煤礦膏體充填開采技術(shù)的應(yīng)用研究

楊厚坤

[摘 要]膏體充填開采主要是指在采出煤層與頂板冒落之前，將煤礦附近的煤矸石、粉煤灰、爐渣、劣質(zhì)土、城市固體垃圾等固體廢物加工成無須脫水、無臨界流速的牙膏狀漿體，再利用泵壓或重力的作用通過管道將其輸送至回采工作面，再適時充填空區(qū)，構(gòu)筑相間的充填條帶，以達到支撐上覆巖層、減少或防止地面沉陷的目的。由此可見，由固體廢物制成的回填膏體是一種低成本的特殊“混凝土”，其具有環(huán)保、安全高效、材料選擇廣泛、可經(jīng)過管道運輸?shù)葍?yōu)勢，故是煤礦綠色開采技術(shù)體系的重要組成部分。文章主要結(jié)合某煤礦的實際情況，分析膏體充填開采技術(shù)的應(yīng)用。

[關(guān)鍵詞]煤礦開采；膏體充填；綠色開采

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.36.066

20世紀60年代撫順勝利煤礦采用水砂充填技術(shù)開采出了保護煤柱，雖然獲得了較好的開采效果，但是成本高、工藝復(fù)雜，限制了該技術(shù)的普及。直至20世紀80年代，膏體充填技術(shù)由于其有效解決了水砂充填過程中存在的泌水問題，須建立隔排水系統(tǒng)等問題，該材料是牙膏狀漿體，不僅不會發(fā)生泌水現(xiàn)象，而且可以在流速較低的情況下正常泵送，大大提高了充填效率，故其在煤礦生產(chǎn)中的應(yīng)用越來越廣泛。

1 膏體充填材料的特點

與其他充填開采方式相比，膏體充填開采的最大不同在于其充填材料，其料漿是非牛頓流體，流變模型近似于賓漢姆體，流動狀態(tài)為結(jié)構(gòu)柱塞流，最大的特性在于穩(wěn)定性、可塑性及流動性強，且無臨界流速。

首先，膏體充填材料的強穩(wěn)定性使其抵抗分層、離析的能力較強，應(yīng)用過程中即使在密閉的管道中靜止數(shù)小時，也不會發(fā)生沉淀、分層、離析等現(xiàn)象，應(yīng)用管道輸送不易發(fā)生堵塞。膏體充填料漿的質(zhì)量濃度高75%～82%，一些料漿在添加骨料后質(zhì)量濃度可達到88%，而傳統(tǒng)的低濃度充填料漿其質(zhì)量濃度不超過65%。正是膏體濃度大，其屈服切應(yīng)力及塑性黏度比較強，必須通過外力克服料漿自身的屈服應(yīng)用才能流動。其在管道中的流動狀態(tài)為結(jié)構(gòu)柱塞流，在整個管道中進行整體平推運動，同一橫截面上漿本流動速度為常數(shù)，濃度、流速基本不會發(fā)生改變，因此穩(wěn)定性更高。

其次，膏體充填開采的料漿具有較強的可塑性，可保證料漿在管道輸送過程中具有較強的抵抗變形能力，每個斷面上的顆粒結(jié)構(gòu)均可抵抗錯位變形，雖然在通過管道的彎管、接頭等部位是形狀有所改變，但是其基本結(jié)構(gòu)、成分等均未發(fā)生變化。膏體充填料漿不沉淀、不離析、不脫水，即使質(zhì)量濃度較高也不會影響其可輸送性。膏體料漿中包括細粒級物料，比如粉煤灰，使用這些物料作為骨料，可保證骨料粒徑在35mm以下，大大降低了破碎充填骨料的材料加工成本。充填前無須進行復(fù)雜的隔離，也不用建設(shè)過濾排水設(shè)施，不僅不會影響采煤工作面的結(jié)構(gòu)，而且充填水也不會對井下環(huán)境造成污染。而傳統(tǒng)的水砂充填需要進行專門的過濾排水，并且排水過程中料漿中的固體顆?？赡軙粠С?，井下排水、清理沉淀等工作量也有所增加。

