綜合機(jī)械化矸石膏體充填技術(shù)的研究

摘 要：建設(shè)煤礦綠色開采生態(tài)礦山是煤炭工業(yè)今后的發(fā)展方向，而生態(tài)礦山的建設(shè)最關(guān)鍵的技術(shù)就是綜合機(jī)械化充填采煤技術(shù)。文章主要對(duì)煤礦膏體充填技術(shù)進(jìn)行了研究，它不僅是防止煤礦開采引發(fā)各類環(huán)境破壞的重要技術(shù)措施，也是目前解決煤礦“三下”壓煤最為有效的方法。該技術(shù)不僅可以治理煤矸石、粉煤灰等造成的環(huán)境污染，還能實(shí)現(xiàn)廢物利用，在提高經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，保護(hù)了生態(tài)環(huán)境。膏體充填技術(shù)的核心是充填材料的性能，它的好壞直接決定著充填質(zhì)量的優(yōu)劣、充填成本的高低以及充填開采控制地表沉陷的效果。文章介紹了綜合機(jī)械化矸石膏體充填技術(shù)的定義、充填材料的制備、膏體充填材料的輸送系統(tǒng)以及充填液壓支架和充填工藝等，并根據(jù)目前膏體充填所存在的問題，提出了研究方向。

關(guān)鍵詞：綜合機(jī)械化；膏體充填；充填材料；液壓支架；充填工藝

世界上大部分的采煤國(guó)家都存在著大量的“三下”壓煤?jiǎn)栴}，德國(guó)、法國(guó)、波蘭等國(guó)家的煤礦都曾采用過充填法采煤，在緩解對(duì)環(huán)境污染的同時(shí)獲得了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效果。礦山充填技術(shù)的發(fā)展是為了滿足采礦工業(yè)的發(fā)展，充填采礦法至今已有數(shù)百年的時(shí)間了，在這漫長(zhǎng)的時(shí)間里，先后經(jīng)歷了廢棄物干式充填階段、水砂充填階段、細(xì)砂膠結(jié)充填階段和膏體充填、塊石砂漿膠結(jié)充填、全尾礦膠結(jié)充填、超高水充填等為代表的現(xiàn)代充填采礦階段，在慢慢改善環(huán)境保障充填效果的同時(shí)也取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。文章從膏體充填材料制備、充填材料的輸送系統(tǒng)、充填液壓支架和充填工藝四個(gè)方面來對(duì)綜合機(jī)械化矸石膏體充填技術(shù)進(jìn)行研究。

1 綜合機(jī)械化矸石膏體充填技術(shù)

矸石膏體充填的過程是一個(gè)先將矸石破碎加工，然后把矸石、粉煤灰、專用膠結(jié)料和水等四種物料按比例混合攪拌制成膏體漿液，再通過充填泵把膏體漿液輸送到井下充填工作面，充填由液壓充填支架和輔助隔離措施形成的封閉采空區(qū)空間的過程，整個(gè)充填工藝的流程可以分為矸石破碎、配比攪拌、管道泵送、充填體構(gòu)筑等四個(gè)最基本的環(huán)節(jié)。

2 膏體充填材料制備

2.1 充填材料配比

（1）流動(dòng)性能：新攪拌充填料漿的坍落度不小于180～220mm。

（2）可泵送時(shí)間：不小于4h，即從加水混合以后，靜置4h，仍然能夠正常泵送，這時(shí)候充填料漿無明顯分層，坍落度還保持在150～180mm以上。

（3）靜置泌水率：小于3%～5%。

（4）單軸抗壓強(qiáng)度：在實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)條件下，8～10h不小于0.1～0.2MPa，在28d內(nèi)不應(yīng)小于1.0～1.5MPa。

（5）煤矸石最大粒徑應(yīng)小于25mm，其中小于5mm部分占35～45%。

2.2 矸石破碎

根據(jù)到煤礦現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)地考察，破碎煤矸石粒徑級(jí)配考慮了兩種規(guī)格，小于5mm的煤矸石和5～25mm的煤矸石，經(jīng)過對(duì)兩種規(guī)格的煤矸石進(jìn)行反復(fù)的實(shí)驗(yàn)對(duì)比，得出以下結(jié)論：

（1）煤矸石最大粒度應(yīng)該小于25mm。

（2）在所有矸石中，小于5mm的顆粒所占比例應(yīng)在38%左右，這樣膏體充填材料的流動(dòng)性能最好，不管是早期和后期強(qiáng)度都相對(duì)較高，最少不能低于30%，最高不應(yīng)大于50%。

