煤矿膏体充填开采工艺的探讨瞿群迪,周华强,侯朝炯,关明亮(中国矿业大学能源科学与工程学院,江苏徐州　221008)摘　要:根据煤矿绿色开采的发展要求和村庄压煤开采的迫切性,提出了膏体充填不迁村采煤技术。

通过研制专用膏体充填胶结料和选择廉价的充填材料,大幅度降低了膏体充填成本,提出了适合煤矿应用的膏体充填方法,并结合某矿条件介绍了煤矿膏体充填开采的具体工艺流程。

关键词:膏体充填;不迁村采煤;充填工艺中图分类号:T D853134 文献标识码:B 文章编号:0253-2336(2004)10-0067-03 Discussion on mining technology with paste back filling in mineQU Qun2di,ZH OU Hua2qiang,H OU Chao2jiong,G UAN Ming2liang(School o f Energy Science and Engineering,China Univer sity o f Mining and Technology,Xuzhou　221008,China) 中国矿业大学钱鸣高院士最近提出了煤矿绿色开采技术[1],充填开采技术是绿色开采技术的重要组成部分,是解决煤矿开采环境问题的理想途径。

当前,研究解决村庄等建筑物下大量压煤开采,实现不迁村采煤更应受到重视。

我国村庄压煤具有量大面广的特点,人口密集的河南、河北、山东、安徽、江苏五省压煤的村庄达1094个,住户11万户,占我国村庄总压煤量的55%以上,仅兖州矿业集团109个村庄压煤就达515亿t[2]。

村庄下压煤开采涉及到土地、环境保护、工农关系等社会各方面问题。

目前,从村庄下采出的煤量仅占其压煤可采储量的4%,其中75%以上还是靠搬迁村庄之后采出来的,而村庄搬迁费、塌陷土地赔偿费已达到20万元/户[3,4],并且对矿区环境造成了严重破坏。

1　传统的不迁村采煤方法 村庄等建筑物下的大量压煤不仅造成煤炭资源的巨大浪费,并且严重制约矿井的正常生产和接续。

通过几十年的努力,村庄下采煤技术的整体水平有了较大的提高。

目前,能实现不迁村采煤的主要方法是条带开采和充填开采,特别是两者的有机结合。

条带开采是控制地表移动和变形的最有效方法之一。

其最大优点是在不改变采煤工艺的前提下,较大幅度地减少地表沉降,在无法采取其它措施的条件下采出部分建筑物下压煤,最大缺点是采出率低,资源浪费严重,且生产效益较低[5]。

充填开采是实现不迁村采煤、提高煤炭采出率的最有效途径,以水砂充填开采应用最多,效果也最好。

波兰采用以水砂充填为主的充填法采出了建筑物下压煤总量的80%,我国抚顺、阜新、新汶等矿区也应用了该项技术并取得了较好的技术效果。

但水砂充填开采存在工艺复杂、不利于机械化生产、效率低、成本高等问题[6,7],近十多年来,国内几乎未用该技术来开采村庄下压煤。

2　膏体充填技术在煤矿应用的可行性 在水砂充填基础上发展起来的膏体充填技术,在煤矿应用很少(只在德国M onopol、Walsum等煤矿得到应用),但其特有的技术优势使得该项技术在金属矿山得到了快速发展,并已成为21世纪金属矿山充填技术的一个重要发展方向[8]。

我国金川有色金属公司、大冶铜绿山铜矿也先后从20世纪90年代开始应用膏体充填技术,并取得了较好的技术经济效果。

要解决煤矿开采对水资源、土地资源、建筑物等造成的破坏,特别是当前亟待解决的不迁村采煤问题,应用膏体充填技术是最理想的方法之一,但在煤矿应用膏体充填技术与金属矿山又有较大差别。

