新柏煤礦770水倉煤泥填充采空區技術應用

文/馮家良 支永東 李銀仁 李建文

煤泥是一種灰分高、水分多、粒度細、黏度大、商品價值低的低熱值尾礦，不利于工業應用，且井下人工清理提升運輸至地面矸石山堆放處理會造成環境污染。因此，煤礦探索運用井下煤泥作為填充材料，為采空區治理探索新的途徑，對填充技術的發展具有重大意義。

煤礦井下水倉依據《煤礦安全規程》要求，每年雨季前應清理淤積煤泥。華亭煤業集團新柏煤礦針對井下770水倉煤泥清理問題，變更作業方式，優化工藝設計，由人工裝車清理轉變為人工配合礦用混凝土泵遠程輸送填充采空區的方式進行清理，從源頭上減少了煤泥排放與污染，有效防止了采空區塌陷以及煤層自燃現象，降低了清理成本，實現了資源綜合利用。

一、實施背景

1.礦井概況

新柏煤礦地處安新煤田中部，地質類型中等，水文地質條件簡單，正常涌水量為100m3/h，屬于低瓦斯礦井，當前回采煤層為5煤，原煤灰分值為14.56%，黏結指數為零。5煤的自燃傾向性為Ⅱ類自燃煤層，若不采取嚴格的綜合防滅火措施或一旦措施失效，有可能引起煤炭自然發火。

2.實施條件

采空區填充技術逐漸成為治理采空區塌陷與煤炭復采的主要方法之一。填充的影響因素之一是填充材料，不同的填充材料所要求的工藝、系統、方式不同。當前我國煤礦充填開采技術主要分為四大類，分別是煤礦矸石充填開采技術、煤礦膏體充填開采技術、煤礦超高水充填開采技術以及煤礦高濃度膠結充填開采技術。這些填充方法為采空區治理提供了可行的途徑，積累了實踐經驗，但是仍有不足，主要問題是：填充工藝復雜，投資高，固體類材料增加井下運輸量，填充與開采互相影響，填充后密實度不高等。這些不足不同程度影響著采空區填充技術的推廣與應用。

經取樣測定，華亭煤業集團新柏煤礦井下煤泥經巷道流通至770水倉過程中，產生了大量高灰次生煤泥，770水倉兩倉煤泥量預計為1274m3，其沉淀性、流動性、含水率和脫水性指標在理論上基本符合填充材料的要求。從安全角度分析，煤泥作為填充材料能夠阻燃或抑燃；從煤泥水處理工藝分析，通過合理添加工藝，配比適當水煤泥作為填充材料具有可行性。

二、方案設計

1.總體方案

新柏煤礦采空區填充方案主要利用井下770水平水倉煤泥經潛水排沙泵及礦用混凝土泵加壓，利用高壓管路輸送水煤泥至封閉采空區。煤泥填充工藝系統包括煤泥制漿、管道輸送和采空區充填三部分。煤泥制漿系統利用水倉優勢位置，自然流向水倉的井下水與沉淀煤泥混合，攪拌為濃度為40%～50%的水煤泥；輸送系統由潛水排沙泵經管路輸送至礦用混凝土泵混合后加壓，經管路輸送至采空區；采空區填充利用泥漿良好的流動性，自然流淌直至充滿采空區。

2.工藝流程

（1）流向770水倉的井下水與水倉沉淀煤泥經攪拌混合為濃度為40%～50%的水煤泥，人工將BQS60-36-15型潛水排沙泵放置于水倉煤泥清淤點。

（2）利用潛水排沙泵運轉抽排稀釋的煤泥，通過管路進入HBMG15/6-22S型礦用混凝土泵料斗。

（3）通過礦用混凝土泵將煤泥漿輸送至專用接通的管路，排入3513采空區。

（4）當班注漿結束后，及時用清水沖洗注漿管路以防管路內煤泥漿積存淤結，為下次注漿做好準備。

影響填充量較大的因素是管路的安全完好程度。由于管道內壓力較大，管道磨損嚴重會造成爆管情況，因此，現場作業需要保證安全。

3.設計參數

填充采空區與770水平高差為80m，注漿管線長度為470m，770水倉兩倉煤泥預計為1274m3。在加壓輸送安全可靠的情況下，管線采用φ125mm混凝土泵變頭2m，潛水排沙電泵φ89mm高壓軟管120m，φ108mm環氧樹脂復合涂層鋼管350m。混凝土泵出料口與φ125mm管路相連接，φ125mm管路變頭與φ108mm管路連接，在水倉通道管路連接處安裝一組φ108mm閘閥，用于煤泥輸送過程中停止作業時控制煤泥漿回流。

