膏體充填特點及其現狀分析

摘要:介紹了膏體充填采礦法在國內外的發展現狀及技術上可行，經濟上合理，安全上可靠和具有可持續發展的優點，概述了膏體充填的特點和各種充填法的比較。

關鍵詞:膏體充填技術工藝環保先進

0 引言

綠色采礦是采礦發展的必然趨勢。采用無尾礦充填采礦法，可以提高礦物回采率，減少對地面土地的貧化率，充分利用資源，有效控制地壓，房屋和地表塌陷和可在“三下”開采等優點，膏體充填工藝技術也在充填采礦法不斷改造與發展的過程中得到創新與發展。

1 膏體充填

所謂膏體充填就是把煤礦尾礦矸石山的煤矸石、劣質土和電廠的尾料粉煤灰等固體廢物在地面加工成的膏狀漿體，利用高密度固體充填泵和重力的作用下通過管道泵送到井下工作面，適時充填采空區的采礦方法。膏體充填的關鍵是要在井下工作面采空區形成以膏體料漿為主的覆巖支控體系，實時而有效控制地表開采沉陷在建筑物允許值范圍內，保護地下水體不受破壞，提高煤炭資源采出率，改善礦山安全生產條件的目的，此工藝技術上可行，經濟上合理、安全上可靠，被譽為21世紀綠色開采新技術。

2 膏體充填技術特點

2.1 濃度高 一般膏體充填材料質量濃度>75%，目前最高濃度達到88%。而普通水砂充填材料濃度低于65%，如，我國阜新礦區水砂充填水砂比，新平安礦為2.7:1~5.3:1，新邱一坑為1.2:1~2.1:1，高德八坑為2:1，按照質量濃度小于50%。

2.2 流動狀態為柱塞結構流。水砂充填料漿管道輸送過程中呈典型的兩相紊流特征，管道橫截面上漿體的流速為拋物線分布，從管道中心到管壁，流速逐漸由大減小為零，而膏體充填料漿在管道中基本是整體平推運動，管道橫截面上的漿體基本上以相同的流速流動，稱之為柱塞結構流。

2.3 料漿要求不沉淀、不泌水、不離析。膏體充填材料這個特點非常重要，而要達到這三個標準，就必須時刻把握原料的所有參數，要搞好充填泵送系統的過程控制，井上井下協調配合，積極應對充填工藝中出現的各種問題，才能達到料漿要求。

2.4 無臨界流速。最大顆粒料粒徑達到25mm，流速小于1m/s仍然能夠正常輸送。

2.5 膏體充填體壓縮率低。一般水砂充填材料(包括人造砂)壓縮率為10%左右，級配差的甚至達到20%，水砂充填地表沉陷控制程度相對較差，通常水砂充填地表沉陷系數為0.1~0.2(新汶礦區水砂充填地表沉陷系數為0.13~0.17)，許多條件尚需要與條帶開采結合，留設條帶煤柱才能夠達到保護地表建筑物的目的。而膏體充填材料中固體顆粒之間的空隙由膠結料和水充滿，一般壓縮率只有1%左右，控制地表開采沉陷效果好，“三下一上”壓煤有條件得到最大限度的開采出來。

3 膏體充填的研究現狀

膏體充填最初來源于金屬礦山，是1979年德國在格倫德鉛鋅礦首先發展起來的第四代先進充填技術。

世界上記載有計劃的礦山充填已經有近百年的發展歷史，經歷了廢石干式充填、水砂充填、低濃度膠結充填、高濃度充填/膏體充填等四個發展階段:

第一個階段，20世紀40年代以前，以廢石干式充填為代表，充填的目的是處理廢棄物。如澳大利亞塔斯馬尼亞芒特萊爾礦和北萊爾礦在20世紀初進行的廢石干式充填;中國20世紀50年代初期廢石干式充填成為金屬礦山的主要采礦方法之一，1955年在地下開采的有色金屬礦山中廢石干式充填占38.2%，

