煤矿充填法开采技术研究现状及应用前景.pdf

第 2 9卷第 4期 2 0 1 0年 8月 V o J 2 9 N o． 4 Au g． 2 01 0 J o u r n a I o f Sh an d o n g U n i v e r s it y o f Sc ie n c e a n d Te ch n o l o g y N a t u r a I S c i e n c e 煤矿充填法开采技术研究现状及应用前景 郭惟嘉 。 张 新国 ， 史俊伟 ， 李杨杨 山东科技 大学 矿山 灾害预 防控制教 育部重 点实验 室， 山 东 青 岛 2 6 6 5 1 0 中图分类号 TD 8 2 3 ． 7 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 2 3 7 6 7 2 0 1 0 0 4 0 0 2 4 0 6 Pr e s e nt S i t u a t i o n o f Re s e a r c h o n Ba c kf i l l i n g M i ni ng Te c hn o l o g y i n M i n e s a nd I t s App l i c a t i o n Pr o s p e c t GUO We i j i a ， Z HANG Xi n g u o， S HI J u n we i ， LI Ya n g y a n g Ke y La b o r a t o r y o f M i n i n g Di s a s t e r P r e v e n t i o n a n d C o n t r o l ， Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n， S US T， Qi n g d a o ， S h a n d o n g 2 6 6 5 1 0， C h i n a Ab s t r a c t Ai m i n g a t pr e s e nt s i t u a t i o n of c oa l mi n i n g u nde r bu i l di ng s， r a i l wa y s a nd wa t e r bo di e s an d t h e di s p os al s t a t e o f s o l i d wa s t e s ma i n l y i n c l u d i n g c o a l g a n g u e mi n e d o u t i n c o a l mi n e s i n o u r c o u n t r y， t h e d e v e l o p me n t h i s t o r y o f b a c k f i l l i n g mi ni ng t e c hno l ogy， t h e a c t i o n me c ha ni s m o f f i l l i ng bo d y a n d i t s i n flue nc i ng f a c t or s we r e i n t r o du c e d s y s t e mi c a l l y i n t h e p a p e r ． M e a n wh i l e ， a i m i n g a t p r e s e n t s i t u a t i o n o f c i t y g a r b a g e d e p o s a l i n o u r c o u n t r y， t h e b a c k f i l l i n g p a t t e r n o f b a g g e d wa s t e s b a c k f i l l i n g a n d c i t y g a r b a g e b a c k f i l l i n g wa s p u t f o r wa r d ． I t i s mo r e h e l p f u l t O d e a l wi t h t h e c i t y g a r b a g e o n a l a r g e s c a l e b y c o mb