4.配套設施

為使煤泥填充采空區安全可靠地運行且不影響開采，在施工中應當注意密閉潰水潰漿。根據實踐經驗，澆筑密閉使用的混凝土在將水泥、石子、沙子按配比拌料后使用振動棒進行充分混合，使澆筑密閉墻體更加密實。

5.煤泥處理工藝改進

770水倉水煤泥直接加壓輸送至3513采空區后，水煤泥存在泥水分離分層現象，因此，煤泥漿中需添加懸浮劑、膠凝劑等添加劑，加強煤泥填充的效果。添加懸浮劑的煤泥漿，具有較好的流動性，可以減少漿液在注漿管路中堵塞，便于注漿管路運輸；添加膠凝劑后，煤泥漿快速膠凝的特性，可以使煤泥漿到達灌漿地點后，在較短時間內失去流動性而附著在采空區內部，增加保水性。綜上分析，煤泥漿具有保水率高、熱穩定性好、便于管道輸送、能夠快速膠凝的特點，材料來源于礦井內部，是一種性能良好的灌漿材料，能夠用于井下防火作業，實現廢物利用。

三、應用效果及效益分析

1.應用效果

770水倉煤泥中混合黏土、粉碎的頁巖等固體懸浮物，與水混合、攪拌，配制成濃度為40%～50%的漿液，借助注漿管路注入采空區。煤泥填充采空區后，漿液充分覆蓋在采空區內部，通過在密閉處進行監測，沒有出現大量水析出現象，煤泥填充作業有效防止了采空區自燃，填充效果良好。煤泥再利用技術符合經濟發展趨勢，能夠減少資源浪費，實現綜合利用，化害為利，保護環境。

2.環境效益

如果井下煤泥從770水倉裝車，經軌道運輸至地面矸石山，大量堆積存放時，形態極不穩定，遇水流失，風干飛揚，不僅會浪費煤炭資源，而且會造成嚴重的環境污染。而煤泥填充采空區在節省人力物力的前提下，煤泥不用提升至矸石山堆存，減少地面煤泥污染以及附帶的不良影響，實現廢物利用。實際作業中，結合770水倉現場自流水環境，不需再往混凝土泵料斗中加水即可得到所需濃度的水煤泥；采空區填充后，達到了預防采空區自然發火的目的，減少了采空區塌陷對地表的影響。

3.經濟效益

比照人工清運井下煤泥的煩瑣流程（見表1），煤泥填充采空區的工藝大大節省了成本，經濟效益顯著。

表1 煤泥填充與人力清運對照表

人力方面：實際煤泥充填操作中，每班4人作業，每班作業時間內平均清理煤泥20m3，相較此前人工清理煤泥每班人工裝車30車總計12m3，煤泥充填單班作業效率提高了67%，整體工期縮短了60%；單班工資支出減少了65%。

物料方面：煤泥填充采空區，短距高壓管路的敷設及作業期間的維護，相較于人工清運煤泥附加有軌道運輸的人力以及礦車供應、提升運輸等相關設備保障，成本明顯減少。同時，煤泥填充工藝設備安裝簡單，利用預先敷設的管路，提升了井下設施的利用率。

四、結論

新柏煤礦770水倉煤泥填充采空區工藝，有效縮短了工期，節省了成本支出，整體工藝從源頭減少了煤泥對環境的污染，防止了采空區自燃，降低了采空區塌陷對地表的影響，實驗性工程收效良好，為井下煤泥清理、填充采空區的實踐積累了經驗。環保收益大于預期，煤泥清理與采空區治理置于同一體系內，因地制宜，優劣互補。今后，在探究實踐的基礎上，針對水煤泥的保水率、流動性、膠凝性、填充效果等需要進一步優化完善。