高水速凝材料在寧東礦區(qū)充填開采中的應(yīng)用*

鄒承君，關(guān)英林，康亞明

（1. 北方民族大學(xué)化學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021；2. 北方民族大學(xué)機電工程學(xué)院，寧夏 銀川 750021）

1 引言

我國是一個富煤、貧油和少氣的國家，煤炭資源占資源總量的70%左右[1］，雖然國家在大力發(fā)展光伏等綠色能源，但在將來很長一段時間，煤炭資源的消耗依然會保持在高位。我國煤炭產(chǎn)量逐年增多， 環(huán)境與經(jīng)濟問題隨著煤炭開采愈加突出，如廢水、廢氣、噪音、粉塵，還會出現(xiàn)諸多采空區(qū)。采空區(qū)的形態(tài)不穩(wěn)定，不僅會出現(xiàn)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)和強度降低等問題，還會出現(xiàn)地下水滲透、地表塌陷、建筑物沉降等問題。為了提高采空區(qū)的結(jié)構(gòu)強度，通常會使用一定數(shù)量的煤柱支撐采空區(qū)。如此，便造成大量煤炭資源的浪費。寧東礦區(qū)地處西北半干旱地區(qū)，環(huán)境問題尤為突出，因此，我們要走符合我國國情的節(jié)約資源，保護(hù)環(huán)境的可持續(xù)發(fā)展之路[2］。

西北地區(qū)擁有悠久的采礦歷史，礦山的采掘深度逐年加深，尤其是從20世紀(jì)80年代開始，環(huán)境與經(jīng)濟問題越來越突出。長此以往，不僅不利于西北地區(qū)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，還會嚴(yán)重破壞當(dāng)?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境，例如水土流失、土地沙漠化等。因此，解決礦區(qū)的環(huán)境和經(jīng)濟問題，具有深遠(yuǎn)的歷史意義和重要的現(xiàn)實意義[3-4］。

2 煤礦開采引起的環(huán)境及經(jīng)濟問題

2.1 廢氣以及粉塵的影響

煤炭廢氣指的是在煤礦開采過程中產(chǎn)生的大量甲烷和二氧化碳等溫室氣體的混合氣體。這些氣體會通過礦井通風(fēng)、煤和煤研石地面堆存逸散等方式排入大氣，造成溫室效應(yīng)[5］。根據(jù)國際氣候變化委員會（IPCC）調(diào)查顯示，煤礦排放的甲烷約占全球排放總量的8%～10%。但人們往往忽視了煤炭廢氣對于溫室效應(yīng)的影響。因此，我們應(yīng)該重視全球范圍內(nèi)煤炭廢氣對環(huán)境所造成的危害，提高人們對煤炭廢氣的警惕性。

2.2 固體廢棄物的影響

固體廢棄物主要是指煤矸石。煤礦在開采過程中，頂?shù)装宓乃槭c煤層中的夾矸會一同被采出，經(jīng)過洗選分離后就是煤矸石。煤矸石在露天堆積時易風(fēng)化成粉塵以及細(xì)小顆粒，在風(fēng)的影響下進(jìn)入周圍的空氣以及土壤中，造成空氣污染以及土壤惡化、危害人體健康、阻礙植物健康生長、腐蝕周邊建筑物等。

2.3 廢棄水體的影響

礦區(qū)開采過程中，廢棄水體對環(huán)境的影響主要分為兩部分，一是對地下水位的影響，二是對地下水水質(zhì)及地表的影響[6］。

（1）對地下水位的影響。地下水按照含水層埋藏深度可以分為淺層、中層和深層地下水，其中中層地下水是生活用水和工業(yè)用水的主要來源之一。隨著采礦深度的增加，會出現(xiàn)越來越多的采空區(qū)，采空區(qū)的出現(xiàn)會導(dǎo)致礦區(qū)上層中垂向裂縫增多、增大，造成礦區(qū)上方的地下水和松散巖層地層中的水快速地向下滲透，進(jìn)而減少淺、中層地下水的含量，影響周邊居民的生活及安全。