i n i n g t h e c i t y g a r b a g e s t o wi n g wi t h t h e t r e a t m e n t o f mi n e g o b s t h a n t r a d i t i o n a l wa s t e d i s p o s a l me t h o d s ， s u c h a s b u r y i n g i n l a n d， c o m p o s t p i l i n g a n d b u r n i n g ． B a c k f i l l i n g m i n i n g t e c h n o l o g y n o t o n l y b r i n g s t h e i n n o v a t i o n o f e n g i n e e r i n g p r a c t i c e a n d r e a l i z e s t h e t r i a x i a l mi n i n g p a t t e r n ， i n c l u d i n g “ r o a d wa y e x c a v a t i o n ” ， “ c o a l mi n i n g ’ ’ a n d“ wa s t e d i s p o s a l” i n mi n e s a n d i t i s v e r y s i g n i f i c a n t t O s c i e n c e a n d e n g i n e e r i n g ． Ke y wo r d s b a c kf i l l i n g mi n i n g； a c t i o n me c h a n i s m； c i t y g a r b a g e b a c k f i l l i n g； a p p l i c a t i o n p r o s p e c t 我 国 以煤 矸 石为 主 的煤炭 开采 和洗 选 过程 中的废 弃物 ， 是 目前 排放 量最 大 的工 业 固体废 弃 物之一 ， 目前 已累计堆积 3 4亿 t ， 占地约 1 ． 3万 h m ， 而且还正在 以每年约 1 ． 3亿 t的速度增加。煤矸石长期堆存 ， 占用 大量 土地 ， 污染 水 质 ， 且 自燃 后生 成 H s、 S 0 2 等有 害 气体 ， 污染 空 气 、 水 源 和土 地 ， 构 成 了对 生 态 和环 境 的 损 害。同时 ， 煤矿开采可造成地表沉陷， 破坏原有的地形 、 地貌 ， 对地表生态 、 植被破坏尤为严重 ， 甚至形成低洼 积水坑或沼泽地 ， 使耕地变成不毛之地 。目前 ， 我国采矿业每年 占用和破坏 的土地约达 3 ． 4万 h m ， 其中仅 煤 炭 开采 每年 形成 的地 面塌 陷就 约达 3 万 h m ， 累计 已达 5 O万 h m 。 另外 ， 我国 目前建筑物下压煤 9 4 ． 6 8亿 t ， 铁路下压煤 2 3 ． 9 1亿 t ， 水体下压煤 1 9 ． o 5 亿 t 。山东省建筑物 下 压煤 达 4 4亿 t ， 占可采 储量 的 5 3 。长期 以来 ， 我 国“ 建 下 ” 压 煤 开 采 主要 采 用 条 带 法 、 村 庄 搬迁 等方 式 。 条带 法 的采 出率仅 为 4 O ～6 O ， 资源 浪 费严 重 ； 中厚煤 层 开 采 的 7 5 ％是 靠 村庄 搬 迁 来 完 成 的 。以 济 宁地 收稿 日期 2 0 1 0 0 6 一 I 7 基金项 目 国家 自然科学基金项 目 5 0 8 7 4 0 7 0 教育部博士点基金项 目 2 0 0 8 0 4 2 4 0 0 0 4 山东省 自然科学基金项 目 Y 2 0 0 8 F 0 1 作者简介 郭惟 嘉 1 9 5 7 一 ， 男 ， 山东济南人 ， 教授 ， 博士 生导 师 ， 主要从 事开采沉陷与地表控制 等方面的教学 和研究工 作． 郭惟嘉等 煤矿充填 法开采技 术研 究现状及应 用前景 J o u r n a l o f Sh a n d o n g Un i v e r s i t y o f S c i e n c e ． ．a n d t e c h n o l o g y 9 嚣 。 