礦山采空區(qū)膠結(jié)充填方法研究

楊振華

（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局八〇一水文地質(zhì)工程地質(zhì)大隊(duì)，山東 濟(jì)南 250014）

我國礦業(yè)形勢(shì)近幾年發(fā)生了較大變化，為消化過剩產(chǎn)能，淘汰落后產(chǎn)能，礦業(yè)行業(yè)積極進(jìn)行供給側(cè)改革，通過轉(zhuǎn)方式調(diào)結(jié)構(gòu)，關(guān)停了很多小型礦山，例如，針對(duì)煤礦，國家發(fā)改委要求煤企數(shù)量四年內(nèi)至少減少一半，除了涉及國計(jì)民生的少量煤礦外，30萬噸及以下的小煤礦必須要進(jìn)行兼并或關(guān)停，以從根本上解決礦山多而不強(qiáng)，集約化程度不高的局面。但由于種種原因，我國各類礦山包括已關(guān)停的礦山，仍然存在著不少未經(jīng)充填處理的采空區(qū)，特別是歷史上礦山無秩序混亂開采行為留下了不少未知采空區(qū)，而小礦山原先的開采生產(chǎn)活動(dòng)技術(shù)普遍比較落后更加劇了這種情況，隨著時(shí)間的推延，采空區(qū)，尤其是石膏、磷礦開采容易形成連片、復(fù)雜、嚴(yán)重隱患的采空區(qū)，導(dǎo)致采空塌陷、崩塌事故、突水事故等災(zāi)害不斷增多，尤其是重大事故有增大的趨勢(shì)，嚴(yán)重危害了正常礦山開采安全，危及采空區(qū)影響范圍內(nèi)的人民生命財(cái)產(chǎn)安全，同時(shí)對(duì)土地資源和自然環(huán)境造成了不可彌補(bǔ)的損失。此外，在礦山開采冶煉過程中，還帶來了大量得固體廢棄物，對(duì)外部環(huán)境也帶來了巨大的風(fēng)險(xiǎn)[1]。

科學(xué)有效的利用各類采空區(qū)充填技術(shù)，可以很好的解決上述問題，不但可以消除各類安全隱患，還能在采空區(qū)充填過程中，充分利用礦山固體廢棄物，減少對(duì)外排放量，減少土地資源占用和環(huán)境污染，還能有效提高資源開采利用程度，但采空區(qū)充填成本較高，各礦山企業(yè)并沒有主動(dòng)性，充填過程也缺乏監(jiān)管[2]。與之相對(duì)的是，各地政府非常重視礦山治理工作，以山東為例，山東六部門專門制定了《山東省礦產(chǎn)資源總體規(guī)劃(2016-2020年)》，確定在2020年之前，將70%的歷史遺留的礦山地質(zhì)環(huán)境問題，基本完成全省歷史遺留責(zé)任滅失非煤礦山廢棄礦井和采空區(qū)調(diào)查與治理工作。因此，研究采空區(qū)膠結(jié)充填技術(shù)有著非常重要的意義。

1 采空區(qū)膠結(jié)充填工藝

采空區(qū)膠結(jié)充填技術(shù)是一種新型充填工藝，與傳統(tǒng)無膠結(jié)充填技術(shù)的主要區(qū)別為是否采用了膠結(jié)料，能否在充填后改善頂板管理的基礎(chǔ)上，使充填體形成一定強(qiáng)度的整體。傳統(tǒng)無膠結(jié)充填技術(shù)主要包括干式充填、水砂無膠結(jié)充填等，工藝相對(duì)簡單且價(jià)格低廉，因而在我國有廣泛的應(yīng)用，但傳統(tǒng)無膠結(jié)充填工藝有較大局限性，例如，矸石自溜充填主要應(yīng)用于急傾煤礦中，在實(shí)際應(yīng)用中存在諸多問題，如充填體自然堆積無整體性，充填率和充填強(qiáng)度明不高，無法有效消除施工和地表安全隱患，同時(shí)，對(duì)礦柱的回采增加困難[3]。因而，膠結(jié)充填技術(shù)被越來越多采用，主要包括以下類型：

1.1 廢石膠結(jié)充填工藝

廢石膠結(jié)充填工藝是在廢石空隙處注漿，形成具備一定整體性和強(qiáng)度的充填體，且由于廢石代替了部分充填料漿，從而充填成本相對(duì)較低，而在煤礦主要采用在采空區(qū)冒落矸石間注膠結(jié)料漿的充填方式實(shí)現(xiàn)，通過鉆孔注漿方式，在采空區(qū)充填矸石之間的空隙處，灌入具備膠結(jié)能力的充填料漿，與矸石形成具備一定強(qiáng)度的整體，對(duì)采空區(qū)圍巖起到支撐作用，有效分散采空圍巖應(yīng)力，起到確保采空區(qū)穩(wěn)定性，消除一定安全隱患的作用。該工藝根據(jù)廢石粒徑和充填料漿有不同分類，適用于充填空?qǐng)霾傻V法形成的采空區(qū)，或?qū)U石干式充填方式進(jìn)行二次處理。