（2）對地下水水質(zhì)及地表的影響。疏排地下水是礦區(qū)的一項基本工作，礦井里的地下水并不都是無害的。當(dāng)把含有有毒物質(zhì)的地下水排到地表上時，會污染地表土壤以及淺層地下水。此外，礦井里的地下水在排放過程中，可能會改變地下水原有的物理化學(xué)性質(zhì)，導(dǎo)致原本無害的地下水中含有有毒物質(zhì)，進(jìn)而對地表產(chǎn)生影響。

2.4 對經(jīng)濟效益的影響

在采空區(qū)，由于缺少支撐，礦井頂部應(yīng)力過大，容易出現(xiàn)地表塌陷等問題，使得周邊建筑物發(fā)生沉降、危害環(huán)境、加劇土地沙漠化。為了減少礦區(qū)頂部壓力，一般會在采空區(qū)留下一定數(shù)量的煤柱來支撐采空區(qū)，使得我國煤炭資源開發(fā)利用率減少。

3 充填技術(shù)在煤礦中的應(yīng)用

3.1 國內(nèi)外充填開采技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

20世紀(jì)初，國外就已采用充填技術(shù)對礦區(qū)進(jìn)行開采，先后用水砂、廢石、膠結(jié)料漿等作為充填介質(zhì)進(jìn)行試驗，到了20世紀(jì)80～90年代出現(xiàn)了高質(zhì)量分?jǐn)?shù)料漿膠結(jié)充填技術(shù)和充填工藝[7］。國內(nèi)充填開采技術(shù)起步較晚，在20世紀(jì)中葉才開始對礦山開采充填等工藝進(jìn)行試驗。在“十一五”期間，我國的充填開采技術(shù)取得較大突破[8］。

3.2 充填開采技術(shù)的分類

充填開采技術(shù)按照充填材料的不同可以分為水砂充填、矸石充填、膏體充填和高水充填。水砂充填是利用水力將砂子、碎石或爐渣等充填材料輸送到采空區(qū)進(jìn)行充填的充填技術(shù)。矸石充填是采用煤矸石或固體廢料加粉煤灰、黃土等材料作為充填材料的一種充填技術(shù)[9］。膏體充填的充填材料則采用煤矸石[10］，同時加入混合粉煤灰等固體廢棄物并添加膠結(jié)料[11］。高水充填是將高水速凝材料作為充填材料充填到采空區(qū)的一種充填開采方法[7］。除此之外，充填開采技術(shù)還可以根據(jù)充填量、充填動力、充填位置進(jìn)行分類，如圖1所示。

圖1 充填開采方法分類

3.3 充填開采技術(shù)的設(shè)施

充填開采的設(shè)施分為輸送設(shè)備和液壓支架。輸送設(shè)備主要包括防砸緩沖裝置、物料輸送配給站、轉(zhuǎn)載機及帶式輸送機等。對于膏體或高水充填，輸送設(shè)備還包括離心泵站、攪拌站（制漿系統(tǒng)）及輸送管路等。其中，液壓支架選型除了滿足煤層的賦存條件、開采方式和支護(hù)要求外，還要滿足采空區(qū)的充填工作。因此，液壓支架關(guān)系到充填開采的成敗與充填效果[7］。為展現(xiàn)充填開采技術(shù)的不同，對矸石充填、膏體充填、高水充填三種充填方式進(jìn)行對比，如表1所示。

