“三下”壓煤與膏體充填技術的研究應用

杜賀

冀中能源邯鄲礦業集團礦山管理分公司 河北邯鄲 056000

1 煤礦井下開采時存在的資源與環境問題

1.1 水土資源的破壞

過去我國煤礦開采對于采空區基本采用冒落法進行處理，雖然處理方法簡單，但容易引起采空區地表沉陷和周邊水體的破壞流失，對采區周邊的水土環境造成了很大的破壞。比如采空區地表建筑開裂、道路橋梁沉降、管路線路損壞、水體流失等都是由于采空區地表沉陷所造成的。

1.2 “三下壓煤”問題突出

在我國幾乎每一座礦井都或多或少的存在“三下壓煤”問題，一般可占到礦井儲量的10%-30%，有的礦井“三下壓煤”量甚至占到了40%以上。“三下壓煤”問題使大量的煤炭資源被占用，造成了資源的呆滯和浪費，嚴重限制了礦井產能。目前很多老礦井都面臨著資源匱乏，可采儲量不足的問題，如何解放“三下”壓煤，成為煤礦企業增加可采儲量，延續礦井生產的急需解決的重大技術難題。

1.3 開采廢棄物對礦區環境的破壞

煤礦井下開采的同時，會有大量的矸石等固體廢棄物排出，傳統的處理方式是將矸石由井下提升至地表，并在地表某處堆積后逐漸形成煤礦特有的矸石山。矸石在地表的露天堆積不僅占用了土地資源，而且矸石中含有的硫化物、重金屬物質，以及風化后產生的炭黑、飛灰各種細微顆粒會對大氣環境、水土環境等造成污染，引發霧霾、水土重金屬污染超標等問題。如何對矸石進行廢物利用，減少排放堆積，成為煤礦實現綠色開采，保證經濟與環境協調發展的重點。

2 膏體充填技術簡介

充填開采技術是解決“三下”壓煤問題，在不改變地表地貌，不搬遷地面建筑物，不損壞地面建筑設施的前提下進行煤炭資源開采的的綠色采煤技術。經過數十年的發展，充填采煤的充填方式、充填物料不斷改進，形成了具有良好經濟與環境效益的膏體充填開采技術。膏體充填技術是利用煤礦廢棄的煤矸石、粉煤灰以及爐渣、劣質土、城市固體垃圾等為骨料，按一定比例與膠結材料、水混合攪拌為無臨界流速，不需要脫水的膏狀漿體，在膏體自重和充填泵加壓作用下，通過管道輸送至井下采空區，實時充填采空區的技術方法。膏體充填物進入采空區后，會逐漸凝固形成堅硬的固體狀，對采空區起到有效的充填和支撐作用，從而控制采空區圍巖變形及地表沉陷。相比于過去的矸石充填、水力充填，膏體充填技術具有充填效率高、充填成本低、充填效果好等優點，是釋放“三下”壓煤，控制采空區地表沉陷的有效技術措施，目前在越來越多的煤礦企業中得到應用。

3 充填膏體材料的基本性能

為了滿足充填施工，要求充填膏體具有穩定性、可塑性、流動性、早強性和低壓縮率。①穩定性要求膏體以流體形式進行管路輸送時，不會發生離析和分層，能夠在密閉管路中停留數小時后仍能夠以均勻穩定的性質進行輸送；②可塑性是指膏體充填材料在輸送或充填的過程中，雖然不斷發生形變，但基本結構仍能保持不變；③流動性是膏體材料實現管路輸送的關鍵，要求膏體在凝固之前具有流體的基本特性，能夠在自身重力或泵送壓力下在充填空間內流動不固結；④早強性要求膏體在進入充填空間的數小時后，即滿足脫模條件實現凝固自穩，并對充填空間具有一定的支撐作用。膏體的初凝時間可通過對材料的配比進行調整；⑤低壓縮率是指膏體在由流體變為固體形態時，體積不變的。一般經過科學配比的充填膏體壓縮率可達到1%以下，可起到良好的充填和支撐作用，控制采空區沉陷。具體的性能要求如下：膏體漿料坍落度＞180mm；可泵送時間＞4h；靜置泌水率：3%-5%；單軸抗壓強度：8h后達到0.1MPa以上，28d后達到10-15MPa。

4 充填工藝的基本流程

膏體充填工藝主要包括膏體充填漿料的制備、管路加壓輸送兩個主要環節。

4.1 膏體充填漿料的制備

充填漿料主要以煤矸石、煤渣、碎石、固體垃圾等為骨料，以粉煤灰、爐渣、膠結料等為集料，通過合理配比和均勻攪拌，使其具有充填膏體的物理特性[2]。破碎矸石顆粒級配將直接影響膏體的流動性和充填體強度，煤矸石的級配也主要從以上方面考慮。矸石作為膏體充填粗骨料，一般要求最大粒徑不得超過25mm，以防止堵管和保證充填的密實性；為了使煤矸石滿足級配要求，需要對粒徑較大的煤矸石進行破碎。通過對不同粒徑煤矸石的配比研究發現，5mm以下破碎煤矸石含量在33%-40%范圍內時，其膏體塌落度在20-25cm，可滿足膏體管道泵送要求，早期及后期強度也均符合要求。選用專門的膠結料相比于選用普通的硅酸鹽水泥來說，早期及后期強度都有提升，膠結料用量150kg/m3，8h齡期膏體強度可達1.2MPa以上，而同等條件下使用硅酸鹽水泥，早期8h齡期膏體無強度；7d齡期強度為同量水泥膏體的1倍以上。根據充填經驗，當質量濃度控制在81%左右時，配比要求為：煤矸石1084kg/m3；粉煤灰400kg/m3；膠結料100kg/m3；水372kg/m3。

4.2 管路輸送

在充填膏體漿料制備完畢后，即可開始充填作業。①前期準備。檢查充填站、井上井下管路系統是否有松動、破損、泄露等問題，確認無故障。檢查確認料倉原料是否充足，供水及加壓充填的泵體是否正常工作。檢查立管上端放氣孔、節流閥是否為開啟狀態；清除布管區域內無關的人員、設備，并留專人值守。②管路充水。充填前先向管路中充水，并由截留閥控制將水憋在管內。其目的是排出檢查管路泄露和排出空氣。③注入灰漿。待立管中空氣排出后，先將與水混合的低濃度灰漿注入管路，待布料管出口有灰漿流出后，即說明管路通暢，符合充填要求。④充填膏體。將制備好的充填膏體由管路泵送至充填區域，由里到外、由低到高進行布料。⑤灰漿清管。充填結構后，停止泵送膏體，并依次泵送灰漿液和清水，以清理管內保留膏體，避免膏體長時間滯留在管內固結后堵塞管路。待布料口見清水后即停止泵送水。