1.2 尾礦砂膠結(jié)充填工藝

該工藝主要分為全尾砂、分級(jí)尾砂充填兩類，能夠充分利用尾礦資源，實(shí)現(xiàn)無廢排放。雖然不同礦山的全尾砂會(huì)有不同，但是分級(jí)尾砂通常是以37μm為分類界限進(jìn)行分級(jí)的，由于此工藝一般采用自流充填系統(tǒng)，充填料漿濃度低，充填后需要大量脫水，分級(jí)有利于料漿的固結(jié)，因而凡是采用這種方法的大都采用分級(jí)尾礦。

1.3 高濃度膠結(jié)充填工藝

利用該工藝，可以邊采邊充，對(duì)粉煤灰材料的壓縮沉降等問題進(jìn)行了較強(qiáng)改進(jìn)，充填效果和能力高于河砂材料，可杜絕堵管等問題。

1.4 粉煤灰膏體充填工藝

采空區(qū)膏體充填工藝是一種來自德國的非常有效的充填技術(shù)，最初適用于處理城市的各種生活垃圾，后來應(yīng)用于采空區(qū)充填治理，已被證實(shí)在消除地表沉降方面非常有效，比傳統(tǒng)膠結(jié)充填方式相比，泌水量大幅減少，從而減少井下排水隔水系統(tǒng)的費(fèi)用，因而有很強(qiáng)的研究應(yīng)用價(jià)值。利用充填設(shè)施，將河砂、粉煤灰、膠結(jié)料攪拌而成的膏狀充填料輸送到工作面，形成充填體，固化后可有效支撐采空區(qū)頂板，消除地質(zhì)災(zāi)害隱患。此外，充填料漿后，還可以直接起到降低井下溫度、通過阻斷空氣流通防止采空區(qū)自燃的作用。

1.5 全砂土似膏體充填工藝

似膏體充填工藝兼有水力充填和膏體充填的優(yōu)點(diǎn)，例如，其充填料漿既有很好地流動(dòng)性，又有足夠的強(qiáng)度，且泌水性較低，適用于煤田采空區(qū)的充填工作。該工藝粗骨料采用河砂或工業(yè)垃圾（非工業(yè)有毒廢料），混以20%～32%的細(xì)骨料，以全砂土固結(jié)材料為膠結(jié)材料（采用沸騰爐渣等工業(yè)廢渣，加入添加劑，經(jīng)研磨、均化等工藝后制成），經(jīng)攪拌而成的類似膏體的料漿。由于其充填過程，充填體可以不脫水或少量脫水，因而避免了對(duì)地下采礦作業(yè)環(huán)境和地下水的污染；同時(shí)，該工藝可以提高采礦上產(chǎn)效率、安全生產(chǎn)水平，比較經(jīng)濟(jì)合理。

2 采空區(qū)膠結(jié)充填材料及裝備

2.1 充填材料及配比

應(yīng)根據(jù)選用的施工工藝，有針對(duì)性的進(jìn)行配合比試驗(yàn)，選擇不同的充填材料。從資源有效利用和環(huán)境保護(hù)的角度，應(yīng)首先選擇礦山固體廢棄物，能夠在施工場(chǎng)地附近就地取材、加工成符合施工要求的充填料，如果需要外購，也應(yīng)考慮周邊實(shí)際，減少購買材料和運(yùn)輸費(fèi)用。

2.1.1 充填骨料

主要包括廢石、尾砂等。充填骨料需要滿足一定的條件，需要檢測(cè)骨料的化學(xué)成分，在充填料配置和施工過程中物理化學(xué)性質(zhì)不發(fā)生改變，關(guān)注是否含有有毒有害成分；需要測(cè)定沉降速度和飽和濃度，

2.1.2 膠凝材料

膠凝材料主要有粒狀漿和化學(xué)漿兩類。其中顆粒漿材料以水泥為主，其特點(diǎn)是價(jià)格不高，購買方便，使用方法簡單，水泥粒級(jí)細(xì)度越小，活性越強(qiáng)目前使用比較廣泛。膠固粉由水泥熟料和石灰、石膏、粉煤灰以及爐渣水淬后形成的水淬渣等材料，按不同配比混合而成，可以根據(jù)不同的充填需要，配置不同配比的專用膠固粉。膠固粉價(jià)格比較經(jīng)濟(jì)，研究價(jià)值較高。

2.1.3 充填用水

水在充填料將配比中，起到非常重要的作用，包括作為主要的輸送介質(zhì)，參與膠凝反應(yīng)等，根據(jù)水的摻入比例不同，充填料呈現(xiàn)不同的狀態(tài)，其中在低濃度時(shí)，主要是兩相流，在高濃度時(shí)呈現(xiàn)結(jié)構(gòu)流，甚至呈現(xiàn)膏體形態(tài)。