表1 矸石、膏體、高水充填技術(shù)對比表

3.4 充填開采技術(shù)的制約因素

礦區(qū)采用充填開采的方式可以保護(hù)地表環(huán)境，并在對環(huán)境造成最小影響的前提下獲取煤炭資源，對于地表沉陷和環(huán)境破壞有十分有效的約束作用，但充填開采并不適用于所有礦區(qū)。主要有以下三點原因：一是充填開采投資大、建設(shè)周期長，充填開采技術(shù)應(yīng)用需要一定的資金投入和建設(shè)周期，制約了充填技術(shù)的推廣和發(fā)展。二是充填開采使原煤生產(chǎn)成本加大，除開采礦石的成本之外，還需要增加充填成本，對于煤質(zhì)差的礦井來說，充填開采使得原本就少的利潤更少。三是充填開采技術(shù)推廣宣傳不夠深入。

3.5 充填開采技術(shù)的發(fā)展前景

充填開采技術(shù)能夠較好地實現(xiàn)無煤柱護(hù)巷，減少煤炭資源的損失，擁有更好的發(fā)展趨勢和經(jīng)濟前景。我國自20世紀(jì)中葉首次采用充填開采方法以后，充填開采技術(shù)就一直倍受煤礦企業(yè)與科研部門的重視和關(guān)注。

4 高水速凝材料的特點及應(yīng)用

高水速凝材料是英國于20世紀(jì)80年代初期開發(fā)成功的一種新型膠凝材料。1985年，孫恒虎教授對高水材料開展研究，于1989年研究出中國第一代高水材料。當(dāng)高水材料正式投入生產(chǎn)使用后，廣泛應(yīng)用于煤礦開采區(qū)的回填、巷道支護(hù)、噴錨支護(hù)，有效解決了我國采礦業(yè)長期存在的煤礦沿空留巷支護(hù)和金屬礦膠結(jié)充填采礦等若干問題。高水材料在我國煤礦開采區(qū)中的應(yīng)用是采礦工藝的重大技術(shù)變革，具有巨大的經(jīng)濟效益和社會效益[12］。

4.1 高水速凝材料的制備及凝結(jié)特性

高水速凝材料是由甲、乙兩種料漿按一定比例調(diào)配而成。其中，甲料以特種水泥熟料為基料，與懸浮劑和復(fù)合超緩凝劑加水?dāng)嚢柚瞥?，乙料由石灰、石膏、懸浮劑和?fù)合速凝劑等加水?dāng)嚢柚瞥?。高水速凝材料具有良好的流動性能，甲、乙兩種料漿輸送或單獨放置可達(dá)24h以上不凝固，非常適合機械化泵送。同時，高水材料具有高含水特性，相比傳統(tǒng)混凝土，高含水性是較突出的特性。高水材料凝結(jié)時間有速凝和可調(diào)的特點，可通過配以不同的添加劑來調(diào)節(jié)凝固成結(jié)石體的時間。此外，高水速凝材料具有較高的早期強度。

4.2 高水速凝材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)特點

材料內(nèi)部的礦物成分及結(jié)構(gòu)是影響材料力學(xué)性質(zhì)的主要因素。由于高水材料是通過不同原料配制后發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而形成，其內(nèi)部成分及結(jié)構(gòu)與原材料相比可能會發(fā)生變化。高水材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要以針狀或柱狀的鈣礬石為主，伴有纖維狀的水化硅酸凝膠，隨著凝結(jié)時間延長，還會產(chǎn)生六方片狀的低硫型水化硫鋁酸鈣、絨球狀或片層狀的鋁膠和立方狀的水石榴石。

4.3 高水速凝材料的應(yīng)力-應(yīng)變曲線特點

單軸壓縮是材料強度測試的基本方法，該方法具有速度快、數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、變形特征明顯等優(yōu)點。通過單軸壓縮實驗對高水速凝材料進(jìn)行強度測試，材料在單軸軸向荷載的作用下，其軸向變形程度會隨荷載的增加而增加；與軸向垂直的橫向變形也會隨之增大。當(dāng)軸向荷載增加到試件承受荷載極限時，試件發(fā)生破壞。在此過程中，通過數(shù)據(jù)采集，可得到軸向荷載、軸向變形和橫向變形三組數(shù)據(jù)，對這三組數(shù)據(jù)計算處理后可以得到應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線，如圖2所示。

