煤礦固體廢棄物膏體充填技術(shù)分析

＊楊 博

（山西鄉(xiāng)寧焦煤集團(tuán)臺(tái)頭前灣煤業(yè)有限公司 山西 042100）

近幾年，煤礦固體廢棄物膏體充填技術(shù)逐漸成熟，其應(yīng)用效能受到了廣泛關(guān)注，為了提升充填處理效果，要依據(jù)整體設(shè)計(jì)方案，建立健全完整的技術(shù)管理模式，秉持穩(wěn)定安全的技術(shù)應(yīng)用原則，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的優(yōu)化目標(biāo)。

1.煤礦固體廢棄物概述

煤礦固體廢棄物產(chǎn)生量逐年增加，尤其是煤矸石，全國(guó)矸石山已經(jīng)超過(guò)2000座，占地面積在70km2以上，不僅對(duì)自然生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生影響，也會(huì)增加項(xiàng)目的處理成本，影響煤礦工程項(xiàng)目的綜合發(fā)展水平。目前，較為常見(jiàn)的煤礦固體廢物主要就是煤矸石。煤矸石是在煤層夾縫中的脈石，一般是在巷道掘進(jìn)過(guò)程中產(chǎn)生，從巷道口剝離煤矸石，其實(shí)際產(chǎn)量在45%左右，而在采掘過(guò)程中產(chǎn)生的煤矸石含量則超過(guò)35%，洗煤過(guò)程也會(huì)產(chǎn)生煤矸石。依據(jù)相關(guān)調(diào)查研究可知，煤開(kāi)采1t原煤，會(huì)產(chǎn)生2.1t煤矸石，所以，煤礦固體廢棄物中煤矸石的含量最多，相應(yīng)的膏體充填、漿液充填等工序，也會(huì)首選煤矸石。值得一提的是，煤矸石種類較多，泥質(zhì)頁(yè)巖煤矸石、炭質(zhì)頁(yè)巖煤矸石、砂質(zhì)頁(yè)巖煤矸石、砂質(zhì)煤矸石、石灰?guī)r煤矸石等都具有不同的物理性質(zhì)。并且，煤矸石的化學(xué)性質(zhì)也非常特殊和復(fù)雜，是有機(jī)物和無(wú)機(jī)物的組合。因此，將其應(yīng)用在膏體充填料漿時(shí)，少部分借助低溫燃燒處理，將其磨為細(xì)粒，然后配合成巖劑實(shí)現(xiàn)均化處理，就能獲得凝石。凝石在經(jīng)過(guò)相應(yīng)處理時(shí)間后就能生成鈣礬石和碳，有效發(fā)揮其實(shí)際價(jià)值。

另外，在應(yīng)用煤矸石作為填充物予以處理的過(guò)程中，其實(shí)際使用優(yōu)勢(shì)也非常突出。

由表1可知，黏土和固體廢棄物化學(xué)組成對(duì)比結(jié)果顯示部分固體廢棄物的化學(xué)成分和黏土較為相似，只需要在其中添加適當(dāng)附加成分，固體廢棄物就能替代黏土作為建筑材料?；诖?，在充填采礦膏體原材料選擇方面，固體廢棄物也具有一定的應(yīng)用價(jià)值。最關(guān)鍵的是，固體廢棄物作為煤礦膏體充填的基本材料能最大程度上減少煤矸石山的體積，避免環(huán)境污染問(wèn)題。與此同時(shí)，粉煤灰等污染問(wèn)題也能得到合理化控制，避免開(kāi)采操作對(duì)圍巖結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的影響，一定程度上有效規(guī)避開(kāi)采操作引起的地表下沉和上覆蓋層變形移動(dòng)等現(xiàn)象。除此之外，煤礦固體廢棄物膏體充填處理技術(shù)還能有效提升巷道維護(hù)的實(shí)效性，有效改善煤礦工程項(xiàng)目地下通風(fēng)環(huán)境。無(wú)論是從環(huán)保角度還是經(jīng)濟(jì)角度分析，廢棄物充當(dāng)膏體完成煤礦充填操作都具有深遠(yuǎn)的推廣價(jià)值。

