煤矸石充填料漿坍落度研究現(xiàn)狀分析

李丹 于道淵 楊英 黃思 徐玉成

摘? 要：近些年來隨著煤礦資源的不斷開采，煤炭企業(yè)在給一系列工業(yè)企業(yè)提供原材料的同時，煤矸石作為煤礦生產過程中產生的主要固體廢棄物，其外排量也在不斷地增加，久而久之就壓占了數(shù)量可觀的有用土地。為減少煤矸石堆放所壓占的土地面積，同時也為降低煤矸石堆放所帶來的一系列負面影響、提高寶貴煤炭資源的回收率，文章結合煤矸石充填技術相關特點，開展煤矸石充填料漿坍落度性能的調查分析，旨在為充填料漿的有效利用提供一些參考。

關鍵詞：煤矸石;充填料漿;坍落度;現(xiàn)狀分析

中圖分類號：TD849.5? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）36-0029-03

Abstract： In recent years， with the continuous mining of coal resources， coal enterprises provide raw materials to a series of industrial enterprises at the same time， coal gangue as the main solid waste produced in the process of coal mine production， its discharge is also increasing. Over time， a considerable amount of useful land has been occupied. In order to reduce the land area occupied by coal gangue stacking， reduce a series of negative effects caused by coal gangue stacking and improve the recovery rate of valuable coal resources， this paper combines the relevant characteristics of coal gangue filling technology. The investigation and analysis of slump performance of coal gangue filling slurry is carried out in order to provide some reference for the effective utilization of filling slurry.

Keywords： coal gangue; filling slurry; slump; present situation analysis

1 概述

煤矸石是煤炭礦山企業(yè)日常生產中排放的最主要的固體廢棄物，如果在外排和堆放過程中處理不當，則就不可避免地會對周邊的環(huán)境產生一定的負面作用[1]。介于煤層中，與煤層相連接的巖石叫做煤矸石，它有如下三種主要來源[2]：白矸石是露天開采剝離和采煤巷道掘進排出，普矸是采煤過程中選出，洗選矸石是選煤過程產生，三者比例分別約45%、35%和20%[3]。目前，資源化利用煤矸石已有一些較為成熟的技術，如利用煤矸石制備作為混凝土骨料，不僅有效地利用了煤矸石，并能降低天然骨料資源開發(fā)，因而具有較好的經濟和社會效益[4]。在這個階段， 很多學者和專家對制備煤矸石混凝土及其混凝土的力學性能都進行了比較全面的研究[5-8]，還有少部分學者對煤矸石混凝土的持久性進行了研究[9-11]。張金喜等學者[2]研究了煤矸石加入量對混凝土抗?jié)B性和抗凍性的影響，在煤矸石的建材應用方面起到了較好的參考作用。

煤矸石充填料漿現(xiàn)今較少被人提及，煤矸石膏體充填開采是綠色煤炭開采技術的重要組成部分，可有效地解決壓煤開采的“三下一上”、地面沉降控制、采礦及其他環(huán)境等問題。煤矸石料漿是一種將煤矸石、粉煤灰、膠凝材料、水等按一定質量比均勻混合而成的一種“沒有臨界速度，不用脫水”的具有穩(wěn)定性好、流動性強、可塑性優(yōu)等優(yōu)點的膏狀采空區(qū)充填材料[12-13]。不合理的料漿配比會使充填材料的各項性能無法滿足工程要求，進而可能導致充填效果不好甚至不能使用[14]。由于矸石材料充填受成本限制比較嚴重，因此不可能完全按照理想的配比制備充填料漿，但是在成本增幅不大的條件下，盡可能按照合理配比制得性能穩(wěn)定、強度較高的充填材料，重要的是能有效控制地面沉降、減少水泥等材料用量、從而降低充填成本。

2 煤矸石在礦山采空區(qū)充填方面應用

煤矸石是煤礦生產過程中源源不斷地產生和排出的固體廢棄物，其主要來源包括巖石巷道掘進過程中產生的掘進矸石，采煤過程中從頂板、底板和煤層中的巖石夾層里開采出的矸石、以及選煤廠生產過程中排出的洗選矸石[15]。一般習慣把采煤和洗煤時所產生的矸石稱為煤矸石，它的主要成分是無機質和少量有機質的混合物。在煤礦中， 不可避免的會出現(xiàn)地表坍塌等問題， 此時可以將煤矸石用作填料， 對坍塌的空區(qū)進行填實， 在避免地表塌陷災害的同時實現(xiàn)煤矸石的無害化處理[16]。在相關的工程應用方面，煤矸石可用于填充溝谷、采煤沉陷區(qū)及低洼區(qū)等建筑工程用地，也可用于充填潮濕地帶、沼澤場地甚至積水塌陷坑，或用于回填煤礦采空區(qū)及廢棄礦井，為解決三下壓煤等各方面問題提供了良好途徑[17]。煤礦開采中，采空區(qū)充填需要耗費大量水泥，所需的充填成本較為高昂，會給煤礦或企業(yè)造成了較大的經濟負擔，嚴重限制了充填采礦技術的應用及發(fā)展[18]。錢鳴高院士最先提出了綠色煤炭資源開采的理念[19]，指出煤矸石膏體充填是綠色開采的重要組成部分。在充填采空區(qū)方面，我們國家也取得了很大的進展。山東新汶礦業(yè)集團將煤矸石、水泥、粉煤灰等按比例制成混凝土用于充填采空區(qū)[20]，取得了良好的采空區(qū)塌陷預防效果。

