礦山采空區膠結充填方法研究

楊振華

（山東省地質礦產勘查開發局八〇一水文地質工程地質大隊，山東 濟南 250014）

我國礦業形勢近幾年發生了較大變化，為消化過剩產能，淘汰落后產能，礦業行業積極進行供給側改革，通過轉方式調結構，關停了很多小型礦山，例如，針對煤礦，國家發改委要求煤企數量四年內至少減少一半，除了涉及國計民生的少量煤礦外，30萬噸及以下的小煤礦必須要進行兼并或關停，以從根本上解決礦山多而不強，集約化程度不高的局面。但由于種種原因，我國各類礦山包括已關停的礦山，仍然存在著不少未經充填處理的采空區，特別是歷史上礦山無秩序混亂開采行為留下了不少未知采空區，而小礦山原先的開采生產活動技術普遍比較落后更加劇了這種情況，隨著時間的推延，采空區，尤其是石膏、磷礦開采容易形成連片、復雜、嚴重隱患的采空區，導致采空塌陷、崩塌事故、突水事故等災害不斷增多，尤其是重大事故有增大的趨勢，嚴重危害了正常礦山開采安全，危及采空區影響范圍內的人民生命財產安全，同時對土地資源和自然環境造成了不可彌補的損失。此外，在礦山開采冶煉過程中，還帶來了大量得固體廢棄物，對外部環境也帶來了巨大的風險[1]。

科學有效的利用各類采空區充填技術，可以很好的解決上述問題，不但可以消除各類安全隱患，還能在采空區充填過程中，充分利用礦山固體廢棄物，減少對外排放量，減少土地資源占用和環境污染，還能有效提高資源開采利用程度，但采空區充填成本較高，各礦山企業并沒有主動性，充填過程也缺乏監管[2]。與之相對的是，各地政府非常重視礦山治理工作，以山東為例，山東六部門專門制定了《山東省礦產資源總體規劃(2016-2020年)》，確定在2020年之前，將70%的歷史遺留的礦山地質環境問題，基本完成全省歷史遺留責任滅失非煤礦山廢棄礦井和采空區調查與治理工作。因此，研究采空區膠結充填技術有著非常重要的意義。

1 采空區膠結充填工藝

采空區膠結充填技術是一種新型充填工藝，與傳統無膠結充填技術的主要區別為是否采用了膠結料，能否在充填后改善頂板管理的基礎上，使充填體形成一定強度的整體。傳統無膠結充填技術主要包括干式充填、水砂無膠結充填等，工藝相對簡單且價格低廉，因而在我國有廣泛的應用，但傳統無膠結充填工藝有較大局限性，例如，矸石自溜充填主要應用于急傾煤礦中，在實際應用中存在諸多問題，如充填體自然堆積無整體性，充填率和充填強度明不高，無法有效消除施工和地表安全隱患，同時，對礦柱的回采增加困難[3]。因而，膠結充填技術被越來越多采用，主要包括以下類型：

1.1 廢石膠結充填工藝

廢石膠結充填工藝是在廢石空隙處注漿，形成具備一定整體性和強度的充填體，且由于廢石代替了部分充填料漿，從而充填成本相對較低，而在煤礦主要采用在采空區冒落矸石間注膠結料漿的充填方式實現，通過鉆孔注漿方式，在采空區充填矸石之間的空隙處，灌入具備膠結能力的充填料漿，與矸石形成具備一定強度的整體，對采空區圍巖起到支撐作用，有效分散采空圍巖應力，起到確保采空區穩定性，消除一定安全隱患的作用。該工藝根據廢石粒徑和充填料漿有不同分類，適用于充填空場采礦法形成的采空區，或對廢石干式充填方式進行二次處理。

1.2 尾礦砂膠結充填工藝

該工藝主要分為全尾砂、分級尾砂充填兩類，能夠充分利用尾礦資源，實現無廢排放。雖然不同礦山的全尾砂會有不同，但是分級尾砂通常是以37μm為分類界限進行分級的，由于此工藝一般采用自流充填系統，充填料漿濃度低，充填后需要大量脫水，分級有利于料漿的固結，因而凡是采用這種方法的大都采用分級尾礦。

1.3 高濃度膠結充填工藝

利用該工藝，可以邊采邊充，對粉煤灰材料的壓縮沉降等問題進行了較強改進，充填效果和能力高于河砂材料，可杜絕堵管等問題。

1.4 粉煤灰膏體充填工藝

采空區膏體充填工藝是一種來自德國的非常有效的充填技術，最初適用于處理城市的各種生活垃圾，后來應用于采空區充填治理，已被證實在消除地表沉降方面非常有效，比傳統膠結充填方式相比，泌水量大幅減少，從而減少井下排水隔水系統的費用，因而有很強的研究應用價值。利用充填設施，將河砂、粉煤灰、膠結料攪拌而成的膏狀充填料輸送到工作面，形成充填體，固化后可有效支撐采空區頂板，消除地質災害隱患。此外，充填料漿后，還可以直接起到降低井下溫度、通過阻斷空氣流通防止采空區自燃的作用。