（3）用反擊式破碎機(jī)將矸石破碎到15mm左右以滿足充填，所需要的破碎機(jī)在出料口。寬度為40mm時(shí)破碎能力需要達(dá)到170t/h。

圖1 反擊式破碎機(jī)破碎能力與出料口寬度關(guān)系

2.3 配比攪拌

2.3.1 配比精度要求

根據(jù)材料配比實(shí)驗(yàn)，要使材料流動(dòng)性能穩(wěn)定，充填料漿的質(zhì)量濃度變化幅度要求必須嚴(yán)格控制在0.5%范圍內(nèi)。

2.3.2 配比攪拌工藝

煤矸石、粉煤灰、膠結(jié)料和水在使用前儲(chǔ)存方式是：破碎加工好的矸石存放在矸石配料倉(cāng)，粉煤灰、膠結(jié)料分別存放在各自的圓筒倉(cāng)內(nèi)，水存在蓄水池內(nèi)。

3 膏體充填材料輸送系統(tǒng)

攪拌機(jī)攪拌好的料漿先放入漿體緩沖斗，靠漿體自重給充填泵供料，經(jīng)充填泵加壓后的充填料漿通過管道，由充填鉆孔下井，再沿巷道管道輸送到充填工作面，在充填工作面采用膠管閥布料、控制采空區(qū)充填順序。為了避免管道堵塞，還需要在地面設(shè)立沉淀池、水溝，充填管每隔一段距離設(shè)置三通，防止充填管道和鉆孔發(fā)生堵塞。（見圖2）

3.1 流速選擇

膏體充填材料在管道輸送中的一個(gè)重要特點(diǎn)是無臨界流速，可以在很低的流速條件下長(zhǎng)距離輸送，漿體的速度過高，料漿流動(dòng)需要克服的水力坡降大，管道磨損速度也快，增大能量消耗，流速過小則充填能力不能滿足生產(chǎn)需要或需要增加充填管道內(nèi)徑。

3.2 干線充填管道內(nèi)徑和工作壓力

3.2.1 管道內(nèi)徑的確定

煤礦對(duì)充填能力的要求要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于金屬礦山的要求，管道內(nèi)徑的選擇跟系統(tǒng)充填能力和系統(tǒng)設(shè)計(jì)流速有關(guān)，根據(jù)下面公式可計(jì)算出充填管道允許的最小內(nèi)徑：

；

其中Qj是充填系統(tǒng)能力，vj為流速。

3.2.2 充填系統(tǒng)最大工作壓力

充填系統(tǒng)壓力與充填料漿的流動(dòng)性能、充填系統(tǒng)管路長(zhǎng)度成正比關(guān)系。根據(jù)煤礦實(shí)際需要充填開采的工作面情況，折算出最遠(yuǎn)時(shí)的水平距離L0，并考慮充填系統(tǒng)啟動(dòng)的壓力P1，充填系統(tǒng)的最大工作壓力如下所示：

P0=P1+L0·i-△H·v

4 膏體充填支架

煤礦充填開采中，“全采全充”綜采的順序是“采煤-充填-凝固/檢修”。因此，研制膏體充填液壓支架必須滿足以下基本要求：（1）工作面采煤作業(yè)空間以及待充填空間頂板支護(hù)；（2）在充填液壓支架前移的同時(shí)，確保還能夠繼續(xù)保持對(duì)未凝固化新充填體有支護(hù)作用；（3）在充填過程中，液壓支架要起到隔離充填區(qū)的作用，確保采煤與充填在平行作業(yè)的時(shí)候?qū)Ρ舜擞绊懶　８鶕?jù)上述要求，研制了采充一體化液壓支架，如圖3和圖4所示。endprint

如圖3、圖4所示，膏體充填液壓支架為四柱支撐式，其頂梁設(shè)有前伸縮梁、后伸縮尾梁和護(hù)幫板，采取了特殊的四連桿掩護(hù)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將隔離板與四連桿機(jī)構(gòu)有機(jī)的結(jié)合起來，同時(shí)配合輔助放漏措施，這樣的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了采煤與充填作業(yè)空間頂板一體支護(hù)且能起到隔離墻的作用。

5 膏體材料充填技術(shù)工藝

膏體材料充填是一個(gè)將煤矸石、膠結(jié)料、粉煤灰和水等按照一定比例混合、攪拌，用充填泵輸送到井下充填采空區(qū)的過程，其具體的充填工藝流程如圖5所示。