表1

2.煤礦固體廢棄物膏體充填應(yīng)用流程

在煤礦固體廢棄物膏體充填工作中，要想滿足實(shí)際應(yīng)用要求，就要按照標(biāo)準(zhǔn)流程將工業(yè)充填泵制作好的膏狀漿體直接填充到相應(yīng)位置，提升工作面采空區(qū)處理效果，減少不安全因素造成的影響。需要注意的是，設(shè)備制作出的廢棄物膏體和商用混凝土較為相似，主要的組成成分包括煤矸石、粉煤灰、水泥等，配合添加劑就能按照長(zhǎng)距離泵送處理要求完成對(duì)應(yīng)工序[1]。

（1）攪拌機(jī)操作。首先，自備電廠粉煤灰或者是礦外電廠粉煤灰進(jìn)入管道后輸送到圓筒倉(cāng)。直接傳遞到給料機(jī)，確保稱量斗能有效使用。其次，膠結(jié)料進(jìn)入到散裝車，配合圓筒倉(cāng)、給料機(jī)、稱量斗等完成處理。

（2）充填步驟。將攪拌機(jī)獲得的物料都放入料漿斗內(nèi)部，配合充填泵輸送到地面管，然后鉆孔處理，借助井下管完成輸送，傳輸?shù)焦ぷ髅婀芎腿ü荛y，完成充填區(qū)的最終處理。

需要注意的是，在充填操作流程中，要對(duì)煤矸石的尺寸予以控制，確保最大粒度能被控制在25mm以下，避免較大的粒度增大其破碎程度，并且，合適的粒度能最大程度上優(yōu)化成品膏體的隔離效果，優(yōu)化充填效率[2]。

3.煤礦固體廢棄物膏體充填技術(shù)系統(tǒng)

要想發(fā)揮煤礦固體廢棄物膏體充填技術(shù)優(yōu)勢(shì)，就要結(jié)合技術(shù)要求落實(shí)匹配的系統(tǒng)，并保證各個(gè)系統(tǒng)在實(shí)際工作中發(fā)揮作用，從而維持整體膏體充填工藝流程的完整性和規(guī)范性。

(1)倉(cāng)儲(chǔ)系統(tǒng)

除了上述要求煤矸石尺寸粒度在25mm以下外，要保證煤矸石中顆粒粒度在5mm以下的顆粒占比為40%，按照5mm以下、5-25mm兩個(gè)規(guī)格完成分級(jí)處理，并予以合理化存儲(chǔ)管控，配合使用效果更好。

另外，針對(duì)實(shí)際情況要選取更加適宜具體情況的破碎加工工藝以及破碎機(jī)，維持整體技術(shù)方案，一般是利用二級(jí)粉碎、一級(jí)篩分的處理方式，能更好地建立健全可控處理方案。本文以A煤礦企業(yè)為例，選取的是顎式破碎機(jī)完成粗破處理，將出料的基礎(chǔ)粒度控制在75-100mm之間，之所以要進(jìn)行粗破操作，是為了更好地提升入篩率，并且能對(duì)粒度在25mm以下的物料顆粒予以適當(dāng)?shù)姆鬯樘幚?，?qiáng)化綜合應(yīng)用效果。然后要對(duì)處理后的煤矸石予以振動(dòng)篩篩分控制，分別存儲(chǔ)到不同粒度的存儲(chǔ)庫(kù)中，最后利用反擊破碎機(jī)對(duì)篩取物予以細(xì)破，確保全部顆粒的粒度都能在25mm以下[3]。

(2)攪拌系統(tǒng)

在攪拌系統(tǒng)管理工作中，要結(jié)合實(shí)際情況完成配套設(shè)備管理。較為常見(jiàn)的方案包括一備一用和并行工作。盡管都是需要配置兩臺(tái)設(shè)備，但是，一備一用的處理模式對(duì)設(shè)備能力的要求更高，并且設(shè)備前期投入的費(fèi)用較高。基于此，在A煤礦選擇配比攪拌系統(tǒng)時(shí)，選擇的是并行工作模式，連續(xù)運(yùn)行能減少堵管事故問(wèn)題，第二套攪拌機(jī)在運(yùn)行過(guò)程中，能維持150m3/h充填需求。