融 l l “ J “ IH } ” F “ 目 区为例 ， 至 2 0 2 0年 ， 济 宁市需 搬迁 1 0 0 0多个 压煤 村庄 ， 其 中龙 固 、 赵 楼 矿井 开 采 首采 区一 次性 需 要搬 迁 1 2 个 和 1 1 个 村庄 。但 是 ， 村 庄搬 迁 ， 土地 征 用 困难 ， 费 用 大 ， 同时也 给农 民带 来许 多 生产 和生 活上 的不 便 。 因此 ， 科 学 合理 地解 决“ 三下 ” 压煤 开 采 问题 ， 减 轻采 矿业 对 自然 环境 的破 坏 ， 充分 回收 利用 有 限的资 源 ， 实 现煤 炭资 源 的“ 绿 色开 采” ， 是 当前我 国矿 业领 域需 要解 决 的一 项重 大课 题 。 1 充填法开采技术及作 用机理 1 ． 1 充填 法开 采技 术 的发展 利 用矿 井 城市 固体 废 弃物 充填 采空 区 ， 抑 制 地表 沉 陷 ， 保 护矿 区环 境 ， 是 实 现煤 炭企 业绿 色开 采 、 节 能 减 排 的重要 技术 路径 。矿山充 填 法开采 管 理顶 板分 为 非胶结 充填 法 和胶 结充填 法 。 1 非胶 结充 填法 非胶结 充填 法根 据 充填 材料 和充 填方 法 的不 同 ， 可 分为 水砂 充填 法 、 水力 矸 石充填 法 、 风力 充填 法 、 自溜 充 填法 、 手工 袋装 充填 法 和边 界充 填法 等 。它是 在 煤层 开采 过 程 中向工 作 面后 方 采 空 区 内充 填 河 砂 、 山砂 、 工 业废 渣 、 煤 矸 石或粉 煤 灰等 充填 材料 以支撑上 覆 岩层 的顶 板管 理方 法 。上述 充 填法 中 ， 水 砂充 填法 减沉 效 果 最好 ， 波 兰在 城镇及 工 业建 筑物 下采 煤 时采用 水 砂充 填 的采煤 量 占全 国建筑 物 下总采 煤 量 的 8 O 左 右 。 水 砂 充填 的主 要 特点 是 要 将 大量 的充 填 材 料 ， 通 过水力 运 入采 空 区 ， 充 填 采 煤 留下 的 空 间 。据 抚 顺 、 新 汶等 矿 区 的实 践 ， 水 砂 充 填 的充 填 能 力 可 达 2 0 0 ～3 0 0 m。 ／ h以上 。采 用 水 砂 充 填 开 采 时 ， 其 地 表 下沉 系数 变化 于 0 ． 0 6 ～0 ． 3 0之 间 ， 这 与 充填材 料 的性质 和水 砂充 填密 实填 满程 度有 关 。水砂 充填 法 地表 沉 陷控制 的影 响 因素 如表 1 所示 。 近年来 ， 随着新 汶 、 邢 东 等矿 区矸石 充 填 机械 化 设备 的研 制成功 ， 矸 石机械化 充填作 为一种 新型 的煤 矿 采 空 区充 填 方式 获 得 了应用 ， 并 作 为 一 种节 能 减 排 、 绿色开采 的措施获得 了广泛 的关 注 。液 压 和 自压 式矸石 黄河沙 输送机及支架结构如图 1 所示。 与膏体 充 填 方 式 相 比 ， 原 生 矸 石 充填 工艺 相 对 简 单 ， 初 期 投 入 相 对 较 少 ， 吨煤 成 本较低 ， 一 般成 本 可控 制在 4 O 元 以 下 。只 要 工 作 面 支 架 与 运 输 设 备 配套合 理 ， 可 以大 规 模 提 高 充 填 速 度 ， 有 利 于提 高工作 面产 量 ； 但一 般 采 用皮带 机 、 溜子 运输 矸石 ， 综 采支 架 后 方 吊溜子 ， 设备 占用 空 间较 大 ， 运 输 系统 较为 复杂 。矸 石充 填地 表 下沉 系 数 一般 为 0 ． 2 5 ～ 0 ． 4 ， 其 减 沉 效 果 不 及水 力 和风力 充填 ] 。 2 胶 结充 填法 由于 非胶结 充 填法 的充 填材 料缺 乏 内聚特 性 ， 不 能 形 成 稳 固 自立 的充 表 1 水砂 充填 法地表沉陷控制的影 响因素表 Ta b ． 1 Th e i n f l u e n c i n g f a c t o r s o f s u r { a c e s u b s i d e n c e c on t r o l wi t h hy dr a ul i c b a c kf i l l i n g me t h ods 水砂充填的主要影响因素 L l L2 充填材料 的质量 充满 程度 砂子 的沉缩率 砂子 的含泥量 粒径级 配 透水 性 顶板的岩性 煤层的倾角 空顶时间 开采深度 操作的熟练水平 1支架伸缩梁 ；2支 架项梁 ；3立 柱；4支 架尾梁 ；5支架底座 6尾 梁调整 千斤顶 ；7悬挂单 挂链 ；8自压式矸石 充填机 ；9 ． 