再次，膏體充填開采料漿具有較強的流動性，且無臨界流速，可以保證料漿在重力或泵壓的作用下順利流動，充填整個工作面，且低速狀態(tài)下不會影響料漿的基本結(jié)構(gòu)。即使料漿的流速每秒低于1m，也可保證其在管道中低速輸出，料漿流動與管道壁摩擦導(dǎo)致的磨損可降至最低。

最后，膏體充填料漿初凝時間短，而且可以根據(jù)煤礦的實際情況對料漿的配方進行調(diào)整，材料的初凝時間、初凝強度及終凝強度也會發(fā)生改變，可以保證料漿在更短的時間內(nèi)對圍巖產(chǎn)生支撐力，最大限度上延緩圍巖變形，保證下階段工作可及時進行。

正是由于膏體充填材料具有上述特點，故其在煤礦開采中的應(yīng)用越來越廣泛，其可有效解決壓煤問題，對地面建筑物、上覆巖層中的水體可起到顯著的保護作用，且與水砂充填、低濃度膠結(jié)充填等方式相比，膏體充填開采的效果更好。且膏體充填體充填采空區(qū)與圍巖相互作用，采空區(qū)周圍的集中應(yīng)力大幅降低，可有效降低工作面及巷道的維護成本，防止采空區(qū)出現(xiàn)漏風(fēng)，大大提高了膏體充填的服務(wù)年限，提高了企業(yè)的經(jīng)濟效益。

2 某煤礦膏體充填開采技術(shù)應(yīng)用實例

某煤礦總面積為53.285km2，井田內(nèi)村莊密集，地面上鐵路、河流交錯，大量煤炭資源被壓覆在地下，僅2#煤層村莊下壓煤就達3000萬t。本研究以該煤礦10203工作面為充填試驗工作面。該工作面地表被黃土覆蓋，正上方地面平坦，建有大面積的蔬菜大棚及在建建筑物。地面標高804-880m，工作面標高640-680；煤層厚度2.2m，地質(zhì)條件較為復(fù)雜，煤層傾角3°，預(yù)計本工作面最大涌水量在每小時10m3，正常涌水量為每小時5m3。

2.1 充填方案設(shè)計

該煤礦膏體充填工作面與普通綜合工作面布置基本相似，工作面沿傾斜方向上方為材料巷，可起到通風(fēng)、運料、行人的作用；運輸巷則布置在工作面沿傾向下方，運輸巷實現(xiàn)沿空留巷，以作為下工作面材料巷使用。充填管路通過地面鉆孔或井筒下井后沿運輸巷布置，工作采用充填專用液壓支架進行防護，兩巷用單體液體支柱進行防護。充填前要用清水充分潤濕輸漿管，直至清水到達充填工作面為止；安排專業(yè)技術(shù)人員巡視充填管路，排除跑漏液現(xiàn)象，保持管路暢通。地面制漿站開始下放充填膏體。完成割煤后從工作面按照自下而上的順序撤回支柱，撤換完畢后在充填巷道兩端砌筑厚度約0.6m的擋漿墻，墻四周掏槽深度至少在0.3m以上，如果煤壁松軟，則要注意加大掏槽深度；擋墻位于下出口的位置則要良好密閉，以免發(fā)生漏水、跑漿。墻外支設(shè)一排單體液壓支柱，注意支柱與擋漿墻之間必須保持0.2m的間隙，中間再用木板加實，以免發(fā)生墻體傾倒或跑漿漏漿的現(xiàn)象；充填上出口砌筑擋漿墻時，要注意預(yù)埋注漿管及出氣管。最后再對管路進行徹底檢查，包括管路、閥門等，以保證不漏漿；充填前后要對管路、閥門等進行清管，工作面上、下兩巷均設(shè)置沉淀池。