若是填充膏體的主要材質(zhì)是煤矸石，且最大粒徑控制在25mm，因此，一般會(huì)選擇連續(xù)式混凝土攪拌機(jī)或者是間歇式混凝土攪拌機(jī)。若是選擇連續(xù)式混凝土攪拌機(jī)，各個(gè)環(huán)節(jié)都需要匹配連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)要求，因?yàn)槿鄙俚却龝r(shí)間，則設(shè)備的能力配置和投資都較低，需要按照連續(xù)計(jì)算的方式完成動(dòng)態(tài)計(jì)量和匹配，這種問(wèn)題難以短時(shí)間內(nèi)解決。因此，多數(shù)煤礦企業(yè)都選擇間歇式混凝土攪拌機(jī)，能配合靜態(tài)計(jì)算分析建立精度較高的監(jiān)督模式，并且能及時(shí)糾正相關(guān)問(wèn)題，維持漿料質(zhì)量和管路疏通的規(guī)范性，避免堵管問(wèn)題造成的影響[4]。

除此之外，要按照標(biāo)準(zhǔn)化流程完成配比處理。①稱料工序，利用倉(cāng)下稱料斗進(jìn)行計(jì)算分析，并將其直接放入皮帶輸送機(jī)，送至緩沖斗，此時(shí)，粉煤灰和水泥都要借助螺旋給料機(jī)進(jìn)行稱量處理，加料和供水計(jì)量分析滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。②投料工序，確定放漿口關(guān)閉后攪拌機(jī)就會(huì)呈現(xiàn)出空機(jī)狀態(tài)，投料結(jié)束后關(guān)閉緩沖斗閘門。③按照質(zhì)量要求和標(biāo)準(zhǔn)完成攪拌處理，此時(shí)，膏體填充材料中膠結(jié)料數(shù)量一般，因此，攪拌時(shí)間要高出混凝土攪拌時(shí)間，攪拌時(shí)間設(shè)置為50s。④放漿工序，要在攪拌時(shí)間滿足50s后，打開(kāi)放漿口，將膏體漿液直接放入到料漿斗中，填充后完成輸送，到達(dá)下井。要想從根本上提高整體工序的合理性，就要針對(duì)循環(huán)過(guò)程落實(shí)科學(xué)監(jiān)管機(jī)制，確保循環(huán)操作的完整性，直到滿足填充任務(wù)。

(3)管道泵送系統(tǒng)

在煤礦固體廢棄物膏體充填處理流程中，膏體的泵送是維持整個(gè)礦井內(nèi)相關(guān)流程和操作的基礎(chǔ)，要服務(wù)一個(gè)壓煤采區(qū)，因此，要落實(shí)專用充填泵，維持加壓輸送過(guò)程的規(guī)范性。近幾年，德國(guó)普茨邁斯特公司和施魏因公司聯(lián)合生產(chǎn)的充填泵無(wú)論是性能優(yōu)勢(shì)還是經(jīng)濟(jì)性都具有一定的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，耐磨性充填泵能更好地避免內(nèi)襯脫落等問(wèn)題造成的影響，滿足充填要求[5]。

(4)隔離系統(tǒng)

在完成前期處理工作后，膏體被相應(yīng)設(shè)備直接輸送帶回采工作面，為了滿足對(duì)應(yīng)處理工序的要求和規(guī)范，要及時(shí)完成操作作業(yè)單元。首先，要對(duì)充填區(qū)域進(jìn)行臨時(shí)性的支護(hù)處理，確保充填前、充填過(guò)程中以及充填體凝固過(guò)程中都能維持頂板的穩(wěn)定性和規(guī)范性[6]。其次，要進(jìn)行隔離墻施工處理，快速形成封閉空間，確保能為充填操作提供較長(zhǎng)的作業(yè)時(shí)間，減少充填料流失對(duì)工作質(zhì)量造成的影響。最后，要及時(shí)安排充填作業(yè)工序，借助充填液壓支架、采煤機(jī)、膠帶輸送機(jī)等輔助設(shè)施實(shí)現(xiàn)隔離，保證充填整體操作效率符合預(yù)期。