工作面 刮板输送 机 ；l 0 ． 采煤机 图 1 液压 和 自压式矸石输送 充填 支架结构 图 F i g ． 1 Th e s t r u c t u r a l d r a wi n g o f h y d r a u l i c a n d s e l f - p r e s s u r e d s upp or t wi t h wa s t e c o nv e yi ng a nd f i l l i ng f u nc t i o n 填 体 ， 2 0世 纪 6 O年 代 ， 加拿 大 、 美 国 、 澳大 利 亚 、 中 国等 国家 开始 试 验 胶结 充 填 技 术 。2 0世 纪 6 0年 代 中期 ， 普遍采 用硅 酸盐 水 泥或其 它胶 凝 材料 添加 到低 质量 分数 水 砂 充填 料 中 ， 但 该技 术 在 使用 过 程 中存在 料 浆 凝 固慢 、 离 析 分层 、 强度 低等 现象 ， 而且 还 具有 井下 脱水 时胶 凝材 料及 细 料易 流失 ， 井 下废水 、 细 泥 污染环 境 ， 排 水 、 排泥 费用 高等 问题 。到 了 7 0年代 ， 开始研 究 和探 索高 质 量分 数 料 浆 的优 越 性及 实 现 料 浆 高质 量 分 数 的 i m泰科技大学 学 自 然 版 第 2 9 卷第 4 期 2 0 1 0 年 8 月 V o l 2 9 N o 4 A u g 2 0 1 0 有效 途径 ， 不少 矿 山采用 不 同措施 把料 浆 的质 量 分数 提 高 到 7 0 ～7 8 ， 靠 自流或 泵 送 实现 高 质 量分 数 料 浆 的管 道输送 。高 质量分 数 料浆不 易发 生离 析 和沉 淀 ， 还具 有充 填体力 学性 能 良好 、 强度 高 、 采 场脱 水少 、 胶 结料 的用 量大 幅度 减少 等优 点 ， 得 到 了一定程 度 的发展 ， 但生 产 实践 中仍存 在制 浆技术 难 度大 的问题 。矿 山 在进 行 高质量 分数 料浆胶 结 充填试 验研 究 的同 时 ， 又进 一 步 改 进 充填 材 料 的组 成 和 级 配 ， 提 高料 浆 质 量分 数 ， 于是 产生 和发展 了高 水 固化胶 结充填 、 废 石胶结 充填 、 膏体 和似膏体 泵送 胶结 充填 等T 艺7 6 ] 。 膏体充填料 为充填后不离 析的物料集合 体 ， 质量分数在 达到 7 6 ～8 5 ％时才能成 为膏体 。膏体 充填 技术 ， 是一种把煤矿 的矸石 、 粉煤灰 、 工业炉渣 、 河砂 等加丁成不脱 水 的牙 膏状浆 体 ， 在充 填泵 的作用 下通过 管道输 送 到井下 ， 适 时充填采空 区 ， 形 成以膏体 为主 的胶结 充填 体 ， 支撑 上覆 岩层 ， 有效 控制 地表沉 陷 的现代 采 矿技 术 。 它具有提 高资源采 出率 ， 改善 矿 山安全 生产条件 ， 保护矿 区生态环境 和固体 废弃物 资源化利用 的优 点 。 似膏 体充填 是 在综合 分析 其他 充填方 式 的基础 上 ， 结合 现 代充 填 发展 趋 势 而形 成 的一种 充 填 技术 。其 特点是 ①采 用全 砂 土 固结 剂作 胶 固剂 ， 胶 结强 度高 。② 实现 高质量 分 数料浆 的管道输 送 。采 用 全砂 土 固结 剂配 以骨料 制成 的料 浆外 观像 膏体 ， 质量分 数接 近 膏体 。③ 料 浆流 动性 能 好 。似 膏体 料 浆 流 动性 能 明显 优 于膏体 ， 能 实现低 压泵 送充 填或倍 线 条件较 好 的 自流 输送 。④似膏 体料 浆进 入采 场后 只需 少 量脱 水 ， 充 填体 质量好 ， 井 下无 排水排 泥 污染 ] 。 似 膏体 充填 既有水 力 充填料 浆 流动性 能好 ， 易 于实现 管道 输送 的优 点 ， 又具 有 膏体充 填 的充填 体井 下不 脱水且 强度 高 的优点 ， 目前 得到 了较 为广泛 的应 用 。图 2为作 者研发 的膏体 、 似膏 体充填 实 验系统 。 