2.1.4 外加劑

主要包括減水劑、緩凝劑和早強(qiáng)劑等，通過添加不同的外加劑，可以有效提高和改善充填料漿的各種性能，顯著增強(qiáng)和易性，防止料漿的泌水和分離，便于輸送等充填工作，提高充填體固化后的物理力學(xué)性能。

2.1.5 充填料配比及相關(guān)試驗(yàn)

配置充填料漿必須以設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度為基礎(chǔ)，選擇各種材料適合的用量比例。通過配合比試驗(yàn)，可以確定水灰比、灰砂比等關(guān)鍵指標(biāo)，從而對(duì)充填料漿固結(jié)后的強(qiáng)度進(jìn)行預(yù)判，為采空區(qū)膠結(jié)充填設(shè)計(jì)方案的制定提供可靠數(shù)據(jù)支持。尾礦砂膠結(jié)充填料漿的強(qiáng)度測(cè)試，可以參照建筑砂漿測(cè)試相關(guān)要求，做成邊長為70.7mm的立方體試塊，進(jìn)行三、七、十四、二十八天標(biāo)養(yǎng)，并通過壓力測(cè)試取得相關(guān)測(cè)試數(shù)據(jù)。此外，還需要對(duì)充填料漿進(jìn)行流變特性的測(cè)試，從而確定黏度、流動(dòng)度等指標(biāo)，主要的測(cè)試方法由黏度試驗(yàn)、擴(kuò)散度試驗(yàn)和坍落度試驗(yàn)。其中黏度試驗(yàn)可以使用粘度計(jì)，由于黏度收到很多因素影響，因而數(shù)據(jù)很難保證絕對(duì)準(zhǔn)確，因而僅能進(jìn)行定性分析；充填料漿的流動(dòng)性能主要通過擴(kuò)散度試驗(yàn)和坍落度試驗(yàn)獲得，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備簡單，測(cè)試數(shù)據(jù)獲得較容易，使用較廣泛。

2.2 采空區(qū)充填及相關(guān)設(shè)備設(shè)施

采空區(qū)膠結(jié)充填裝備是完成膠結(jié)充填工作的重要支撐，主要包括料漿儲(chǔ)藏制備系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)和井下充填施工系統(tǒng)。料漿儲(chǔ)藏制備系統(tǒng)主要在地面以上，包括裝載機(jī)、廢渣接料斗、振動(dòng)給料機(jī)、二合一破碎機(jī)、皮帶傳送機(jī)、成品骨料儲(chǔ)存?zhèn)}、采空區(qū)膠結(jié)充填裝備、骨料計(jì)算機(jī)構(gòu)、外加劑泵、蓄水池、水泵、攪拌機(jī)（可以選強(qiáng)制間歇式攪拌機(jī)）等。傳輸系統(tǒng)包括布設(shè)的膏體充填料漿傳輸管路。充填施工系統(tǒng)主要為充填泵，以及井下砌筑的擋墻，泄水孔等。水通過水泵從蓄水池引入攪拌機(jī)內(nèi)，與骨料和膠固材料、外加劑一起攪拌，形成符合設(shè)計(jì)質(zhì)量要求的充填料漿，經(jīng)傳輸系統(tǒng)輸送到工作面，完成充填工作。這其中，充填材料的混合攪拌尤為重要，為其后繼續(xù)開展泵送充填工作奠定了基礎(chǔ)，因而也可以采用比較成熟的攪拌站技術(shù)，還可以利用PLC程序進(jìn)行自動(dòng)化控制，有效提供充填工作效率。此外，與普通的建筑行業(yè)不同，采空區(qū)充填工作是一個(gè)不間斷的工作，因而不能直接使用建筑行業(yè)的混凝土泵，應(yīng)選擇符合采空區(qū)充填要求的工業(yè)泵，以滿足工作需要。

在采空區(qū)充填施工之前，還應(yīng)該加強(qiáng)對(duì)采空區(qū)的探測(cè)，掌握采空區(qū)的范圍界限。同時(shí)，還應(yīng)該利用監(jiān)控設(shè)備，對(duì)采空區(qū)充填施工前后地壓變化和沉降情況進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控，以利于監(jiān)控地質(zhì)災(zāi)害隱患，同時(shí)檢測(cè)采空區(qū)膠結(jié)充填質(zhì)量，確保礦區(qū)安全。

3 結(jié)論

采空區(qū)充填尤其是膠結(jié)充填方式可以提高資源開采率并消除采空塌陷地質(zhì)災(zāi)害隱患，因而在各類金屬礦山或非金屬礦山中被廣泛應(yīng)用，其中膏體充填工藝或似膏體充填工藝效果更佳，具有很強(qiáng)的研究應(yīng)用價(jià)值，應(yīng)進(jìn)一步推廣使用。