一方面,金属矿山工作面围岩较稳定完整,充填作业一般是在工作面回采结束后一次完成的,且对充填体的早期强度无特别要求;而煤层顶板的稳定性较差,充填作业必须与采煤作业协调进行,一般要求在直接顶主体尚未垮落前及时充填采空区,并要求充填体有一定的早期强度,形成一个以膏体充填体为主体的支撑体系,从而有效控制岩层移动与变形。

这就要求解决膏体充填系统与煤矿开采系统的协调问题,而在膏体充填料浆的制备和输送等方面则可借鉴金属矿山的有关工艺。

另一方面,目前金属矿山膏体充填成本较高,一般金属矿要求充填体最终抗压强度大于4MPa,水泥用量200～250kg/m3,成本80元/m3左右,这是煤矿难以承受的。

因此,只有降低膏体充填成本,膏体充填技术在煤矿才有生命力。

降低膏体充填成本的主要途径为:①采用来源广泛的廉价固体废弃物,降低充填材料的单位成本;②基于岩层控制的关键层理论,确定膏体充填不迁村采煤对充填体力学特性的合理要求及合理充填量,从而降低对充填体的强度要求和减少充填材料用量。

最近研制了P L和S L两个系列复合膏体充填胶结料,能够满足不同条件矿山膏体充填工程的需要,并具有以下显著特点:①能够与含泥量高的各种集料正常凝结固化,为最大限度地应用各种固体废弃物创造了十分有利的条件;②在极少用量条件下(胶结料含量一般2%～5%)就能使制作的膏体料浆形成所需强度的固化体,并且早期强度高,后期强度持续增长;③生产成本低。

根据金属矿山膏体充填的情况,充填胶结料和其它充填材料的成本分别要占充填总成本的60%和30%左右,因此,P L和S L两个系列复合胶结料为减少膏体充填胶结料用量、采用廉价的充填材料,从而大幅度降低膏体充填成本创造了有利的技术条件。

根据华东地区2个煤矿的试验,膏体充填开采增加吨煤成本分别为17187元(部分充填)和20172元(全部充填),低于搬迁村庄所增加的成本。

因此,采用膏体充填技术解决村庄压煤开采问题在经济上是可以接受的,而在工艺方面,可以借鉴金属矿山膏体充填和煤矿水砂充填的成功经验。

3　煤矿膏体充填工艺 煤矿膏体充填就是把煤矿就近的煤矸石、粉煤灰、工业炉渣等固体废弃物制作成不需脱水的膏状浆体,通过泵压或重力作用,经过管道输送到井下,适时充填采空区的方法。

根据煤层赋存条件的不同,对采空区充填程度的要求也不同,煤矿膏体充填可以分为全部充填、短壁间隔充填、长壁部分充填、离层区充填,冒落采空区充填等方法。

煤矿膏体充填工艺流程分为材料准备、配料制浆、管道泵送、工作面充填等四大部分,图1为华东某矿设计的膏体充填系统工艺流程。

图1　膏体充填系统工艺流程311　材料准备 煤矿膏体充填材料主要为煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、城市固体垃圾、劣质砂等固体废弃物。

对于粒度较小的材料经过简单处理(筛除大于20mm 的块料及线状杂物等)就可进入料仓备用,当采用煤矸石等大块材料时,还需对其进行适当的破碎处理。

为了降低胶结料用量,还可以对部分粉煤灰采用机械磨细和碱性激发等手段激发粉煤灰的化学活性。

膏体充填胶结料通过风力输送到胶结料仓备用,充填用水由水泵从水池或水井泵送至搅拌机。

312　配料制浆 煤矿膏体充填材料中胶结料掺量极少,按照一般混凝土的概念,是一种“极贫”混凝土,必须按照设计的浓度,以及各种材料的配比准确制备充填浆体,并充分混合均匀,才能够保证充填材料流动性能、凝结固化性能,井下回采工作面充填才能够达到预期的地表沉陷控制目标。

根据材料配比实验,要使材料流动性能稳定,充填料浆的重量浓度变化范围必须控制在015%以内,这要求物料称量的误差小于±2%。

为保证充填料浆的配置质量,采取了以下技术措施:①批次配料,每种材料在静态条件下称重计量;②采用先进、稳定性能好的高精度称重传感器;③配料系统采用工控微机和P LC可编程控制器控制,配料过程实现程序化、自动化。