1 ． 2 矿 山充填体 作 用机 理及地 表沉 陷控 制影 响 因素 1 矿 山充填 体 的作 用 机理 充 填体 的作 用机 理是 指充填 体 在地下 采场 中的力 学作用 机制 ， 主要 包括 充填 体 自身 的受力特 点 、 变形 性 质 、 破 坏机 理 、 充 填 体 对 采 场 围岩 的 作 用 及 相 互 关 系 等 引。 ① 充填 体 的力学作 用 充 填体 进入 采场 ， 改变 了采 场帮壁 的应 力状 态 ， 使 其 单轴 或双 轴应 力状 态 变 为 双轴 或 三 轴 应 力状 态 ， 围 岩 的强 度得 到很 大提 高 ， 从 而 增 强 了 围岩 的 自支撑 能 力 。因此 ， 充 填体 不仅 起 到支撑作 用 ， 更重 要 的是提 高 了 围岩 的强 度和 承载 能力 。 ②充填 体结 构作 用 通 常 岩体 中的 断层 、 节 理 裂 隙 将 岩体 切 割 成 一 系 列结 构体 ， 当地 下开挖 后 破坏 了岩体 原始 的结 构体 系 ， 图 2 膏体 、 似膏体充填实验 系统外观 图 Fi g． 2 The a p pe a r a nc e o f ba c kf i l l i ng e xp e r i me nt s y s t e m wi t h p as t e， p as t e l i ke b od i e s 使其本来能够维持平衡和承受荷载的“ 几何不变体系” 变成了几何可变体 ， 因此导致围岩的渐进破坏 。充填 体充人 到采 场 中 ， 尽管 充填 体 的强度低 和 承载 时变形 大 ， 但是 可 以起 到 维 护原 岩体 结 构 的作 用 ， 使 围岩 能够 稳定 和承受 荷载 ， 可 以避 免 围岩 结构 的突变 失稳 。 ③充填 体让 压作 用 由于 充填体 变形 远 比原岩体 大 ， 因此 充填 体能够 在维 持 围 岩 系统结 构 体 系 的情 况 下 ， 缓慢 让 压 ， 使 其 围 岩地 压能 够得 到一定 释放 ； 同时充填 体施 压 于围岩 ， 对 围岩起 到一 种柔性 支 护作用 ] 。 ④充 填体对 围岩 的作 用 充填 体对 围岩 的作用 包括 充填 体对 采场 顶板岩 层 、 两侧 煤 岩 壁 的作用 。 由于不 同 的矿 床 赋 存 条件 以及 采场围岩性质 、 充填材料种类和采矿方法等方面的差异 ， 其作用机理存在一定的差别， 但胶结充填体在体积 被 压缩 了很小 的情 况下 ， 可 承受较 大压 力 ， 即抵抗 采场 围岩变 形 的能 力较 大 ， 具 有 支撑 、 让 压 、 阻 止 围岩 变 形 或 位移 功能 ， 可 以达 到控制 大 面积地 压活 动 ， 起 到防 止冲击 地压 、 煤层 底板 突水 等灾 害 的作用 。 2 充填法 开采 地表沉 陷控制影 响 因素 充 填法开 采地 表沉 陷控 制主要 影 响 因素 有下 沉量 因素 和压缩 量 因素 。 郭 惟 嘉等 煤 矿 充填 法 开 采技 术研 究现 状 及 应 用 前 景 J o u r n a l o f Sh a n d o n g U n i v er s i t y o f Sc i e n c e a n d T e c h n o l o g y S c i e n c e ①下 沉量 因素 下沉 量是 指采场 附 近范 围 内的下沉 量 ， 其包 括充 填前 顶板 下沉 量 和充填 欠接 顶量 。 实 际生产 过程 中 ， 充 填总 是滞 后工作 面一定距 离 ， 顶板 总 是 要暴 露 出来 ， 工作 面 支 架难 以阻 止 顶板 处 于 平衡 状态 之前 所产 生 的运 动 。 因此 ， 在 矿体 采 出至充 填体 充 满 这段 空 顶 时 间 内 ， 顶 板 已产 生 较 大 的下 沉 量 ， 即充 填前顶 板下 沉量 ， 此 下沉量 是影 响矿 山开采沉 陷控制 的一个 主要 因素 。 在充填 时 由于充 填体 顶部 和煤 层顶 板存 在一 定 的空 间 尚未 充满 ， 充 填 体顶 部 至 煤 层顶 板 的距 离称 为 充 填欠 接顶量 。一 般 的胶结 充填 材料 由于 具 有 泌水 性 ， 充 填 接 顶率 达 到 7 O 以上 已很 高 ； 膏 体 的不 泌水 或 泌 水小的特性使其充填接顶率较高 ， 对充填工作是十分有利的。