2.2 選擇充填管路

井下充填管路選型要遵循技術(shù)可行、經(jīng)濟合理、安全可靠的原則，其關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾個方面。

（1）干路充填管：該煤礦干路充填管選擇KMTBCr28雙金屬耐磨鋼管，其具有較好的耐磨、耐腐蝕、耐沖擊性能。在確定漿體流速及管道內(nèi)徑時要注意，煤礦的充填能力要求大于金屬礦山，故該煤礦設(shè)計充填系統(tǒng)充填能力Qj=150m3/h，且由膏體充填料漿流動性能實驗可知，該煤礦骨料選擇河砂及粉煤灰，故料漿水力坡降較小，約為同等條件下金屬礦山高濃度充填料漿的一半左右，故充填系統(tǒng)設(shè)計流速為每秒1.8m。

（2）充填管路附件選擇：在選擇充填管路附件時首要考慮其耐壓性，干線管路法蘭、旁通管法蘭選用公稱壓力10MPa的鋼制法蘭或鋼制法蘭蓋，才能保證整個充填系統(tǒng)運行的可靠性。除法蘭外充填管路的附件還包括柔性連接器、三通、閘閥等管路附件，要求干線管路上的附件承壓能力至少在10MPa以上，而工作面管路附件的承壓能力則至少在2MPa以上。選擇充填管路附件時要注意，充填彎管會增加料漿輸送時的局部壓力，且在管路內(nèi)徑相同的條件下，彎管彎曲半徑越小，局部阻力就越大，而膏體的質(zhì)量濃度較高，如果彎曲半徑過小可能會導(dǎo)致堵塞，因此在保證井下條件適合、彎管加工工藝可靠的前提下，盡量取彎曲半徑最大值。

（3）工作面管路布置：在本研究煤礦中，干線管總長600m，充填管長2m，8根鋼管之間設(shè)置一個法蘭三通進行連接，方便在堵管時可及時處理；工作面充填管總長100m，為管徑DN180的柔性管。從工作面充填管間隔一定距離分支出來布料管，主要作用是向充填點判斷料漿，布料管選擇特塑造鋼復(fù)合管DN150，每根管長1.5m，間隔10m布置一根。

2.3 工作面參數(shù)及回采充填工藝

根據(jù)本案例煤礦煤層的賦存情況及開采技術(shù)條件，確定工作面長度100m，煤層厚度2.2m，煤層傾角2°～11°；割煤回采率為95%，割煤高度2.2m，截深0.8m，有效進尺每vn0.7m，日進尺3m。工作面主要生產(chǎn)工序包括兩個部分，即采煤、充填，完成一組工序即完成一個循環(huán)?；夭晒に嚵鞒贪ㄊ兆o幫板及伸縮梁、割煤、伸開伸縮梁及護幫板、推移輸送機，收護幫板及伸縮梁、割煤、最后伸開后伸縮梁。充填主要工序包括充填準備、檢查準備、管道充水、灰漿推水、矸石漿推灰漿、正常充填、清洗管道。工作面二次充填時盡量多充填料漿，使得料漿充滿充填袋后自動溢流到前一次未充填區(qū)域，以保證工作充填區(qū)域的接頂效果。本煤礦中工作面有6個模箱支架無法充填，會形成6條盲巷。工作推進近6m時再通過二次充填將上述6條盲巷充填完成，先將布料管導(dǎo)入模箱支架后壁的充填孔，將充填布料管與支架箱體牢靠固定，充填程序與正常充填相同。