另外,受充填成本的限制,不可能对充填材料进行脱泥、脱水等处理,不同地点、不同时间所取充填材料的含泥量、含水量不可避免有较大的变化和波动,这些变化将影响充填料浆的重量浓度。

为了保证膏体充填材料流动性能、强度性能稳定,需要快速、准确测定河砂、粉煤灰的质量变化,并及时调整配比。

根据煤矿膏体充填材料的特点,选择周期式混凝土搅拌机强制搅拌,加料、搅拌、出料按周期进行循环作业,因而易于控制配比和搅拌质量。

313　管道泵送 膏体充填料浆采用混凝土泵加压管道输送。

搅拌机搅拌好的料浆先进入浆体缓冲斗,再靠浆体自重向充填泵进料斗加料,经充填泵加压后的膏体料浆通过充填管,经过充填站附近的充填钻孔下井,再沿在巷道布设的充填管输送到充填工作面,在充填工作面采用液压转换阀控制采空区充填顺序。

充填泵和充填管的选择应根据充填能力、充填管线长度、膏体料浆特性、流速等综合确定。

膏体充填料浆在管道输送中的一个重要特点是无临界流速,可以在很低的流速条件下长距离输送。

流速过高,料浆流动需要克服的水力坡降大,管道磨损速度也大,对泵送压力的要求也高;流速过小,则充填能力不能满足生产需要。

一般膏体充填系统设计流速017～110m/s。

314　工作面充填 膏体充填系统与煤矿开采系统的协调是煤矿膏体充填开采必须解决的关键问题,由于采用膏体充填开采解决不迁村采煤在国内外还属首次,如采用综采膏体充填工艺需要设计专门的液压支架,项目的投资及风险都较大,因此在试验初期采用普采膏体充填工艺为宜。

普采工作面进行膏体充填,首先必须在工作面控顶区与待充填区之间构筑一道隔离墙,形成一个“封闭”的待充填空间,为实现这一目标提出了塑料编织布隔离、组合式钢质模板隔离二个方案。

塑料编织布隔离与传统水砂充填的设置砂门子相似,国外波兰胶结水砂充填也采用塑料编织布作隔离墙,此方案可以进一步减少项目的初期投资。

专门设计的组合式钢质模板及其与单体液压支柱、金属铰接顶梁的连接件可以和单体液压支柱、金属铰接顶梁配合形成具有隔离充填料浆、高度和倾斜调节功能、拆装方便的隔离墙。

钢质模板具有足够的刚度和强度,能重复使用,也可以降低膏体充填体的构筑成本。

图2为普采膏体充填工作面布置示意图。

图2　普采膏体充填工作面布置 组合式钢质模板安装完成后,通过沿工作面按一定间隔布置与工作面充填管路相连的布料管向待充填空间充入膏体充填料浆。

工作面正常充填程序如下:(1)检查准备,确保系统正常、设备完好。

在前一充填循环完成以后,管道内应该保持充满清水,新的充填循环应该在这种条件下正常开展工作,否则,必须先泵送清水,直到输送管道内充满清水以后,才能够进入正常充填作业程序。

(2)实施“浆推水”。

在泵送膏体料浆前,先利用清管器在充填管道中装入清洗球,然后开动充填泵,使清洗球前面是清水,后面是浆体,清水通过泵压经充填管路排到采区巷道的排水沟内,当清洗球出管后,利用液压转换阀使充填料浆经工作面充填管路充入待充填空间。

(3)轮流充填。

充填管路内清水排尽后,充填料浆通过工作面充填布料管按一定间隔时间轮流充填待充填空间,直到充填完毕,充填管切换的间隔时间应根据膏体料浆可泵时间、充填点有效范围内浆体充满程度等综合考虑。

(4)实施“水推浆”。