但 由于煤层覆岩赋存条件的复杂性 ， 如果煤层 开采 后顶板 支 护强度 达不 到设 计 的要求 ， 顶 板 的破 坏 会很 严 重 ， 容 易形 成 一个 个 下 沉 网兜 分 层 开 采 时 ， 造 成接 顶 的假 象 ， 这样 就会 降低充 填 体 的接 顶 率 ， 从 而造 成顶 板进 一步 下沉 ， 最 终导 致地 表产 生较 大 的变形 。 因此在 充填 时要 特别 注意 加强 对充 填前 顶板 下沉 量 的控制 和管 理 ， 以保证 煤层 采 出后 足够 的充填 空 间 ； 同时优 化充 填料 浆 的配 比 ， 减小 充填 体 的泌水 性 ， 尽量 减小 充填 欠接 顶量 。 ②压缩 量 因素 充填体的各种物理参数相对于煤层顶底板岩石来说都要低的多， 以相对“ 软” 的充填体置换相对“ 硬” 的 煤 ， 充填体周 围的顶 、 底在 较大 的顶板 压 力作用 下 ， 不 可避 免 地产 生 压缩 变 形 。工 作 面充 填 体 的 压缩 量 除 了 受到充 填体 的强 度 、 充 填材 料 的颗粒 级配 、 泌水 性 等 自身性 能 的影响 外 ， 还 与 围岩 压力 的大小 有关 。 充填体的压缩与充填材料的粒级组成 、 颗粒级配、 充填料浆 的泌水率和充填体 的体积模量等 因素有关 ， 因此 降低 充 填体 的压缩 可通 过 降低充 填料 浆 的泌水 率 和提 高充填 体 的体积 模 量来 实 现 。提高 充填 体的体 积 模 量需要提高充填 体的强度 ， 充填 体 的强度 和充填成本是 相互制 约 的两 个方 面 ， 可 在两个 因素 的对 比中找到 一 个合适 的充填体强 度以及对应 的充填成本 。目前我 国矿山各类充 填方法 工艺特点及减 沉效果如 表 2所示 。 表 2 各 类充填 方法工艺特点及减沉效果表 Ta b． 2 The t e c hn ol og i c al c ha r a c t e r i s t i c s an d t he ef f e c t i v e ne s s of su bs i d e nc e r e du c t i on f or al l t y pe s of b a c kf i l l i n g me t ho ds 2 袋装 充填及城市垃圾 充填 的应 用前景 2 ． 1 袋装 充填 1 袋 装充填 的原 理 城市垃圾 、 破碎矸石和黄河沙等 ， 在地面经过初步破碎 ， 通过地面投料系统输送到井下储料仓中， 经螺旋 给料机 给料 、 自动包装 机 打包 、 皮带输 送 、 液压 支架 架后 翻转 装置 把 充 填袋 翻 到 采 空 区 中。充 填 液压 支 架 的 功能是 实现 架前 掩护 采煤作 业 ， 架后 通过 翻转 装置 将 充填 袋 推 至采 空 区进 行作 业 。其基 本 原 理 是支 架 前 梁 下布置 综采 机组设 备 进行采 煤 作业 ， 支架 后方 设计 输送 机 和 翻转 装 置 ， 待装 满 城 市垃 圾 、 破 碎 矸 石 和黄 河 沙 的充填袋 经架 后 的输送 机输 送至 待充 位置 ， 经 推移装 置将 充填 袋 推至 采空 区 ， 完 成充 填 。 2 袋 装充 填 的工艺 及流 程 城市 垃圾 、 破 碎矸石 和 黄河沙 等 经收集 、 运 输 、 预 处理 包 括破 碎 、 分 选 等 后 ， 经 沥青 固化 包 括 固化后 i 山东科技大学 学 自 学 版 第 2 9 卷第 4 期 2 0 f 0 年 8 月 V o I 2 9 N o 4 A u g 2 0 1 0 物 质性 质强度 的测 定 、 场地 维护 包括 气体 、 液体 的监测 等 ， 通过 自主知 识产 权设 计 的输 送 系统输送 到井 下 的矸石仓 中 ， 经螺旋 给料 机和 自动 打包 机 ， 把充 填材 料装 成袋 ， 再 经输送皮 带 ， 输送 到综采 支架 自动卸 料装 置 上 。袋装 充填 工艺 流程 如 图 3所示 。 2 ． 2城 市垃 圾充填 1 城 市垃 圾 的危害 ① 污染水 体 垃圾 、 废 渣 随 雨 水 径 流 而 进 人 地 面 水 体 ； 垃 圾 、 废渣 中的 渗漏 水 ， 通 过 土壤 进 入地 下 水体 ； 细 颗粒 的垃 圾 、 废渣 还 能随风 飘扬 落入 地面水 体 ； 有 些城 市竞将 垃圾 、 废 渣直接 倒入 湖泊 、 河流 或海 洋 造成 更严 重 的污 染 。 