2.4 充填工作面支架與地面沉降預(yù)測

該煤礦充填工作面共布置69架液壓支架，刮板機機頭處各配置端頭支架組一組，由機頭處每布置10臺中部基本架就布置一臺特殊架，機尾處最后一臺設(shè)置特殊架。這種工作面支架設(shè)置方法是利用中部基本架后部伸縮模板及特殊架后部伸縮模箱把采區(qū)分為6個相對獨立的區(qū)域進行充填。根據(jù)煤層賦存地質(zhì)條件、礦壓顯現(xiàn)等情況選擇中部液壓支架，主要技術(shù)參數(shù)包括支護工作阻力、支護強度、支架結(jié)構(gòu)高度等，再與充填工作面的生產(chǎn)條件及工藝要求相結(jié)合。本研究中的煤礦充填工作面中部支架主要參數(shù)設(shè)置如下：工作阻力7200kN，支架高度1.6～2.6m，中心距1.5m，支護強度在0.5MPa。

在確定預(yù)計參數(shù)時主要參考《“三下”采煤規(guī)程》及附近礦區(qū)的監(jiān)測資料進行設(shè)計，再與采高的膏體充填開采地表移動預(yù)計原理確定充填開采的參靈敏，具體如下：下沉系數(shù)取0.8，水平移動系數(shù)取0.3，開采影響傳播角為90°-0.5α；主要影響角正切取2.0，下山方向20m，上山方向20m，走向方向20m。采用概率積分法模型計算地表沉陷情況，將上述預(yù)計參數(shù)代入計算充實率程序進行分析，要求充填開采后地表大部分建筑的采動損壞均不超過I級影響范圍，充填作業(yè)最小充實率為85%，按照這一方案充填開采，預(yù)計部分建筑可能會達到I級采動損傷，再根據(jù)《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)程》對充填后的地面建筑物進行簡單維護，以提高地面建筑物使用的安全性。

3 堵管優(yōu)化措施

膏體充填開采技術(shù)最常見的問題就是堵管，因此充填過程中要注意從以下幾個方面進行優(yōu)化，防止堵管發(fā)生率。

3.1 提高膏體配料質(zhì)量

要保證充填過程中不發(fā)生料漿堵管，最基本的要求即膏體配比符合工程標準，在了解料漿構(gòu)成原理的基礎(chǔ)上保證料漿合理的流動性及可泵性。料漿的構(gòu)成主要是由各組成物流決定的，由實驗數(shù)據(jù)可知，料漿的配料中至少要包含15%以上的小于20μm的粒級含量，這是保證料漿流動性的必要條件。一方面，膏體充填料漿的骨料以矸石為主，矸石的粒級合理才能保證料漿的可泵性及強度性能，因此在矸石的破碎加工過程中，要求矸石粒度必須低于25mm，這一點與金屬礦山的粒度要求有很大不同。在煤礦中矸石粒度極限大可以降低加工矸石的成本，且加工過程中振篩處理矸石時不易發(fā)生黏結(jié)、堵塞；矸石粒度極限越大，工作面隔離就越容易，隔離墻的準備時間也可大大縮短，提高了充填效率。由大量實驗可知，料漿的骨料矸石粒度在25mm以內(nèi)不僅不會影響其輸送性能，而且料漿也不會發(fā)生分層、泌水的現(xiàn)象，可更好地滿足充填工藝要求。另一方面，料漿中所包含的粒度5mm以下的顆料至少占到30%的比例，最高不超過50%，保持在40%最適宜。如果料漿采用泵壓進行長距離輸送，則要求其分層度小于2.0cm，在這種技術(shù)條件下即使料漿在管道中有發(fā)生靜置，也不會影響后續(xù)的輸送。因此膏體充填料的配比要具有較好的流動穩(wěn)定性，充填強度要與安全生產(chǎn)要求相符，并具有較強的可泵性及流動性。

