煤矿膏体充填开采工艺的探讨.pdf

第 3 2 卷 第l 0 期 煤 炭科 学 技 术 2 0 0 4 年l 0 月 煤矿膏体充填开采工艺的探讨 瞿群迪，周华强，侯朝炯，关明亮 中国矿业大学 能源科学与工程学院，江苏 徐州2 2 1 0 0 8 摘要 根据煤矿绿色开采的发展要求和村庄压煤开采的迫切性，提 出了膏体充填不迁村采煤技 术。通过研制专用膏体充填胶结料和选择廉价的充填材料，大幅度降低 了膏体充填成本 ，提 出了适 合煤矿应用的膏体充填方法，并结合某矿条件介绍 了煤矿膏体充填开采的具体工艺流程。 关键词膏体充填；不迁村采煤；充填工艺 中图分类号T D 8 5 3 ． 3 4 文献标识码 B 文章编号0 2 5 3 2 3 3 6 2 0 0 4 1 0 0 0 6 7 0 3 Di s c u s s i o n o n mi n i n g t e c h n o l o g y wi t h p a s t e b a c k fil l i ng i n mi n e Q U Q u n d i ， Z H O U H u a q i a n g ， H O U C h a o - j i o n g ， G U A N Min g l i a n g S c h o o l o fE ner g y S c ie n c e a n d E n g i n e e r i n g ， C h i n a U n i v e r s i t yofM i n i n g a nd T e c h n o l o g 3 ， X u z h o u 2 2 1 0 0 8 ， C h i na 中国矿业大学钱呜高院士最近提出了煤矿绿色 开采技术 ，充填开采技术是绿色开采技术的重 要组成部分，是解决煤矿开采环境问题 的理想途 径。当前，研究解决村庄等建筑物下大量压煤开 采，实现不迁村采煤更应受到重视。我国村庄压煤 具有量大面广的特点 ，人 口密集的河南 、河北、山 东、安徽 、江苏五省压煤的村庄达 1 0 9 4个 ，住户 1 1 万户，占我国村庄总压煤量的5 5％以上，仅兖 州矿业集团 1 0 9个村庄压煤就达 5 ． 5亿 t 。村庄 下压煤开采涉及到土地 、环境保护 、工农关系等社 会各方面问题。目前，从村庄下采出的煤量仅 占其 压煤可采储量的 4％ ，其中7 5％以上还是靠搬迁 村庄之后采出来的 ，而村庄搬迁费、塌陷土地赔偿 费已达到 2 0万 户 ’ ，并且对矿区环境造成了 严重破坏 1 传统的不迁村采煤方法 村庄等建筑物下的大量压煤不仅造成煤炭资源 的巨大浪费 ，并且严重制约矿井的正常生产和接 续。通过几十年的努力，村庄下采煤技术的整体水 平有了较大的提高。目前，能实现不迁村采煤的主 要方法是条带开采和充填开采 ，特别是两者的有机 结合。 条带开采是控制地表移动和变形的最有效方法 之一。其最大优点是在不改变采煤工艺的前提下， 较大幅度地减少地表沉降 ，在无法采取其它措施的 条件下采出部分建筑物下压煤 ，最大缺点是采出率 低 ，资源浪费严重，且生产效益较低 。 充填开采是实现不迁村采煤 、提高煤炭采出率 的最有效途径 ，以水砂充填开采应用最多，效果也 最好。波兰采用以水砂充填为主的充填法采出了建 筑物下压煤总量的 8 0％，我国抚顺 、阜新、新汶 等矿区也应用 了该项技术并取得 了较好的技术效 果。