固体废 弃 物造成 的水 体污 染 是非 常严 重和 可怕 的 。 ②污 染大气 某些 有机物 在 微 生 物分 解 过 程 中发 生恶 臭 ； F i g ．3 细颗粒 的废 弃物 、 运 输 和 处 理废 渣 过 程 中产 生 的 图 3 袋装 充填 工艺流程 图 Th e f l o wc ha r t of was t e ba g ge d ba c kf i l l i ng t e c hn ol o gy 有害气体和粉尘 ， 都可随风飘散 ； 工业废弃物煤矸石含全硫量达 1 ． 5 9 ／ 6 时会 自燃， 达 3 以上就会发火 ， 放 出 大量 的二 氧化硫 。 ③ 占用 污染 土地 固体 废物不 加利 用 时 ， 需 占地堆 放 ， 堆 积量 越大 ， 占地 也越 多 ， 据估 算 ， 每堆 积 1万 t 废物 ， 占地 约需 0 ． 0 6 h m 。垃圾 中的有 害物质 还会 直接 污染所 占用 的土 地 。 ④传播 疾病 不少 固体废 弃物 和垃圾 含有 毒有 害 物质 以及 病 原体 ， 除 通过 水 、 气 的媒 介传 播 外 ， 还 通 过 生 物来 传 播 。 目前我 国 9 0 以上 的粪便 、 垃圾 未经 无害 化处理 ， 直 接倾倒 ， 而且 医 院 、 传 染病 院的粪 便 、 垃圾 也混 人 普通 粪 便 、 垃圾 之 中 ， 广泛 传播 肝炎 、 肠炎 、 痢 疾 以及 各种 蠕虫 病 寄 生虫 病 等 。 2 城市 垃圾 的处理 方式 ① 填埋 处理 垃圾填 埋历史 久 远 ， 是 普遍 采用 的处理 方法 ， 因为 该方 法 简单 、 省 投 资 ， 可 以处理 所 有 种类 的垃圾 ， 所 以 世界各 国广泛沿 用这 一方法 。但 采用 填埋处 理 时埋掉 了大 量有 用物质 ， 同时填埋 场地 的选 择越来 越 困难 ， 运 输 、 填 埋 、 管理等 费用 也不 断提 高 ， 而 且填埋 占地 面积 大 ， 存 在二 次污染 。 ②堆肥 处理 堆 肥是 我 国 、 印度 等 国家处 理垃圾 、 粪便 、 制 取农肥 的最 古老 技术 ， 也是 当今世 界各 国均 有研究 利用 的一 种方法 。但 堆肥处 理 不能处 理不 可腐 烂 的有 机 物和无 机物 ， 而且 堆肥处 理周 期长 ， 占地 面积 大 ， 卫 生条件 差 ， 肥料 肥效低 、 成本 高 ， 与化肥 相 比， 经 济效益 差 。 ③焚烧 处理 焚烧 是指垃 圾 中的可燃 物 在焚烧 炉 中与氧 进行燃 烧 过程 ， 实 质 是碳 、 氢 、 硫 等 元素 与 氧 的化 学 反应 。焚 烧处理对垃圾低位热值有一定要求 ， 不是任何垃圾都是可以焚烧 的， 且焚烧设备一次性投资大 ， 运行成本高。 3 城 市垃圾 充 填原理 城市 垃圾废 弃物 充填 矿 山采空 区主要 是利 用垃圾 中的无 机 固体 部分 ， 因此 首先 要 对城 市 垃圾 进 行 预处 理 ， 将 垃圾 进行 集 中 、 筛选 ， 把有 机部 分进行 堆肥 或焚烧 处 理 ， 将可 回收利 用 的废 品直接 分 拣循 环 利 用 ， 将垃 圾 中无机 固体废 弃 物块度 较大 的进行 适 当破碎 ， 加入 少量 水泥及 适量 早强 剂 ， 加 入一 定量 的水 ， 配制成 膏状 ， 通 过专用 管道 输送 至充填 采 空区[ ] 。 4 城 市垃 圾充 填 的可行性 通过 对城 市垃 圾成 分及 矿 山采 空 区处理现 状 的分析 ， 可 以得 出城市 无机 固体 垃圾 的处理 和 矿 山采 空 区 的处理 可 以有 效地 结合 ， 实现 垃圾 的无 害化管 理 ； 城 市垃 圾 充填 采 空 区可 以有 效地 改 善 围 岩 的应力 状 态 ， 减 郭惟嘉等 煤矿 充填 法 开 采 技 术 研 究 现 状及 应 用 前 景 29 J o u r n a l o f Sh a n d o n g Un iv e r s i t y o f Sc ie n c e a n d T e c h n o l o g y 慧 } i I羽D t{ 冀 0 } - i 毗 妒 ’≮ H 睁 少地表的沉陷 ， 是改善采空区生态环境的有效措施 ； 采空区的围岩在采矿后很快就变形破坏 ， 在实际充填时， 水泥 、 垃圾 胶结充 填 物应加 入早 强剂 ， 提 高其前 期 强度 ； 垃圾 充填 时 为避免 水体 侵入 引起 地下 水层 的污 染 ， 应 将采 空 区围岩 进行 防渗处 理 ， 并及 时封 闭充 填后 的采 空 区 。 