除此之外，在充填工藝流程中，也要匹配多面輪采輪充等方案，實(shí)現(xiàn)24h不間斷充填處理，減少資源浪費(fèi)的同時(shí)也能滿足節(jié)能減排的基本要求，提高填充效率。

(5)充填效果定期監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

煤礦固體廢棄物膏體填充安全控制技術(shù)本身就是新興采礦管控機(jī)制，因此，為了有效了解其實(shí)際應(yīng)用狀態(tài)，要配合充填效果定期監(jiān)測(cè)工作，維持綜合管理效果，有效發(fā)揮技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，避免應(yīng)用不當(dāng)造成的安全隱患。值得一提的是，在充填效果分析工作中，最關(guān)鍵就是要明確膏體的應(yīng)力參數(shù)，因?yàn)槌涮罡囿w本身就是在高溫高濕環(huán)境中應(yīng)用，普通的傳感器不能對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)性監(jiān)測(cè)，所以，要應(yīng)用獨(dú)立的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

①監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

依據(jù)總線分線式設(shè)置模式，主要是借助順槽中的通訊監(jiān)測(cè)分站對(duì)相關(guān)信息予以處理，下位機(jī)采取的是RS485總線和測(cè)點(diǎn)連接的方式，針對(duì)每個(gè)測(cè)點(diǎn)要借助線盒予以處理，確保兩個(gè)基礎(chǔ)傳感器得以合理連接。例如，傳感器監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置下沉量監(jiān)測(cè)和應(yīng)力溫度監(jiān)測(cè)。

②工作原理

在傳感器設(shè)置變送器和RS485通訊接口，并且對(duì)應(yīng)的接線盒并聯(lián)到總線結(jié)構(gòu)，連接通訊分站，加之系統(tǒng)集散式連接，這就能保證每個(gè)傳感器都能獲取唯一的地址編碼，利用支路限流匹配的方式，確保每一個(gè)支路故障都不會(huì)對(duì)周圍的支路測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生影響，將相關(guān)監(jiān)測(cè)信息直接顯示在LCD屏幕上，若是條件允許，則可以借助環(huán)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性傳送，并且及時(shí)保存，以保證后續(xù)進(jìn)行歷史數(shù)據(jù)的對(duì)比分析。

③膏體變形監(jiān)測(cè)和應(yīng)力監(jiān)測(cè)

借助KBU101-200頂?shù)装遄冃蝺x器對(duì)膏體的變形情況進(jìn)行分析，其設(shè)計(jì)量程能達(dá)到500-800mm，設(shè)備配置齒輪-齒條結(jié)構(gòu)，借助內(nèi)部角位移傳感器獲取相應(yīng)的信息，轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)。與此同時(shí)，要配置485通訊接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性匯總。

而在應(yīng)力監(jiān)測(cè)工序中，主要是借助壓力傳感器獲取膏體荷載參數(shù)，將傳感器放置在采場(chǎng)底板位置，以保證相關(guān)參數(shù)匯總的合理性。其基本的工作原理就是充填介質(zhì)壓力直接作用在傳感設(shè)備上，獲取彈性形變。

4.煤礦固體廢棄物膏體充填安全控制建議

對(duì)于煤礦固體廢棄物膏體充填工作而言，地面系統(tǒng)和地下系統(tǒng)是主要組成部分，也是安全問(wèn)題較為集中的內(nèi)容，因此，在落實(shí)安全控制工序時(shí)，就要結(jié)合局部網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)落實(shí)最優(yōu)化控制，保證過(guò)程化綜合信息管理的實(shí)效性。