但水砂充填开采存在工艺复杂、不利于机械化 生产 、效率低 、成本高等问题 ’ ，近 十多年来 ， 国内几乎未用该技术来开采村庄下压煤。 2 膏体充填技术在煤矿应用的可行性 在水砂充填基础上发展起来的膏体充填技术 ， 在煤矿应用 很少 只在德 国 M o n o p o l 、Wa l s u m等 煤矿得到应用 ，但其特有的技术优势使得该项技 术在金属矿山得到了快速发展，并已成为 2 l 世纪 金属矿山充填技术 的一个重要发展方向 一 。我 国 金川有色金属公司、大冶铜绿山铜矿也先后从 2 0 世纪 9 0年代开始应用膏体充填技术 ，并取得 了较 好的技术经济效果。 要解决煤矿开采对水资源、土地资源、建筑物 等造成的破坏 ，特别是当前亟待解决的不迁村采煤 问题 ，应用膏体充填技术是最理想的方法之一 ，但 在煤矿应用膏体充填技术与金属矿山又有较大差 别。一方面，金属矿山工作面围岩较稳定完整 ，充 填作业一般是在工作面回采结束后一次完成的，且 对充填体的早期强度无特别要求 ；而煤层顶板的稳 定性较差，充填作业必须与采煤作业协调进行 ，一 67 维普资讯 第3 2 卷 第1 0 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 4 年1 0 月 般要求在直接顶主体 尚未垮落前及时充填采空区， 并要求充填体有一定的早期强度，形成一个以膏体 充填体为主体的支撑体系，从而有效控制岩层移动 与变形。这就要求解决膏体充填系统与煤矿开采系 统的协调问题 ，而在膏体充填料浆的制备和输送等 方面则可借鉴金属矿山的有关工艺。另一方面，目 前金属矿山膏体充填成本较高，一般金属矿要求充 填体最终抗压强度大于 4 M P a ，水泥用 量 2 0 0 ～ 2 5 0 k m ，成本 8 O歹 亡 ／ m 左右 ，这是煤矿难以承 受的 因此 ．只有降低膏体充填成本 ，膏体充填技 术在煤矿才有生命力。降低膏体充填成本的主要途 径为① 采用来源广泛的廉价固体废弃物，降低 充填材料的单位成本；② 基于岩层控制的关键层 理论 ，确定膏体充填不迁村采煤对充填体力学特性 的合理要求及合理充填量 ，从而降低对充填体的强 度要求和减少充填材料用量。 最近研制了 P L和 s L两个系列复合膏体充填 胶结料 ，能够满足不同条件矿山膏体充填工程的需 要，并具有以下显著特点① 能够与含泥量高的 各种集料正常凝结固化 ，为最大限度地应用各种固 体废弃物创造了十分有利的条件；② 在极少用量 条件下 胶结料含量一般 2％ ～5％就能使制 作的膏体料浆形成所需强度的固化体，并且早期强 度高，后期强度持续增长；③ 生产成本低 。根据 金属矿山膏体充填的情况，充填胶结料和其它充填 材料的成本分别要占充填总成本的6 0％和 3 0％左 右，因此 ，P L和 s I 两个系列复合胶结料为减少膏 体充填胶结料用量 、采用廉价的充填材料 ，从而大 幅度降低膏体充填成本创造了有利的技术条件。根 据华东地区 2个煤矿的试验，膏体充填开采增加吨 煤成本分别为 1 7 ． 8 7元 部分充填和 2 0 ． 7 2元 全部充填 ，低于搬迁村庄所增加的成本。 因此，采用膏体充填技术解决村庄压煤开采问 题在经济上是可以接受的，而在工艺方面，可以借 鉴金属矿山膏体充填和煤矿水砂充填的成功经验。 