圖5 膏體材料充填工藝

（1）將矸石破碎后，加入新型膏體膠結(jié)料作固化劑，制成膏體材料，通過泵壓管道輸送到采空區(qū)。

（2）矸石膏體配比濃度應(yīng)大于80%，這樣流動(dòng)性強(qiáng)，泵送時(shí)間應(yīng)為2.5小時(shí)左右。

（3）膏體材料的初凝時(shí)間為4小時(shí)；其充實(shí)率約為90%。

6 研究展望

膏體充填開采是解決“三下”壓煤?jiǎn)栴}，控制地表淪陷，提高采出率的有效技術(shù)途徑，也是使固體廢棄物資源化、無害化的有效手段，是綠色開采技術(shù)的重要組成部分。由于煤礦膏體充填技術(shù)在我國(guó)發(fā)展尚未完全成熟，有許多問題需要研究解決。

（1）由于煤礦膏體充填技術(shù)是以煤矸石等大量固體廢棄物為充填原料，形成的充填體是否對(duì)地下水環(huán)境造成影響及影響有多大，這個(gè)方面需要進(jìn)行深入研究。（2）充填管道磨損嚴(yán)重，我們必須對(duì)充填系統(tǒng)進(jìn)行研究，進(jìn)行優(yōu)化，從而降低管道磨損程度，延長(zhǎng)其工作年限。（3）必須進(jìn)一步研究膏體充填材料的力學(xué)特性，從而保證充填體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

[1]孫凱年.我國(guó)充填采礦法綜述[A].第2屆冶金礦山采礦技術(shù)進(jìn)展報(bào)告會(huì)論文集[C].北京：中國(guó)金屬學(xué)會(huì)，1991.

[2]王爵鶴，佘固吾.充填采礦技術(shù)飛速發(fā)展的十年[J].長(zhǎng)沙礦山研究院季刊，1991，11（1）：8～14.

[3]周愛民.我國(guó)礦山充填技術(shù)的最新進(jìn)展[A].有色金屬學(xué)會(huì)首屆青年年會(huì)論文集[C].北京：中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)，1994，12.

[4]高士田.我國(guó)礦山膠結(jié)充填技術(shù)現(xiàn)狀及改進(jìn)方向[J].有色礦山，1996（4）：1～4.

[5]劉同友，周成浦.我國(guó)充填采礦技術(shù)新進(jìn)展（1990～1994年年評(píng)報(bào)告）[J].金川科技，1995（5）：1～5.

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[8]何哲祥，謝開維，張長(zhǎng)青.活化攪拌技術(shù)及其在礦山充填中的應(yīng)用[J].黃金，2000，21（9）：18～20.

[9]葉奧文.銅坑錫礦磨砂膠結(jié)充填質(zhì)量評(píng)估[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，1996，16（4）：5～8.

作者簡(jiǎn)介：尚磊，學(xué)校：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），專業(yè)：控制理論與控制工程，班級(jí)：2012級(jí)碩2班。endprint

如圖3、圖4所示，膏體充填液壓支架為四柱支撐式，其頂梁設(shè)有前伸縮梁、后伸縮尾梁和護(hù)幫板，采取了特殊的四連桿掩護(hù)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將隔離板與四連桿機(jī)構(gòu)有機(jī)的結(jié)合起來，同時(shí)配合輔助放漏措施，這樣的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了采煤與充填作業(yè)空間頂板一體支護(hù)且能起到隔離墻的作用。

5 膏體材料充填技術(shù)工藝

膏體材料充填是一個(gè)將煤矸石、膠結(jié)料、粉煤灰和水等按照一定比例混合、攪拌，用充填泵輸送到井下充填采空區(qū)的過程，其具體的充填工藝流程如圖5所示。

圖5 膏體材料充填工藝

（1）將矸石破碎后，加入新型膏體膠結(jié)料作固化劑，制成膏體材料，通過泵壓管道輸送到采空區(qū)。

（2）矸石膏體配比濃度應(yīng)大于80%，這樣流動(dòng)性強(qiáng)，泵送時(shí)間應(yīng)為2.5小時(shí)左右。

（3）膏體材料的初凝時(shí)間為4小時(shí)；其充實(shí)率約為90%。

6 研究展望

膏體充填開采是解決“三下”壓煤?jiǎn)栴}，控制地表淪陷，提高采出率的有效技術(shù)途徑，也是使固體廢棄物資源化、無害化的有效手段，是綠色開采技術(shù)的重要組成部分。由于煤礦膏體充填技術(shù)在我國(guó)發(fā)展尚未完全成熟，有許多問題需要研究解決。

（1）由于煤礦膏體充填技術(shù)是以煤矸石等大量固體廢棄物為充填原料，形成的充填體是否對(duì)地下水環(huán)境造成影響及影響有多大，這個(gè)方面需要進(jìn)行深入研究。（2）充填管道磨損嚴(yán)重，我們必須對(duì)充填系統(tǒng)進(jìn)行研究，進(jìn)行優(yōu)化，從而降低管道磨損程度，延長(zhǎng)其工作年限。（3）必須進(jìn)一步研究膏體充填材料的力學(xué)特性，從而保證充填體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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[6]Tajima Y. [The repaired filling： gold inlay to amalgam].. [J].Hiroshima Daigaku Shigaku Zasshi，1982，14（1）.

