煤礦固體廢棄物膏體充填技術分析

＊楊 博

（山西鄉寧焦煤集團臺頭前灣煤業有限公司 山西 042100）

近幾年，煤礦固體廢棄物膏體充填技術逐漸成熟，其應用效能受到了廣泛關注，為了提升充填處理效果，要依據整體設計方案，建立健全完整的技術管理模式，秉持穩定安全的技術應用原則，實現關鍵技術的優化目標。

1.煤礦固體廢棄物概述

煤礦固體廢棄物產生量逐年增加，尤其是煤矸石，全國矸石山已經超過2000座，占地面積在70km2以上，不僅對自然生態環境產生影響，也會增加項目的處理成本，影響煤礦工程項目的綜合發展水平。目前，較為常見的煤礦固體廢物主要就是煤矸石。煤矸石是在煤層夾縫中的脈石，一般是在巷道掘進過程中產生，從巷道口剝離煤矸石，其實際產量在45%左右，而在采掘過程中產生的煤矸石含量則超過35%，洗煤過程也會產生煤矸石。依據相關調查研究可知，煤開采1t原煤，會產生2.1t煤矸石，所以，煤礦固體廢棄物中煤矸石的含量最多，相應的膏體充填、漿液充填等工序，也會首選煤矸石。值得一提的是，煤矸石種類較多，泥質頁巖煤矸石、炭質頁巖煤矸石、砂質頁巖煤矸石、砂質煤矸石、石灰巖煤矸石等都具有不同的物理性質。并且，煤矸石的化學性質也非常特殊和復雜，是有機物和無機物的組合。因此，將其應用在膏體充填料漿時，少部分借助低溫燃燒處理，將其磨為細粒，然后配合成巖劑實現均化處理，就能獲得凝石。凝石在經過相應處理時間后就能生成鈣礬石和碳，有效發揮其實際價值。

另外，在應用煤矸石作為填充物予以處理的過程中，其實際使用優勢也非常突出。

由表1可知，黏土和固體廢棄物化學組成對比結果顯示部分固體廢棄物的化學成分和黏土較為相似，只需要在其中添加適當附加成分，固體廢棄物就能替代黏土作為建筑材料?；诖耍诔涮畈傻V膏體原材料選擇方面，固體廢棄物也具有一定的應用價值。最關鍵的是，固體廢棄物作為煤礦膏體充填的基本材料能最大程度上減少煤矸石山的體積，避免環境污染問題。與此同時，粉煤灰等污染問題也能得到合理化控制，避免開采操作對圍巖結構產生的影響，一定程度上有效規避開采操作引起的地表下沉和上覆蓋層變形移動等現象。除此之外，煤礦固體廢棄物膏體充填處理技術還能有效提升巷道維護的實效性，有效改善煤礦工程項目地下通風環境。無論是從環保角度還是經濟角度分析，廢棄物充當膏體完成煤礦充填操作都具有深遠的推廣價值。

表1

2.煤礦固體廢棄物膏體充填應用流程

在煤礦固體廢棄物膏體充填工作中，要想滿足實際應用要求，就要按照標準流程將工業充填泵制作好的膏狀漿體直接填充到相應位置，提升工作面采空區處理效果，減少不安全因素造成的影響。需要注意的是，設備制作出的廢棄物膏體和商用混凝土較為相似，主要的組成成分包括煤矸石、粉煤灰、水泥等，配合添加劑就能按照長距離泵送處理要求完成對應工序[1]。

（1）攪拌機操作。首先，自備電廠粉煤灰或者是礦外電廠粉煤灰進入管道后輸送到圓筒倉。直接傳遞到給料機，確保稱量斗能有效使用。其次，膠結料進入到散裝車，配合圓筒倉、給料機、稱量斗等完成處理。

（2）充填步驟。將攪拌機獲得的物料都放入料漿斗內部，配合充填泵輸送到地面管，然后鉆孔處理，借助井下管完成輸送，傳輸到工作面管和三通管閥，完成充填區的最終處理。

需要注意的是，在充填操作流程中，要對煤矸石的尺寸予以控制，確保最大粒度能被控制在25mm以下，避免較大的粒度增大其破碎程度，并且，合適的粒度能最大程度上優化成品膏體的隔離效果，優化充填效率[2]。

3.煤礦固體廢棄物膏體充填技術系統

要想發揮煤礦固體廢棄物膏體充填技術優勢，就要結合技術要求落實匹配的系統，并保證各個系統在實際工作中發揮作用，從而維持整體膏體充填工藝流程的完整性和規范性。

(1)倉儲系統

除了上述要求煤矸石尺寸粒度在25mm以下外，要保證煤矸石中顆粒粒度在5mm以下的顆粒占比為40%，按照5mm以下、5-25mm兩個規格完成分級處理，并予以合理化存儲管控，配合使用效果更好。