(1)避免堵管事故

為了保證煤礦固體廢棄物膏體充填質(zhì)量符合預(yù)期，就要高度重視堵管預(yù)防工作的合理性和規(guī)范性，按照標(biāo)準(zhǔn)流程建立健全完整的控制方案，提升充填高效性。

第一，要及時(shí)安裝除鐵器，并且在皮帶機(jī)頭及時(shí)安裝對(duì)應(yīng)的設(shè)備，避免金屬物質(zhì)進(jìn)入到二級(jí)破碎機(jī)亦或是進(jìn)入充填管道造成堵管，要及時(shí)進(jìn)行清理和管控，保證相應(yīng)設(shè)施能發(fā)揮實(shí)際作用[7]。

第二，要對(duì)粒徑參數(shù)予以控制，主要是對(duì)振動(dòng)篩篩網(wǎng)的尺寸和二級(jí)破碎機(jī)出料口的寬度予以及時(shí)糾正，維持較好的狀態(tài)。

第三，要對(duì)煤矸石予以監(jiān)管，利用煤矸石在線水分檢測(cè)設(shè)備及時(shí)檢測(cè)其含水量，確保水分均勻性的同時(shí)，按照不同的粒度進(jìn)行封閉倉(cāng)儲(chǔ)管理。并且，在配料工作開(kāi)始前也要進(jìn)行對(duì)應(yīng)參數(shù)的復(fù)測(cè)。

第四，要采取雙臺(tái)套配置模式，其中，變壓器、PLC控制系統(tǒng)、配比攪拌子系統(tǒng)、充填泵等都要結(jié)合實(shí)際情況進(jìn)行配置處理，并且要對(duì)控制配比予以計(jì)算分析，確保攪拌質(zhì)量參數(shù)符合預(yù)期。

第五，要在地面設(shè)置堵管事故的專用處理通道，利用φ114mm×7mm無(wú)縫鋼管鋪設(shè)的方式將一端連接充填泵出口，一端連接充填鉆孔的盲板封口，確保法蘭連接的合理性。

(2)匹配在線監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

在煤礦固體廢棄物膏體充填技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，全過(guò)程監(jiān)測(cè)管理也非常重要，因?yàn)槌涮顓^(qū)域地下條件較為復(fù)雜，傳統(tǒng)的應(yīng)力傳感器無(wú)法及時(shí)獲取對(duì)應(yīng)參數(shù)，因此，設(shè)置管道壓力監(jiān)測(cè)單元，就能及時(shí)完成預(yù)警，有效實(shí)現(xiàn)自動(dòng)卸料。本文以“KJ216煤礦動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)”為例，配置井上/井下監(jiān)測(cè)單元、通訊接口以及礦用數(shù)據(jù)光端機(jī)等，有效采取多級(jí)總線分布式結(jié)構(gòu)，完成安全設(shè)計(jì)，利用工業(yè)級(jí)PC擴(kuò)展光纖接口就能及時(shí)連接井上監(jiān)測(cè)服務(wù)器，從而獲取相關(guān)數(shù)據(jù)。

另外，利用127V電源供電，打造上位機(jī)和下位機(jī)共同處理的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，上位機(jī)負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)并發(fā)送相應(yīng)的指令，下位機(jī)負(fù)責(zé)對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)予以存儲(chǔ)和處理，全面維持?jǐn)?shù)據(jù)應(yīng)用效率[8]。

5.結(jié)束語(yǔ)

總而言之，煤礦固體廢棄物膏體充填技術(shù)應(yīng)用過(guò)程中，要充分結(jié)合不同系統(tǒng)的應(yīng)用規(guī)范要求，保證對(duì)應(yīng)處理流程和工序的規(guī)范性，最大程度上提高其應(yīng)用效率和質(zhì)量水平，優(yōu)化充填工作面的質(zhì)量，按照標(biāo)準(zhǔn)開(kāi)采和充填要求維持實(shí)時(shí)性管理，配合使用不同系統(tǒng)和在線監(jiān)測(cè)模塊，為煤礦行業(yè)健康可持續(xù)發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。