5 城 市垃圾 充 填 的应 用前 景及 意 义 我 国是矿 产开 采大 国 ， 每 年都 要开 凿数 万千 米 的井巷 和剥 离数 亿 吨的地 表 山体 ， 矿 山采 区内都 留下数 量 惊人 的地 下井 巷 、 地 下采 空场 和露 天矿 坑及 废石 场 。这些 采空 区如 不及 时 回填 ， 必 将 导致地 表 大面积 的沉 陷 和 山体 的大规模 滑 落 ， 破 坏生 态环 境 ， 危及 工农业 生产 和 人 民生 命 财产 的安 全 。如果将 我 国每 年采 出 5 0亿 t 矿石后所形成的采空区中的 5 ， 用城市垃圾作充填料进行 回填 处理 ， 每年也 可消纳 1亿 t 以上 的城市垃 圾 。因此 ， 实施 城市 垃圾 处理 与采 空 区充填 两结 合 ， 是 一 项有 助于 经济社 会 可持续 发 展 的具 有 重大 现实 意义 的绿色． 工程 。 3 结 论 实行 充填 法开 采不但 可 以实 现建 筑物 下压 煤 的开采 、 缓解 矿井 的辅 助提 升 ， 而且 可 以将 井 下产生 的矸 石 直 接进行 处理 ， 消 除矸石 地 面堆 X ,／ X 类生 存与 生活 环境 带来 的危 害 。因此 ， 充填 开 采对解 决 我 国“ 三下 ” 压 煤 、 城市 垃圾 处理等 问题 开创 了一 条新 的技 术途 径 ， 其 科 学 与工 程研 究 意 义 十分 重 大 ， 同 时研 究 成 果能 够 为 相 关政府 部 门宏观 规划 和决 策提供 技 术支 持 ， 具 有较 强 的现实 意义 。 参 考文 献 [ 1 ] 缪协兴， 钱呜 高． 中国煤炭 资源绿 色开采研 究现状与展 望[ J ] ． 采矿与安全 工程 学报 ， 2 0 0 9 ， 2 6 1 1 1 4 ． MI U X i e x i n g ， QI A N Mi n g g a o ． R e s e a r c h o n g r e e n mi n i n g o f c o a l r e s o u r c e s i n c h i n a c u r r e n t s t a t u s a n d f u t u r e p r o s p e c t s [ J ] ． J o u r n a l o f Mi n i n g S a f e t y E n g i n e e r i n g， 2 0 0 9 ， 2 6 1 1 1 4 ． [ 2 ] 李 白英 ， 郭惟嘉． 开采损害与环境保护[ M] ． 北京 煤炭工业 出版社 ， 2 0 0 4 ． [ 3 ] 张吉雄 ， 缪协兴 ， 茅献彪 ， 等． 建筑物 下条 带开采 煤柱矸 石置换 开采 的研 究[ J ] ． 岩石 力 学与工程 学报 ， 2 0 0 7 ， 2 6 s 1 2 6 8 7 2 69 3 ． ZHANG J i x i o n g， MI U Xi e x i n g， MAO Xi a n b i a o， e t a 1 ． Re s e a r c h o n wa s t e s u b s t u t i o n e x t r a c t i o n o f s t r i p e x t r a c t i o n c o a l p i l l a r mi n i n g [ J ] ． C h i n e s e J o u r n a l o f R o c k Me c h a n i c s a n d E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 7 ， 2 6 s 1 2 6 8 7 2 6 9 3 ． [ 4 ] 缪协兴 ， 张吉雄． 矸石 充填采煤 中的矿压显现规律分析E J ] ． 采矿与安全 工程 学报 ， 2 0 0 7 ， 2 4 4 3 7 9 3