煤炭生產(chǎn)安全及環(huán)境存在問題分析及新型填充材料應(yīng)用的探討

丁江林

（云南煤礦安全技術(shù)中心，云南 昆明 650205）

1 煤炭生產(chǎn)和消費帶來的問題

煤炭開采和加工過程中產(chǎn)生的煤矸石約為煤炭產(chǎn)量的10%～15%。目前我國有煤矸石山1500多座,約40億t,占地1.33萬hm2以上,而且每年以1億t的速度增長,每年新增占地400多hm2。煤矸石的堆積不僅占用大量土地,而且煤矸石中所含的硫化物散發(fā)后會污染大氣和水源,造成嚴(yán)重的后果。煤矸石受雨水沖刷,常使附近河流的河床淤積,河水受到污染。煤炭開采還造成礦區(qū)地表塌陷,地下水遭到破壞。煤炭的消費也造成嚴(yán)重的環(huán)境污染。我國76%的電力由燃煤電廠提供,隨著我國火力電力工業(yè)的迅速發(fā)展,粉煤灰的排放量急劇增加,據(jù)統(tǒng)計,1995年我國粉煤灰排放量為1.25×108t,到2000年已達(dá)到1.53×108t,預(yù)計到2010年將達(dá)到2×108t以上。這不僅造成土地資源的浪費,更重要的是造成嚴(yán)重的大氣污染、土壤污染、水資源污染,危害人類健康。

2 目前存在的問題及對策

為減少采煤工作面頂板事故,煤炭行業(yè)采取了多項技術(shù)措施,如:加強地質(zhì)勘探,及時預(yù)報工作面地質(zhì)構(gòu)造;改進工作面支護裝備和技術(shù),加強采煤工作面的支護管理和生產(chǎn)管理等。這些措施對減少采煤工作面頂板事故起到了積極的作用。但總體來看,問題并沒有從根本上得到解決。采煤工作面頂板事故仍時有發(fā)生,嚴(yán)重威脅著煤礦工人的生命安全和影響礦井經(jīng)濟效益的提高。

煤矸石和粉煤灰的處理和資源化利用近年來得到了很大的發(fā)展。煤矸石和粉煤灰的利用包括:在建筑工程中作筑路材料,生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥、無熟料水泥等;在建材工業(yè)中生產(chǎn)空心砌塊、加氣混凝土、裝飾制品及多種保溫材料;在化學(xué)工業(yè)中生產(chǎn)結(jié)晶氯化鋁、硫酸鋁等化工原料以及制備分子篩等。然而就全國范圍來看,煤矸石和粉煤灰的利用還有待于大力發(fā)展,如2000年煤矸石的綜合利用率僅40%,粉煤灰的全國平均利用率1997年為41%。

為控制和減輕地表塌陷,目前采取的主要技術(shù)途徑有部分開采、覆巖離層帶注漿和充填開采等。部分開采主要包括房式開采和條帶開采,其原理是利用留下的矩形或條帶形煤柱支撐上覆巖層控制地表塌陷。其中條帶開采在國內(nèi)應(yīng)用最為廣泛?，F(xiàn)場監(jiān)測研究表明,應(yīng)用條帶開采技術(shù),地表下沉系數(shù)為全部垮落法開采的4.8%～26.8%。條帶開采的最大缺點是造成資源的永久損失,已成功的實例表明其面積采出率不超過50%。

覆巖離層帶注漿是近幾年提出的一種新的地表塌陷控制方法。其實質(zhì)是注漿充填開采過程中上覆巖層中形成的離層空間,阻止開采空間的向上傳遞,阻止和減緩上覆巖層繼續(xù)下沉,從而控制和減輕地表塌陷。部分實驗工作面采用該技術(shù)后取得了一定效果。但離層帶注漿實現(xiàn)的難度較大,目前還難以廣泛應(yīng)用。