3 煤矿膏体充填工艺 煤矿膏体充填就是把煤矿就近的煤矸石 、粉煤 灰、工业炉渣等固体废弃物制作成不需脱水的膏状 浆体 ，通过泵压或重力作用，经过管道输送到井 下 ，适时充填采空区的方法。根据煤层赋存条件的 不同，对采空区充填程度的要求也不同，煤矿膏体 充填可以分为全部充填 、短壁间隔充填 、长壁部分 68 充填 、离层区充填，冒落采空区充填等方法。 煤矿膏体充填工艺流程分为材料准备、配料制 浆、管道泵送 、工作面充填等四大部分，图 1 为华 东某矿设计的膏体充填系统工艺流程。 图 1 膏体充填 系统工艺流程 3 ． 1 材料准备 煤矿膏体充填材料主要为煤矸石、粉煤灰、工 业炉渣 、城市固体垃圾 、劣质砂等固体废弃物。对 于粒度较小的材料经过简单处理 筛除大于2 0 m m 的块料及线状杂物等就可进入料仓备用，当采 用煤矸石等大块材料时，还需对其进行适当的破碎 处理。为了降低胶结料用量 ，还可以对部分粉煤灰 采用机械磨细和碱性激发等手段激发粉煤灰的化学 活性。 ． 膏体充填胶结料通过风力输送到胶结料仓备 用，充填用水由水泵从水池或水井泵送至搅拌机。 3 ． 2 配料制浆 煤矿膏体充填材料中胶结料掺量极少 ，按照一 般混凝土的概念 ，是一种 “ 极贫” 混凝土，必须 按照设计的浓度，以及各种材料的配比准确制备充 填浆体 ，并充分混合均匀，才能够保证充填材料流 动性能 、凝结固化性能，井下回采工作面充填才能 够达到预期的地表沉陷控制 目标。 根据材料配比实验，要使材料流动性能稳定 ， 充填料浆的重量浓度变化范围必须控制在0 ． 5％以 内，这要求物料称量的误差小于 2％。为保证充 填料浆的配置质量 ，采取 了以下技术措施 ① 批 次配料，每种材料在静态条件下称重计量；② 采 用先进 、稳定性能好的高精度称重传感器；③ 配 料系统采用工控微机 和 P L C可编程控制器控制， 配料过程实现程序化 、自动化。另外，受充填成本 维普资讯 第3 2 卷 第1 0 期 煤 炭 科 学 技 术 2 0 0 4 年1 0 月 的限制，不可能对充填材料进行脱泥、脱水等处 理，不同地点、不同时间所取充填材料的含泥量、 含水量不可避免有较大的变化和波动 ，这些变化将 影响充填料浆的重量浓度。 为了保证膏体充填材料流动性能、强度性能稳 定 ，需要快速 、准确测定河砂 、粉煤灰的质量变 化 ，并及时调整配比。 根据煤矿膏体充填材料的特点 ，选择周期式混 凝土搅拌机强制搅拌 ，加料 、搅拌 、出料按周期进 行循环作业 ，因而易于控制配比和搅拌质量。 3 ． 3 管道泵送 膏体充填料浆采用混凝土泵加压管道输送。搅‘ 拌机搅拌好的料浆先进入浆体缓冲斗 ，再靠浆体 自 重向充填泵进料斗加料，经充填泵加压后的膏体料 浆通过充填管，经过充填站附近的充填钻孔下井 ， 再沿在巷道布设的充填管输送到充填工作面，在充 填工作面采用液压转换阀控制采空区充填顺序。 充填泵和充填管的选择应根据充填能力 、充填 管线长度、膏体料浆特性、流速等综合确定。膏体 充填料浆在管道输送中的一个重要特点是无临界流 速 ，可以在很低的流速条件下长距离输送。流速过 高，料浆流动需要克服的水力坡降大 ，管道磨损速 度也大 ，对泵送压力的要求也高；流速过小 ，则充 填能力不能满足生产需要。一般膏体充填系统设计 流速 0 ． 