1.5 全砂土似膏體充填工藝

似膏體充填工藝兼有水力充填和膏體充填的優點，例如，其充填料漿既有很好地流動性，又有足夠的強度，且泌水性較低，適用于煤田采空區的充填工作。該工藝粗骨料采用河砂或工業垃圾（非工業有毒廢料），混以20%～32%的細骨料，以全砂土固結材料為膠結材料（采用沸騰爐渣等工業廢渣，加入添加劑，經研磨、均化等工藝后制成），經攪拌而成的類似膏體的料漿。由于其充填過程，充填體可以不脫水或少量脫水，因而避免了對地下采礦作業環境和地下水的污染；同時，該工藝可以提高采礦上產效率、安全生產水平，比較經濟合理。

2 采空區膠結充填材料及裝備

2.1 充填材料及配比

應根據選用的施工工藝，有針對性的進行配合比試驗，選擇不同的充填材料。從資源有效利用和環境保護的角度，應首先選擇礦山固體廢棄物，能夠在施工場地附近就地取材、加工成符合施工要求的充填料，如果需要外購，也應考慮周邊實際，減少購買材料和運輸費用。

2.1.1 充填骨料

主要包括廢石、尾砂等。充填骨料需要滿足一定的條件，需要檢測骨料的化學成分，在充填料配置和施工過程中物理化學性質不發生改變，關注是否含有有毒有害成分；需要測定沉降速度和飽和濃度，

2.1.2 膠凝材料

膠凝材料主要有粒狀漿和化學漿兩類。其中顆粒漿材料以水泥為主，其特點是價格不高，購買方便，使用方法簡單，水泥粒級細度越小，活性越強目前使用比較廣泛。膠固粉由水泥熟料和石灰、石膏、粉煤灰以及爐渣水淬后形成的水淬渣等材料，按不同配比混合而成，可以根據不同的充填需要，配置不同配比的專用膠固粉。膠固粉價格比較經濟，研究價值較高。

2.1.3 充填用水

水在充填料將配比中，起到非常重要的作用，包括作為主要的輸送介質，參與膠凝反應等，根據水的摻入比例不同，充填料呈現不同的狀態，其中在低濃度時，主要是兩相流，在高濃度時呈現結構流，甚至呈現膏體形態。

2.1.4 外加劑

主要包括減水劑、緩凝劑和早強劑等，通過添加不同的外加劑，可以有效提高和改善充填料漿的各種性能，顯著增強和易性，防止料漿的泌水和分離，便于輸送等充填工作，提高充填體固化后的物理力學性能。

2.1.5 充填料配比及相關試驗

配置充填料漿必須以設計要求的強度為基礎，選擇各種材料適合的用量比例。通過配合比試驗，可以確定水灰比、灰砂比等關鍵指標，從而對充填料漿固結后的強度進行預判，為采空區膠結充填設計方案的制定提供可靠數據支持。尾礦砂膠結充填料漿的強度測試，可以參照建筑砂漿測試相關要求，做成邊長為70.7mm的立方體試塊，進行三、七、十四、二十八天標養，并通過壓力測試取得相關測試數據。此外，還需要對充填料漿進行流變特性的測試，從而確定黏度、流動度等指標，主要的測試方法由黏度試驗、擴散度試驗和坍落度試驗。其中黏度試驗可以使用粘度計，由于黏度收到很多因素影響，因而數據很難保證絕對準確，因而僅能進行定性分析；充填料漿的流動性能主要通過擴散度試驗和坍落度試驗獲得，因為實驗設備簡單，測試數據獲得較容易，使用較廣泛。

2.2 采空區充填及相關設備設施

采空區膠結充填裝備是完成膠結充填工作的重要支撐，主要包括料漿儲藏制備系統、傳輸系統和井下充填施工系統。料漿儲藏制備系統主要在地面以上，包括裝載機、廢渣接料斗、振動給料機、二合一破碎機、皮帶傳送機、成品骨料儲存倉、采空區膠結充填裝備、骨料計算機構、外加劑泵、蓄水池、水泵、攪拌機（可以選強制間歇式攪拌機）等。傳輸系統包括布設的膏體充填料漿傳輸管路。充填施工系統主要為充填泵，以及井下砌筑的擋墻，泄水孔等。水通過水泵從蓄水池引入攪拌機內，與骨料和膠固材料、外加劑一起攪拌，形成符合設計質量要求的充填料漿，經傳輸系統輸送到工作面，完成充填工作。這其中，充填材料的混合攪拌尤為重要，為其后繼續開展泵送充填工作奠定了基礎，因而也可以采用比較成熟的攪拌站技術，還可以利用PLC程序進行自動化控制，有效提供充填工作效率。此外，與普通的建筑行業不同，采空區充填工作是一個不間斷的工作，因而不能直接使用建筑行業的混凝土泵，應選擇符合采空區充填要求的工業泵，以滿足工作需要。

在采空區充填施工之前，還應該加強對采空區的探測，掌握采空區的范圍界限。同時，還應該利用監控設備，對采空區充填施工前后地壓變化和沉降情況進行實時動態監控，以利于監控地質災害隱患，同時檢測采空區膠結充填質量，確保礦區安全。

3 結論

采空區充填尤其是膠結充填方式可以提高資源開采率并消除采空塌陷地質災害隱患，因而在各類金屬礦山或非金屬礦山中被廣泛應用，其中膏體充填工藝或似膏體充填工藝效果更佳，具有很強的研究應用價值，應進一步推廣使用。