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[8]何哲祥，謝開維，張長(zhǎng)青.活化攪拌技術(shù)及其在礦山充填中的應(yīng)用[J].黃金，2000，21（9）：18～20.

[9]葉奧文.銅坑錫礦磨砂膠結(jié)充填質(zhì)量評(píng)估[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，1996，16（4）：5～8.

作者簡(jiǎn)介：尚磊，學(xué)校：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），專業(yè)：控制理論與控制工程，班級(jí)：2012級(jí)碩2班。endprint

如圖3、圖4所示，膏體充填液壓支架為四柱支撐式，其頂梁設(shè)有前伸縮梁、后伸縮尾梁和護(hù)幫板，采取了特殊的四連桿掩護(hù)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將隔離板與四連桿機(jī)構(gòu)有機(jī)的結(jié)合起來，同時(shí)配合輔助放漏措施，這樣的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了采煤與充填作業(yè)空間頂板一體支護(hù)且能起到隔離墻的作用。

5 膏體材料充填技術(shù)工藝

膏體材料充填是一個(gè)將煤矸石、膠結(jié)料、粉煤灰和水等按照一定比例混合、攪拌，用充填泵輸送到井下充填采空區(qū)的過程，其具體的充填工藝流程如圖5所示。

圖5 膏體材料充填工藝

（1）將矸石破碎后，加入新型膏體膠結(jié)料作固化劑，制成膏體材料，通過泵壓管道輸送到采空區(qū)。

（2）矸石膏體配比濃度應(yīng)大于80%，這樣流動(dòng)性強(qiáng)，泵送時(shí)間應(yīng)為2.5小時(shí)左右。

（3）膏體材料的初凝時(shí)間為4小時(shí)；其充實(shí)率約為90%。

6 研究展望

膏體充填開采是解決“三下”壓煤?jiǎn)栴}，控制地表淪陷，提高采出率的有效技術(shù)途徑，也是使固體廢棄物資源化、無害化的有效手段，是綠色開采技術(shù)的重要組成部分。由于煤礦膏體充填技術(shù)在我國(guó)發(fā)展尚未完全成熟，有許多問題需要研究解決。

（1）由于煤礦膏體充填技術(shù)是以煤矸石等大量固體廢棄物為充填原料，形成的充填體是否對(duì)地下水環(huán)境造成影響及影響有多大，這個(gè)方面需要進(jìn)行深入研究。（2）充填管道磨損嚴(yán)重，我們必須對(duì)充填系統(tǒng)進(jìn)行研究，進(jìn)行優(yōu)化，從而降低管道磨損程度，延長(zhǎng)其工作年限。（3）必須進(jìn)一步研究膏體充填材料的力學(xué)特性，從而保證充填體的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

參考文獻(xiàn)

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[2]王爵鶴，佘固吾.充填采礦技術(shù)飛速發(fā)展的十年[J].長(zhǎng)沙礦山研究院季刊，1991，11（1）：8～14.

[3]周愛民.我國(guó)礦山充填技術(shù)的最新進(jìn)展[A].有色金屬學(xué)會(huì)首屆青年年會(huì)論文集[C].北京：中國(guó)有色金屬學(xué)會(huì)，1994，12.

[4]高士田.我國(guó)礦山膠結(jié)充填技術(shù)現(xiàn)狀及改進(jìn)方向[J].有色礦山，1996（4）：1～4.

[5]劉同友，周成浦.我國(guó)充填采礦技術(shù)新進(jìn)展（1990～1994年年評(píng)報(bào)告）[J].金川科技，1995（5）：1～5.

[6]Tajima Y. [The repaired filling： gold inlay to amalgam].. [J].Hiroshima Daigaku Shigaku Zasshi，1982，14（1）.

[7]Jimenez Porras R. [Class V cavity preparation and filling with"Goldent"cohesive gold]..[J].Revista odontológica de Costa Rica，1973（9）.

[8]何哲祥，謝開維，張長(zhǎng)青.活化攪拌技術(shù)及其在礦山充填中的應(yīng)用[J].黃金，2000，21（9）：18～20.

[9]葉奧文.銅坑錫礦磨砂膠結(jié)充填質(zhì)量評(píng)估[J].礦業(yè)研究與開發(fā)，1996，16（4）：5～8.

作者簡(jiǎn)介：尚磊，學(xué)校：中國(guó)礦業(yè)大學(xué)（北京），專業(yè)：控制理論與控制工程，班級(jí)：2012級(jí)碩2班。endprint