7 ～1 ． 0 m ／ s 。 3 ． 4 工作面充填 膏体充填系统与煤矿开采系统的协调是煤矿膏 体充填开采必须解决的关键问题 ，由于采用膏体充 填开采解决不迁村采煤在国内外还属首次，如采用 综采膏体充填工艺需要设计专门的液压支架 ，项 目 的投资及风险都较大，因此在试验初期采用普采膏 体充填工艺为宜。普采工作面进行膏体充填 ，首先 必须在工作面控顶区与待充填区之间构筑一道隔离 墙 ，形成一个 “ 封闭” 的待充填空间，为实现这 一 目标提出了塑料编织布隔离、组合式钢质模板隔 离二个方案。塑料编织布隔离与传统水砂充填的设 置砂门子相似 ，国外波兰胶结水砂充填也采用塑料 编织布作隔离墙 ，此方案可以进一步减少项 目的初 期投资。专门设计的组合式钢质模板及其与单体液 压支柱 、金属铰接顶梁的连接件可以和单体液压支 柱 、金属铰接顶梁配合形成具有隔离充填料浆、高 度和倾斜调节功能、拆装方便的隔离墙。钢质模板 具有足够的刚度和强度，能重复使用，也可以降低 膏体充填体的构筑成本。 图2为普采膏体充填工作面布置示意图。 图2 普采膏体充填工作面布置 组合式钢质模板安装完成后，通过沿工作面按 一 定间隔布置与工作面充填管路相连的布料管向待 充填空间充入膏体充填料浆。工作面正常充填程序 如下 1 检查准备 ，确保 系统正 常、设 备完好。 在前一充填循环完成以后 ，管道内应该保持充满清 水 ，新的充填循环应该在这种条件下正常开展工 作 ，否则 ，必须先泵送清水，直到输送管道内充满 清水以后，才能够进入正常充填作业程序。 2 实施 “ 浆推水” 。在泵送膏体料浆前 ，先 利用清管器在充填管道中装入清洗球 ，然后开动充 填泵 ，使清洗球前面是清水 ，后面是浆体，清水通 过泵压经充填管路排到采区巷道的排水沟内，当清 洗球出管后，利用液压转换阀使充填料浆经工作面 充填管路充入待充填空间。 3 轮流充填。充填管路内清水排尽后，充 填料浆通过工作面充填布料管按一定间隔时间轮流 充填待充填空间，直到充填完毕，充填管切换的间 隔时间应根据膏体料浆可泵时间、充填点有效范围 内浆体充满程度等综合考虑。 4 实施 “ 水推浆” 。在充填量达到设计充填 量之前，为备用泵准备好清水，达到设计充填量 后，先利用清管器装入清洗球 ，然后切换到备用泵 管路，停止充填泵 ，启动备用泵，实施水推浆。充 填管内的料浆继续充入待充填空间，清洗水排到采 区排水沟内，管路冲洗干净后，转换阀切换到截止 状态 ，使管路内充满清水。 5 结束充填工作。地面充填站要彻底清洗 搅拌机、膏体充填泵 ，井下充填工作面，则需要收 集清洗球 ，送到地面充填站，备以后再用。 4结 语 在煤矿应用膏体充填不迁村采煤技术是可行性 下转第 7 3页 6 9 维普资讯 第 3 2 卷 第1 0 期 煤 炭科 学 技 术 2 0 0 4 年1 0 月 此影响，不宜把斜角放大。分析起来 ，影响井斜的 主要原因是稳定器太短了，起不了稳定作用。在油 田、煤炭冻结等施工垂直度要求高的钻孔时，多采 用满眼钻进原理，加长粗径钻具 以保持垂直孔不 斜。现在应充分利用条件 ，加长超前孔稳定器高 度，增 加撬 板层 数 ，搞 配装 型式 多层 导 向稳 定 ，以便拆卸吊运。靠钻头质量铅重原理的作用 是有限的，要把 3 0 0 t 重的垂体水平推移 0 ． 