另外，針對實際情況要選取更加適宜具體情況的破碎加工工藝以及破碎機，維持整體技術方案，一般是利用二級粉碎、一級篩分的處理方式，能更好地建立健全可控處理方案。本文以A煤礦企業為例，選取的是顎式破碎機完成粗破處理，將出料的基礎粒度控制在75-100mm之間，之所以要進行粗破操作，是為了更好地提升入篩率，并且能對粒度在25mm以下的物料顆粒予以適當的粉碎處理，強化綜合應用效果。然后要對處理后的煤矸石予以振動篩篩分控制，分別存儲到不同粒度的存儲庫中，最后利用反擊破碎機對篩取物予以細破，確保全部顆粒的粒度都能在25mm以下[3]。

(2)攪拌系統

在攪拌系統管理工作中，要結合實際情況完成配套設備管理。較為常見的方案包括一備一用和并行工作。盡管都是需要配置兩臺設備，但是，一備一用的處理模式對設備能力的要求更高，并且設備前期投入的費用較高?；诖?，在A煤礦選擇配比攪拌系統時，選擇的是并行工作模式，連續運行能減少堵管事故問題，第二套攪拌機在運行過程中，能維持150m3/h充填需求。

若是填充膏體的主要材質是煤矸石，且最大粒徑控制在25mm，因此，一般會選擇連續式混凝土攪拌機或者是間歇式混凝土攪拌機。若是選擇連續式混凝土攪拌機，各個環節都需要匹配連續運轉要求，因為缺少等待時間，則設備的能力配置和投資都較低，需要按照連續計算的方式完成動態計量和匹配，這種問題難以短時間內解決。因此，多數煤礦企業都選擇間歇式混凝土攪拌機，能配合靜態計算分析建立精度較高的監督模式，并且能及時糾正相關問題，維持漿料質量和管路疏通的規范性，避免堵管問題造成的影響[4]。

除此之外，要按照標準化流程完成配比處理。①稱料工序，利用倉下稱料斗進行計算分析，并將其直接放入皮帶輸送機，送至緩沖斗，此時，粉煤灰和水泥都要借助螺旋給料機進行稱量處理，加料和供水計量分析滿足標準要求。②投料工序，確定放漿口關閉后攪拌機就會呈現出空機狀態，投料結束后關閉緩沖斗閘門。③按照質量要求和標準完成攪拌處理，此時，膏體填充材料中膠結料數量一般，因此，攪拌時間要高出混凝土攪拌時間，攪拌時間設置為50s。④放漿工序，要在攪拌時間滿足50s后，打開放漿口，將膏體漿液直接放入到料漿斗中，填充后完成輸送，到達下井。要想從根本上提高整體工序的合理性，就要針對循環過程落實科學監管機制，確保循環操作的完整性，直到滿足填充任務。

(3)管道泵送系統

在煤礦固體廢棄物膏體充填處理流程中，膏體的泵送是維持整個礦井內相關流程和操作的基礎，要服務一個壓煤采區，因此，要落實專用充填泵，維持加壓輸送過程的規范性。近幾年，德國普茨邁斯特公司和施魏因公司聯合生產的充填泵無論是性能優勢還是經濟性都具有一定的應用優勢，耐磨性充填泵能更好地避免內襯脫落等問題造成的影響，滿足充填要求[5]。

(4)隔離系統

在完成前期處理工作后，膏體被相應設備直接輸送帶回采工作面，為了滿足對應處理工序的要求和規范，要及時完成操作作業單元。首先，要對充填區域進行臨時性的支護處理，確保充填前、充填過程中以及充填體凝固過程中都能維持頂板的穩定性和規范性[6]。其次，要進行隔離墻施工處理，快速形成封閉空間，確保能為充填操作提供較長的作業時間，減少充填料流失對工作質量造成的影響。最后，要及時安排充填作業工序，借助充填液壓支架、采煤機、膠帶輸送機等輔助設施實現隔離，保證充填整體操作效率符合預期。

除此之外，在充填工藝流程中，也要匹配多面輪采輪充等方案，實現24h不間斷充填處理，減少資源浪費的同時也能滿足節能減排的基本要求，提高填充效率。

(5)充填效果定期監測系統

煤礦固體廢棄物膏體填充安全控制技術本身就是新興采礦管控機制，因此，為了有效了解其實際應用狀態，要配合充填效果定期監測工作，維持綜合管理效果，有效發揮技術應用優勢，避免應用不當造成的安全隱患。值得一提的是，在充填效果分析工作中，最關鍵就是要明確膏體的應力參數，因為充填膏體本身就是在高溫高濕環境中應用，普通的傳感器不能對其進行實時性監測，所以，要應用獨立的在線監測系統。