圖2 高水速凝材料單軸壓縮應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線

4.4 高水速凝材料的應(yīng)用

由于高水速凝材料具有良好的流動性、可泵性，且強度增長快、早期強度高，適用于礦山工程的充填和支護(hù)工作，因此高水速凝材料能較好地取代普通混凝土在礦山開采上的作用。目前，高水速凝材料已用于采空區(qū)的回填、巷道支護(hù)等工程；同時，在煤炭、黃金、有色金屬系統(tǒng)中也得到推廣應(yīng)用，并在石油工程、軟土地基加固、堵水防漏、地質(zhì)災(zāi)害防治等工程方向也有廣泛的應(yīng)用前景。

5 高水速凝材料在寧東礦區(qū)的應(yīng)用建議

5.1 寧東礦區(qū)現(xiàn)狀

寧東礦區(qū)地處毛烏蘇沙漠，是寧夏的一號工程。由于寧夏地理氣候條件較為特殊，寧東礦區(qū)的生態(tài)環(huán)境破壞嚴(yán)重，土地出現(xiàn)沙漠化。主要原因有兩點：一是礦區(qū)開采過程中地表會沉陷，導(dǎo)致地表形態(tài)發(fā)生變化，加劇水土流失，引起土地沙漠化；二是礦區(qū)開采過程中“三廢”排放，影響區(qū)域生態(tài)平衡，導(dǎo)致區(qū)域生態(tài)功能和生態(tài)環(huán)境質(zhì)量下降。因此，礦區(qū)開采不僅會產(chǎn)生環(huán)境問題，還會影響寧夏經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，加快綠色礦區(qū)建設(shè)勢在必行。

5.2 高水材料在寧東礦區(qū)的應(yīng)用

寧東礦區(qū)地處半荒漠化的干旱帶，地表自然植被脆弱，實施充填開采不僅能提高煤炭資源的回采率，還能保護(hù)生態(tài)環(huán)境，踐行“既要金山銀山，也要綠水青山”的理念。將高水速凝材料用于寧東礦區(qū)充填開采，也是煤炭資源綠色轉(zhuǎn)型的一種形式。

（1）高水速凝材料的制備因地制宜。寧東礦區(qū)分布有大量坑口電廠，產(chǎn)生了大量脫硫石膏固廢，將脫硫石膏烘干粉碎后摻入到高水速凝材料中，可以實現(xiàn)固廢的資源化利用。

（2）寧東礦區(qū)靠近半荒漠化地帶，具有豐富的沙漠砂資源，將沙漠砂作為細(xì)骨料混入到高水速凝材料中，可以減少水泥等固結(jié)材料的使用量。

（3）寧東礦區(qū)分布有大量煤化工企業(yè)，煤化工企業(yè)生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生大量非常類固廢，若對其進(jìn)行地下填充會對水資源造成污染，可以將部分沒有危害性的粉塵類固廢摻入到高水速凝材料中，實現(xiàn)固廢的資源化利用。

6 結(jié)束語

煤炭是不可再生能源，在儲量逐漸降低、生產(chǎn)利用成本加大、環(huán)境污染加劇的今天，采用煤炭綠色開采技術(shù)，對礦井綠色生產(chǎn)有重要意義。高水充填開采是煤礦綠色開采技術(shù)之一，利用高水材料置換永久損失煤柱，提高了礦產(chǎn)資源的回采率；對采空區(qū)進(jìn)行充填開采時也能有效控制煤層頂板覆巖變形、減小地表變形量、減少地表沉降。總之，高水充填開采是煤礦可持續(xù)發(fā)展的必由之路，可以實現(xiàn)經(jīng)濟效益、環(huán)境效益和社會效益三贏，形成開采與環(huán)境協(xié)調(diào)發(fā)展的新局面。