0 8 ％， 只用 2 4 0 k g即可。扩孔钻头稳定器 只要保证旋转 稳定性就足够 了，只要超前钻垂直了，扩孔钻头会 自动跟着前进。发现局部孔斜 ，在下级扩孔钻头 上 ，沿边刀处装 3组刮刀 ，超 出滚刀高度 1 0 0 m m 左右，即可顺利完成。 2 采用罐式刀座，降低刀盘与工作 面的间 隙，以加大泥浆流速，以便更好地起到冲洗作用。 刀具布置时 ，尽量减少阻挡，可设计冲积层与岩层 混合模式 ，钻冲积层适 当少装刀，钻岩层再装上 ， 尤其中心部分更应如此。 3 目前使用的刀具 ，寿命都较短，不是齿部 不耐磨就是内脏密封性差 ，还有更甚者把刀壳都打 碎了，给钻进 、打捞带来 了困难。理想 的刀具应 上接第 6 9页 的，膏体充填开采作为一项新工艺、新技术 ，在我 国煤矿同样具有强大的生命力和广阔的应用前景 ， 膏体充填技术在解决煤矿村庄下压煤开采问题的同 时 ，还为煤矸石 、洗选矸石 、粉煤灰 、工业炉渣 、 城市固体垃圾等废弃物开辟了新的处理途径，为有 效推进煤矿绿色开采创造了条件，具有深远的经济 意义和社会意义。 应用膏体充填技术解决煤矿不迁村开采问题在 国内外还属首次 ，而且膏体充填开采技术含量较 高，充填料浆的制备与输送 、充填设备的选择、系 统设计 ，以及工作面充填工艺与设施等均有独特的 技术要求 ，在开始实践时无疑可能存在某些不完善 之处。因此，在工业性试验期间，还要加强对充填 工艺的研究 以及试验数据的系统采集和详细分析， 并对地表变形沉陷规律进行详细观测，为相关工艺 技术的提升和推广积累经验 ，奠定基础。 是齿尖强度高，不崩裂 ，耐磨 ，壳体韧性大 、强 度大，内脏应 自成一体 ，呈装配状，不应用壳体作 轴承外圈。每把刀承受能力在 5 t 以上，每把刀的 寿命应以破岩量来衡量，最少破岩量在 5 0 m ／ 刀 以上 ，才能适应深钻要求。采用刮刀时，除了结构 上能够减少泥包作用外 ，还应在刀体强度、刀齿刃 面镶焊硬合金加强硬度。实践证 明，采用刮刀钻 进，即可以提高钻进效率 ，又可以大幅降低钻进经 费消耗。 4 采用超前鱼尾装置 ，目的在于搅起扩孔 时落人前一钻孔中的钻屑。两淮等地区冲积层为第 四系，含砂多，较松散，采用两翼鱼尾即可搅起吸 收，但这里第三系冲积层黏土多而黏，落人前一孔 底 ，又形成较黏结土层 ，尤其是块状岩层掉落岩块 后 ，两翼鱼尾受力不均匀，应改为三翼型，使吸收 口位于井底工作面锥角以下较为合适 。 作者简介王怀志 1 9 6 2一 ，男，安徽凤台人 ，高级 工程 师 ，现为泰安强力矿建科技有限责任公司副总经理。 收稿 日期2 0 0 4 0 4 1 9 ；责任编辑刘军娥 矿业大学学报 ， 2 0 0 3 4 ． [ 2 ] 李凤明，耿德庸 ．我 国村庄下采煤的研究现状 、存在问题 及发展趋势 [ J] ．煤炭科学技术 ，1 9 9 9 1 ． ’ [ 3 ] 黄乐亭 ．我国村庄下采煤的现状与发展重点 [J] ．矿山测 量，1 9 9 9 4 ． [ 4 ] 徐向阳，赵经彻 ，何满潮 ．建下煤炭资源可持续开采的合 理选择 [J] ．中国矿业 ，1 9 9 7 4 ． [ 5 ] 张华兴，赵有星 ． 条带开采研究现状及发展趋势 [ J] ．煤 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