3.2 充填材料及料漿的制備

料漿的制備是降低堵管發(fā)生率的重要因素。一方面，要對充填物料的配比進行嚴格控制，攪拌液位、流量保持平穩(wěn)。煤礦膏體充填材料包括骨料、膠凝劑及各種化學(xué)添加劑，其中膠結(jié)料摻量按照一般混凝土的概念屬于“極貧”混凝土，因此用量極少，可以按照設(shè)計濃度參考材料的配比制備符合要求的充填料漿；以達到控制回采工作面地表沉陷的預(yù)期目標。另一方面，要保證料漿制備原材料供應(yīng)的持續(xù)性，特別是在自動化程度較高的泵送系統(tǒng)中，要制備高質(zhì)量的料漿，就必須有穩(wěn)定的物料供應(yīng)。實際生產(chǎn)中，砂漿含水量不同，過渡砂倉料位不同，滲入物料也不同，故物料給料可能存在一定的不穩(wěn)定性，并且管道自流輸送過程中可能會摻入雜物而發(fā)生問題。因此料漿的輸送要選擇更高品質(zhì)的雙螺旋輸送機，在輸送前先對原料進行活化攪拌制漿，再投入砂漿攪拌筒。這種方法可有效避免下灰口糊死的問題。攪拌機選擇更高品質(zhì)的雙螺旋攪拌機，其包括雙攪拌軸、攪拌葉片，主要驅(qū)動裝置為2個液壓馬達。攪拌站的設(shè)計要遵循簡單、便于控制的原則，可采用批次配料的方法，在靜態(tài)條件下稱取各種物料，選擇先進的、穩(wěn)定性強的高精度稱重傳感器，以提高配料的精確性。

3.3 定量給料攪拌制備膏體

管道中進入不合格的膏體是導(dǎo)致堵管的主要原因，煤礦的膏體制備均為連續(xù)作業(yè)，可以采用周期式混凝土攪拌機進行強制攪拌，以保證膏體充填材料的質(zhì)量，按照周期循環(huán)作業(yè)進行加料、攪拌、出料等各個工序，更好地控制物料，控制比及膏體攪拌質(zhì)量。在定量攪拌制備膏體過程中，首先要進行稱量及投入物料，采用倉下稱料斗稱量矸石，將稱好的矸石放入膠帶輸送機輸送至充填樓矸石緩沖斗，經(jīng)過給料機向稱量斗中添加粉煤灰、膠結(jié)料等；經(jīng)過水泵將水直接打到攪拌桶，各種物料投放完成后將各稱量斗及矸石緩沖斗閘門。在物料攪拌及放漿時，每次攪拌時間設(shè)置50s，達到規(guī)定時間后即放漿，并泵送下井，放完料漿再將漿門關(guān)閉。在整個充填流程中，僅有間斷攪拌才能進行調(diào)節(jié)控制，因此可以采用連續(xù)攪拌混合間斷攪拌的方法進行，不僅可以采用分批供料，而且攪拌工藝還可通過人工控制來實現(xiàn)。在進行定量給料攪拌過程中，環(huán)境因素會對其產(chǎn)生直接影響，攪拌過程中一些干粉物會在輸送加工、攪拌過程中產(chǎn)生揚塵，比如砂石、水泥、飛灰等，影響料漿質(zhì)量及穩(wěn)定性，因此要通過除塵裝置將環(huán)境因素的影響降至最低，并及時排除污水。

4 結(jié) 論

總之，煤礦開采會帶來諸多的環(huán)境問題，其中煤礦開采沉陷區(qū)即為重要表現(xiàn)之一，因此煤礦開采沉陷區(qū)的回填處理是保護生態(tài)環(huán)境、維持生態(tài)平衡的重要途徑。充填開采技術(shù)是綠色開采技術(shù)的重要組成部分，也是解決建筑物下大量壓煤開采的重要途徑。其中膏體充填技術(shù)與錢鳴高院士提出的綠色開采理論相符，可有效防止采空區(qū)的塌陷，提高開采安全，能夠有效控制開采過程中頂板的穩(wěn)定性，防止?jié)⑸皾⑺晚敯迨鹿剩乐沟V井重特大事故的發(fā)生。并能延長礦井服務(wù)年限，不僅可提高煤礦企業(yè)的經(jīng)濟效益，還具有良好的社會效益。

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