①監測系統組成

依據總線分線式設置模式，主要是借助順槽中的通訊監測分站對相關信息予以處理，下位機采取的是RS485總線和測點連接的方式，針對每個測點要借助線盒予以處理，確保兩個基礎傳感器得以合理連接。例如，傳感器監測點設置下沉量監測和應力溫度監測。

②工作原理

在傳感器設置變送器和RS485通訊接口，并且對應的接線盒并聯到總線結構，連接通訊分站，加之系統集散式連接，這就能保證每個傳感器都能獲取唯一的地址編碼，利用支路限流匹配的方式，確保每一個支路故障都不會對周圍的支路測點產生影響，將相關監測信息直接顯示在LCD屏幕上，若是條件允許，則可以借助環網實現監控數據的實時性傳送，并且及時保存，以保證后續進行歷史數據的對比分析。

③膏體變形監測和應力監測

借助KBU101-200頂底板變形儀器對膏體的變形情況進行分析，其設計量程能達到500-800mm，設備配置齒輪-齒條結構，借助內部角位移傳感器獲取相應的信息，轉變為數字信號。與此同時，要配置485通訊接口實現數據的實時性匯總。

而在應力監測工序中，主要是借助壓力傳感器獲取膏體荷載參數，將傳感器放置在采場底板位置，以保證相關參數匯總的合理性。其基本的工作原理就是充填介質壓力直接作用在傳感設備上，獲取彈性形變。

4.煤礦固體廢棄物膏體充填安全控制建議

對于煤礦固體廢棄物膏體充填工作而言，地面系統和地下系統是主要組成部分，也是安全問題較為集中的內容，因此，在落實安全控制工序時，就要結合局部網絡系統落實最優化控制，保證過程化綜合信息管理的實效性。

(1)避免堵管事故

為了保證煤礦固體廢棄物膏體充填質量符合預期，就要高度重視堵管預防工作的合理性和規范性，按照標準流程建立健全完整的控制方案，提升充填高效性。

第一，要及時安裝除鐵器，并且在皮帶機頭及時安裝對應的設備，避免金屬物質進入到二級破碎機亦或是進入充填管道造成堵管，要及時進行清理和管控，保證相應設施能發揮實際作用[7]。

第二，要對粒徑參數予以控制，主要是對振動篩篩網的尺寸和二級破碎機出料口的寬度予以及時糾正，維持較好的狀態。

第三，要對煤矸石予以監管，利用煤矸石在線水分檢測設備及時檢測其含水量，確保水分均勻性的同時，按照不同的粒度進行封閉倉儲管理。并且，在配料工作開始前也要進行對應參數的復測。

第四，要采取雙臺套配置模式，其中，變壓器、PLC控制系統、配比攪拌子系統、充填泵等都要結合實際情況進行配置處理，并且要對控制配比予以計算分析，確保攪拌質量參數符合預期。

第五，要在地面設置堵管事故的專用處理通道，利用φ114mm×7mm無縫鋼管鋪設的方式將一端連接充填泵出口，一端連接充填鉆孔的盲板封口，確保法蘭連接的合理性。

(2)匹配在線監測預警系統

在煤礦固體廢棄物膏體充填技術應用過程中，全過程監測管理也非常重要，因為充填區域地下條件較為復雜，傳統的應力傳感器無法及時獲取對應參數，因此，設置管道壓力監測單元，就能及時完成預警，有效實現自動卸料。本文以“KJ216煤礦動態監測系統”為例，配置井上/井下監測單元、通訊接口以及礦用數據光端機等，有效采取多級總線分布式結構，完成安全設計，利用工業級PC擴展光纖接口就能及時連接井上監測服務器，從而獲取相關數據。

另外，利用127V電源供電，打造上位機和下位機共同處理的監測系統結構，上位機負責接收數據并發送相應的指令，下位機負責對信號數據予以存儲和處理，全面維持數據應用效率[8]。

5.結束語

總而言之，煤礦固體廢棄物膏體充填技術應用過程中，要充分結合不同系統的應用規范要求，保證對應處理流程和工序的規范性，最大程度上提高其應用效率和質量水平，優化充填工作面的質量，按照標準開采和充填要求維持實時性管理，配合使用不同系統和在線監測模塊，為煤礦行業健康可持續發展奠定堅實基礎。