhǎng)。

高水材料是最近開(kāi)發(fā)利用的一種新型填充材料,它是以鋁酸鈣或硫酸鋁鈣等為母料,以石灰、石膏和外加劑等為籽料,經(jīng)磨細(xì)、均化等工藝而混合制成的固體粉料。比較其他填充材料來(lái)說(shuō),其具有很多優(yōu)勢(shì):1)漿材顆粒細(xì),滲透性能好;2)主、配料單獨(dú)加水?dāng)嚢瓒傻臐{液在一天的時(shí)間里不凝結(jié),但混合起來(lái),凝結(jié)時(shí)間大大縮短,在幾分鐘到幾個(gè)小時(shí)不等,因配合比不同而在不同的時(shí)間里凝結(jié),故可以根據(jù)需要而調(diào)配;3)這種材料終凝后不再析水,強(qiáng)度高,抗?jié)B性能非常好,有微膨脹的特性,破壞后能再凝結(jié)膠結(jié)再生。

隨著科技的發(fā)展,工程實(shí)際的擴(kuò)充,填充材料將不斷開(kāi)發(fā)與應(yīng)用,新的填充技術(shù)也將不斷涌現(xiàn),但無(wú)論哪種技術(shù),一般要求填充材料具有如下特性:材料充足、取材方便;性能好、強(qiáng)度高;安全可靠、便于施工;價(jià)格低廉、成本較小。

4 問(wèn)題與展望

1)傳統(tǒng)膠結(jié)填充材料中所用的膠凝材料較為單一,多為普通硅酸鹽水泥,而水泥花費(fèi)較高,從而大大提高材料生產(chǎn)成本,致使工程造價(jià)較高。為降低工程成本要求人們必須尋找較為低廉同時(shí)膠結(jié)能力不是很差的可替代膠結(jié)材料,如粉煤灰、高爐灰渣等工業(yè)廢物能廣泛應(yīng)用到填充工程中,則一方面可以降低工程成本,另一方面可以節(jié)能減排,改善生態(tài)環(huán)境。

2)填充材料的配合比設(shè)計(jì)時(shí),缺乏考慮后期填充體對(duì)采空區(qū)的作用機(jī)理,而導(dǎo)致片面基于增大填充材料的后期強(qiáng)度,使成本大大劇增,不太經(jīng)濟(jì)合理。該現(xiàn)象理應(yīng)得到改善,應(yīng)該做到填充材料的強(qiáng)度與其作用機(jī)理相適應(yīng),適中即可,經(jīng)濟(jì)合理。

3)粉煤灰、高爐礦渣等活性材料沒(méi)有得到充分的利用,其在填充材料中的作用機(jī)理、成分適中比例的探究、活性的激發(fā)等有待深入研究。

4)填充材料的流動(dòng)性和流變性能的研究不夠深入細(xì)致,填充漿體的輸送施工工藝的研究沒(méi)有得到充分認(rèn)識(shí)和實(shí)踐,從而使得其最終凝結(jié)固化效果得到嚴(yán)重影響。

5)實(shí)驗(yàn)室研究和工程現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)嚴(yán)重脫節(jié),兩者之間應(yīng)該建立其相關(guān)研究成果的分析,從而使實(shí)驗(yàn)室研究成果能較好地應(yīng)用到工程實(shí)踐中去,以正確指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

[1] 汪 平.論述我國(guó)煤炭開(kāi)采技術(shù)現(xiàn)狀及展望[J].低碳世界,2014(1):118-119.

[2] 柴天興.煤炭開(kāi)采過(guò)程中的安全管理問(wèn)題及策略[J],能源與節(jié)能,2014(10):13-14.

[3] 楊井志.充填技術(shù)在采礦工程中的應(yīng)用[J],黑龍江科技信息,2014(2):6-7.

[4] 荊延林.充填采礦技術(shù)應(yīng)用發(fā)展及存在的問(wèn)題[J].科技與企業(yè),2014(1):209-210.

Application of Cement Filling Gob Technology Engineering

DENG Shao-yun1,NING Dong-wei2
(1.Xinjiang Application and Career Technical College,Kuitun 833200,China;
2.Yunnan Agricultural University,Kunming 650201,China)

This paper analyzed the filling technology which is a major energy producing industry coal mining industry gob,and pointed out the advanced technology and engineering practicality of cemented fill gob.The need and importance of fill goaf for coal mining was described.The concept of cemented fill goaf was expounded.And this paper analyzed and reviewed that cementing with the status quo filled gob technology engineering applications.Finally the shortcomings of current technology cemented fill and gob the development direction were pointed out.

cement filler material; engineering applications;research

2014-08-23.

自治區(qū)教改科研項(xiàng)目(ZJ12-018);新疆高職精品課程項(xiàng)目;新疆應(yīng)用職業(yè)技術(shù)學(xué)院精品課程項(xiàng)目.

鄧紹云(1971-),博士,博士后,副教授,高級(jí)工程師.E-mail:nhrisydeng@126.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.038