矸石-粉煤灰廢棄材料在采空區充填中的應用

劉恒祥 李小龍 李子煜 賈傳洋

摘? 要：煤矸石、粉煤灰為生活中常見的廢棄物，為避免廢棄物提升到地面集中堆放，減少對地面環境的影響，實現廢棄材料合理利用的目標，通過優化充填材料配比與配合材料運輸環節，完善充填系統與工藝，探索矸石-粉煤灰廢棄材料充填新方法，最終實現“三下”壓煤的充填置換開采，延長礦井服務年限，逐漸消滅礦井矸石山，達到綠色環保開采的總體目標。

關鍵詞：矸石? 粉煤灰? 配合比? 泵送? 充填

中圖分類號：TD265? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）11（c）-0018-03

Application of Gangue-fly Ash Waste Material in Goaf Filling

LIU Hengxiang1? LI Xiaolong2? LI Ziyu1? JIA Chuanyang1*

（1.College of Civil Engineering and Architecture， Linyi University， Linyi， Shandong Provnice， 276000 China;2.Shendong Ulan Mulun Coal Mine， Ordos， Inner Mongolia Autonomous Region， 017000 China）

Abstract： Coal gangue and fly ash are common wastes in daily life. In order to avoid the wastes being raised to the ground for centralized storage， reduce the impact on the ground environment， and achieve the goal of rational use of waste materials. By optimizing the proportion of filling materials and the transportation of matching materials， improving the filling system and technology， and explore new methods for filling gangue-fly ash waste materials. Finally， the ultimate realization of the three-underground mining filling and replacement mining， extend the service life of the mine， and the gradual elimination and cancellation of mine gangue hills to achieve the overall goal of green mining.

Key Words： Gangue; Fly ash; Mixing ratio; Pumping; Filling

我國是煤炭開采量和使用量大國，煤矸石是煤炭開采的主要廢棄物[1-5]，煤矸石從井下運輸到地面不僅造成礦井提升運力的緊張和浪費，煤矸石在地面堆積也影響地面矸石堆放區及其周圍的生態環境，占用大量土地和污染土壤，如圖1所示。同時，礦區三下（村莊下、水下、公路鐵路下）壓煤嚴重，影響采場接續，另外煤矸石大量的采出也造成采場空間的擴大，巖層移動和地表沉陷加劇，若能實施矸石充填采空區，用矸石置換煤，控制地表下沉，實現井下產生的矸石不上井，既是實現節能減排，創建資源節約型、環境友好性社會的需要，也是延長礦井開采壽命、有效利用資源、解決“三下”壓煤開采難題及實現礦井持續發展的重要手段。

1? 充填材料來源

1.1 煤矸石

煤矸石就地取材，煤礦開采過程中掘進率高，煤矸石排出量大，矸石的主要來源為半煤巖施工回采巷道及部分準備巷道。煤矸石以中細塊為主，有少量大塊。根據充填材料泵送要求，矸石粒度須小于30mm，煤矸石經碎石機破碎后，經篩板使粗細顆粒滿足泵送條件，未達到要求的進行二次破碎。粒徑配合比例為：細骨料（<10mm）占總骨料級配的70%，且細粉狀（<0.1mm）比例大于20%，10～30mm占總骨料級配的30%。

1.2 粉煤灰

煤礦周邊配有發電廠，粉煤灰來源充足，對于泵送充填材料，粉煤灰具有重要作用。粉煤灰的主要化學成分為SiO2、Al2O3及CaO，可替代部分水泥用量，降低充填成本，摻入粉煤灰使得不同粒徑級配的煤矸石密實、滑潤以及充填料更易膠結。不同電廠粉煤灰的質量差別較大，應選粒度細的粉煤灰，Ⅱ級以上的粉煤灰制成的矸石充填料質量較好，易泵送且膠結強度高。粉煤灰技術指標如表1所示。

2? 材料配比試驗

2.1 配比設計要求

為了滿足配合材料遠距離輸送要求，采用礦用矸石充填泵進行管道輸送，為了達到充填材料泵送目的，充填材料需滿足穩定性、可塑性、流動性及長距離可泵性，使矸石-粉煤灰配合材料順利流過輸送管道，矸石充填料不離析、不阻塞[6]。

2.2 配合比選擇

根據充填用途不同，充填料可用矸石、水泥、粉煤灰、外加劑進行配比。結合相應工程施工經驗，在不加減水劑的情況下，為滿足矸石充填料泵送要求，水：粉煤灰配合比例須達到1：1以上。通過配合比試驗研究，確定矸石-粉煤灰配合材料質量配合比，即水：粉煤灰：煤矸石=1：1：10或水∶粉煤灰∶煤矸石=1：1：9。

由于采空區充填距離較長，可增加充填材料坍落度，配合比設計應增加水及粉煤灰用量，同時減少煤矸石用量。同時若提高充填材料強度并早強，可適當添加水泥和早強劑，水泥添加量應結合配合材料強度要求進行調整。另外為了增加充填材料的流動性，可適當添加泵送劑。

3? 工程實施

3.1 充填工藝

泵送充填工藝涵蓋了矸石選取、破碎、運輸，粉煤灰添加、配合料攪拌及泵送等工序，具體流程如圖2所示。矸石由礦車運至翻籠處，經翻籠到達小矸石倉，矸石通過溜子輸送，經過除鐵器進入碎石機，按照矸石粒徑級配設計滿足要求后進入大矸石倉，大矸石倉下部設運矸皮帶，矸石由運矸皮帶運至攪拌機和充填泵處，矸石和粉煤灰加水經攪拌機攪拌后進入充填泵，充填泵通過管路將充填物運送至待充填工作面。

根據充填方案的回采工藝，工作面為對拉工作面布置，勞動組織為三八制作業，每小班組織一個正規循環，每循環進尺1.0m，回采工作面每天進尺3.0m，單面長120m，采高按0.9m，每單面產生的采空區空間為：3.0×120×0.9=324m3，根據矸石產出量及采空區面積，采取一工作面回采生產另一工作面進行采空區充填的方式，另外根據添加粉煤灰的比例為10：1，充填所需矸石量為300m3，另外矸石倉有240m3的緩沖能力，保證了充填的連續性，實現了產沖平衡。

3.2 設備選型

泵送充填主要設備包括煤矸石充填泵、煤矸石碎石機、煤矸石攪拌機、粉煤灰輸送機等，具體參數如表2～表5所示。

4? 結語

采用泵送矸石-粉煤灰混合材料充填技術充填采空區完成后，覆巖破壞與地表移動變形得到有效控制，保護了地面村莊與鐵路等建筑物。同時充填技術工藝簡單，易操作，勞動強度低，機械化程度高，避免了矸石上井的提升運輸環節，減少煤礦安全隱患，降低了運輸費用、設備購置費用，矸石充填技術的發展將為解放我國煤礦村莊等建筑物下壓煤，實施以矸換煤工程，提高了煤炭回收率，是一種具有廣闊應用前景的綠色開采技術，具有十分重要的經濟、社會和環保意義。

參考文獻

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[2] 魏永啟，周芳.井下煤矸分離及矸石充填技術研究[J].煤礦現代化，2020（5）： 27-29.

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