2011年我們國家煤矸石利用總量的52%[3]用于采空區(qū)充填、塌陷區(qū)充填、筑基修路充填及土地復墾充填等，利用的煤矸石量已經達到2.15億噸[21]。從實踐來看， 煤矸石充填技術所需矸石量大， 在礦井下處理煤矸石，是處理采煤地面沉降問題、煤矸石地面堆積問題、礦山廢料占地過寬問題等非常迫切、有效的治理手段， 屬于高水平的綠色煤炭開采技術[22]。近幾年，煤矸石充填采空區(qū)的占比越來越高，但煤矸石在充填采空區(qū)方面還有很多值得我們研究和分析的地方，因此應在煤矸石充填采空區(qū)方面進行更加深入的研究。

3 煤矸石充填料漿坍落度研究分析

作為一種煤矸石的再生利用方式，對煤矸石進行破碎、篩選后，部分或全部替代普通砂石骨料制備混凝土，是提高煤矸石資源利用率的有效措施，可以為企業(yè)帶來巨大的環(huán)境效益、經濟效益和社會效益[23]。煤矸石雖然水穩(wěn)性不太好，有一定的弱膨脹性及崩解性，但可以通過摻入一定比例的粉煤灰細顆粒，優(yōu)化其級配組成，并保證優(yōu)良的排水、隔水條件，使之充分的密實后，煤矸石就成為了一種很好的充填材料，完全能保證采空區(qū)的穩(wěn)定性，大大減少或避免地面塌陷事故的發(fā)生[24]。因此，充填料漿中材料的配比是否合理是決定充填體強度、料漿流動特性、充填成本、充填工藝等能否取得最優(yōu)效果至關重要的因素[25]。

充填料漿的流動性是表示充填料漿在自重或外力的作用下產生流動，能均勻密實沿輸送路徑流動的性能，它反映了充填料漿的稀稠程度及輸送性能。流動性在充填料漿的攪拌、運輸直到充填的施工作業(yè)中都是很重要的特性[26]。坍落度、坍落擴散度、粘稠度等都是評價充填料漿流動性能的參數(shù)[27]。質量濃度相同的條件下，粉煤灰與煤矸石的比例是影響似膏體分層度的主要因素，粉煤灰與河砂的比例是影響似膏體塌落度的主要因素，煤矸石作為似膏體材料的粗集料，添加比例過大會導致似膏體流動性變差;而粉煤灰等微集料主要發(fā)揮潤滑和填充縫隙的作用，能顯著提高似膏體材料的和易性;河砂作為似膏體材料的細集料，添加比例過小則不能保證粗集料間有足夠的細集料填充潤滑，充填料漿的流動性變差，坍落度降低[28]。在坍落度影響模型中，同比質量濃度，顆粒級配與細度對煤矸石充填料漿坍落度性能的影響效果明顯，質量濃度對坍落度的影響先增后減，濃度在74%-75%之后逐漸減小[24]。

4 結束語

綜上所述，煤矸石充填料漿，在質量配比一樣的情況下，塌落度與濃度負相關，即坍落度隨煤矸石質量濃度的增加而減小，當濃度達到一定值后，塌落度急劇降低，根據(jù)本次實驗的實驗結果及國內外礦山尾砂自流輸送有關經驗，尾砂膠結充填料漿在塌落度大于22～24cm時，流動性能好，可以自流輸送，東際金礦尾砂自流輸送濃度為70%～72%時較為合理[25]。除作為井下填充材料外，煤矸石的利用價值有很多種，如用作建筑材料、生產水泥、燒結磚塊、水玻璃等，也能開發(fā)出很多新產品。對煤矸石物料化學性質的認識、研究、利用也應隨時代科技進步的變化而變化。未來，煤矸石利用技術作為煤礦廢料綠色再生產的重要組成部分，會越來越成熟，其中最有發(fā)展前景的充填技術，也會隨著科技的高速發(fā)展而快速發(fā)展。煤矸石的有效利用不僅能減少土地的浪費，也能增加資源的有效利用，相關的科學研究也將會為我國煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供必不可少的技術支撐。

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