第二階段，20世紀40~50年代，以水砂充填為代表。澳洲一些地下金屬礦山，以水力充填取代了早期使用的干式充填。1969年澳大利亞科學與工業研究院開展了機械落礦充填采礦法的相關問題研究，10余年后在水力充填等領域取得了顯著成績。水砂充填在國內外煤礦一度作為解決地表開采沉陷，保護建(構)筑物的主要方法，曾經得到比較廣泛的應用。世界上水砂充填最先進、應用最好的是波蘭。1967年波蘭水砂充填法采煤占到總產量的50.2 %，波蘭吳杰克煤礦(Wujek)是歐洲最大的水砂充填礦井，年產量220萬t/a，水砂充填產煤量占70 %，充填管線最長達4.5 km，1952年以后水砂充填逐漸在撫順、扎賚諾爾等地推廣應用。目前山東濟寧的太平煤礦用水沙充填。

第三階段，20世紀60~70年代，以低濃度尾砂膠結充填為代表。代表礦有澳大利亞芒特艾薩礦，該礦在20世紀60年代采用低濃度尾砂膠結充填工藝回采底柱。1977年芒特艾薩礦與新南威爾士大學礦業學院合作研究出了低成本膠結充填技術。由于非膠結的水砂充填體不能自穩，難以滿足采礦工藝高回采率和低貧化率的需要，在水砂充填工藝得以發展和推廣應用以后，開始發展采用尾砂膠結充填技術。20世紀70年代中國凡口鉛鋅礦、招遠金礦和焦家金礦率先應用細砂膠結充填。目前，中國有20多座金屬礦山應用細砂膠結充填。

第四階段，20世紀80~90年代，以高濃度、膏體充填為代表。1979年德國在格倫德鉛鋅礦為了克服低濃度膠結充填泌水嚴重等，在世界上首次試驗成功膏體充填技術。膏體充填技術在德國試驗成功以后，逐漸在南非、英國、美國、摩洛哥、俄羅斯、加拿大、澳大利亞、葡萄牙、坦桑尼亞、土爾其等世界主要采礦國家的金屬礦山得到發展和應用。1991年德國礦冶技術公司與魯爾煤炭公司合作，把膏體材料充填技術應用到沃爾薩姆煤礦，試驗工作面煤層厚度1.5m，采深1000m，所用膏體充填材料由粉煤灰、浮選矸石、破碎巖粉等制成，無膠結料，物料的最大粒徑小于5mm，質量濃度達到76%~84%。中國1994年在金川有色金屬公司二礦區建成第一條膏體泵送充填系統，以后有銅綠山銅礦、湖田鋁土礦、咯拉通克銅礦等也建設了膏體充填泵送系統。

4 國內的成功地案例

現在山東濟寧太平煤礦設計了中國煤礦第一個膏體充填系統，主要是水沙充填。該膏體充填系統于2006年5月正式投入使用，膏體充填開采技術，煤層布置分層長壁工作面開采，開采過程中沿空留巷，工作面之間無煤柱，采出率提高到90%以上。截止到2007年10月太平煤礦充填量累計20多萬m3，安全采出煤炭30多萬t，2007年11月通過了山東省科技廳組織的專家論證。

冀中能源峰峰集團小屯煤礦膏體充填工業性試驗，主要骨料是矸石料是選擇在該礦14259頂分層工作面。該首試工作面傾斜長度120m，推進長度500余m，以平均采高2.8m計算，已經采出煤量約40萬噸。

在建的山東濟寧岱莊煤礦膏體充填系統，能力更強，壓力更大，充填泵送系統的輸送能力達到150m3，最大輸送壓力達到14Mp是迄今為止我國最大的泵送系統。本項目研究成功以后，不僅為解決岱莊煤礦及濟北礦區不遷村開采難題，最大限度地采出煤炭資源，延長礦井服務年限，更重要的是為解放我國煤礦大量村莊等建筑物占壓的煤層發展、形成一套 “高采出率、環境協調、高效安全”的新型不遷村膏體充填開采技術，這是一項具有十分重要的經濟、社會和環保意義的極富挑戰性的開創性工作。

5 結語

我國是一個能源豐富的國家，采礦是擔負著極其艱巨的任務，而在煤炭采煤的過程中，觀念和理念也在逐步地發生變化，煤礦開采從最初的追求產量到保護性開采，再到綠色開采，先進技術的進入和自動化程度的升高是煤礦實現可持續發展的動力和基礎，再次基礎上的先進開采技術也在經歷著前所未有的革命，也必將為我國的開采技術積累大量的資料，對完成煤礦開采的技術儲備起到積極的作用，而膏體充填也將是一朵奇葩，在21世紀嬌艷地綻放。