充填開采法用河砂、卵石等將工作面后方的采空區(qū)進行充填,從而控制上覆巖層的移動和地表塌陷。充填開采法比垮落開采法引起的巖層移動及地表下沉量小,工作面頂板壓力也小,有助于減少頂板事故,改善井下安全狀況。但傳統(tǒng)的充填采煤法由于勞動強度大,成本高,目前在我國已很少使用。然而由于充填采煤法的特殊作用,其仍然是不可缺少、不可忽視的采煤方法,尤其在目前綠色開采日益受到重視的條件下。只要能降低充填成本,減輕勞動強度,改善技術(shù)經(jīng)濟指標(biāo),充填采煤必然大有用武之地。

3 似膏體充填技術(shù)的提出及其優(yōu)點

在金屬礦山,自20世紀(jì)60年代初期尾砂水力充填以來,充填采礦方法得到了迅速發(fā)展。目前發(fā)展起來的水力膠結(jié)充填和膏體膠結(jié)充填技術(shù),推動了礦山的技術(shù)進步和充填理論的發(fā)展。然而,上述水力膠結(jié)充填技術(shù)卻存在充填體強度低、井下需脫水及井下環(huán)境污染等問題;而膏體膠結(jié)充填技術(shù)卻因一次性投資大,工藝設(shè)備復(fù)雜,輸送可靠性差等原因,使其在更廣泛領(lǐng)域的應(yīng)用及發(fā)展受到了限制。

在廣泛調(diào)查國內(nèi)外礦山充填現(xiàn)狀、分析存在問題的基礎(chǔ)上,結(jié)合當(dāng)前充填發(fā)展方向,提出了“似膏體充填新技術(shù)”。所謂“似膏體”,就是看起來像膏體的意思。似膏體充填料漿所用的膠凝材料具有早期強度高,固結(jié)細(xì)粒級的能力強等優(yōu)點。似膏體充填料漿骨料的選擇從流變性能的要求出發(fā),實現(xiàn)粗細(xì)粒級的合理搭配,并特別注重微細(xì)粒級的最佳摻量,因此充填料漿流動性好,脫水少。似膏體充填技術(shù)具有以下優(yōu)點:

1)充填效果良好。該技術(shù)具有一般水力充填中料漿流動性能好,易于實現(xiàn)管道輸送的特點。同時又具有膏體充填濃度高,井下不脫水或少量脫水,強度高,接頂效果好等特點。

2)充填成本進一步降低。用新研制的凝石(該材料于2003年11月在清華大學(xué)通過鑒定)作膠凝材料。凝石以工業(yè)固體廢棄物(煤矸石、粉煤灰等)為基本原料,來源廣泛,成本低廉。另外,凝石性能優(yōu)越,可以降低膠凝材料的用量。因此充填成本可大幅度降低。

3)可利用尾砂、河砂、粉煤灰等作骨料,有利于環(huán)境保護。凝石的膠結(jié)機理不同于傳統(tǒng)水泥。傳統(tǒng)水泥膠結(jié)骨料的機理是包裹理論,即水化產(chǎn)物把骨料的每一個顆粒都包裹起來,因此,固結(jié)細(xì)粒級骨料的能力差,而凝石膠結(jié)骨料的機理是焊接理論,通過共價鍵把骨料焊接在一起,所以對細(xì)粒級骨料有較強的固結(jié)能力,如能固結(jié)各種粒級組成的全尾砂,甚至大量含泥的河砂。充填體強度比相同條件下的水泥膠結(jié)充填體高。

4 似膏體充填料漿的試驗研究

利用煤矸石和粉煤灰作充填材料,對似膏體充填料漿的配制進行了實驗。實驗中煤矸石分為兩部分使用,少部分經(jīng)低溫(約900℃)煅燒后磨細(xì)至比表面積約500m2Pkg,加入少量成巖劑并均化即制得凝石。凝石水化數(shù)小時即可生成鈣礬石和C-S-H凝膠,從而保證充填體的早期強度,水化反應(yīng)中期和后期生成多種C-S-H凝膠和鋁硅酸鹽類凝膠,所以充填體強度持續(xù)增長。大部分煤矸石破碎后作為粗骨料使用,為避免料漿在輸送過程中出現(xiàn)堵管事故,破碎后的最大粒徑不超過.95cm,具體粒級分布見表1。

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粉煤灰在充填料漿中作為具有活性的細(xì)集料。粉煤灰的活性一般包括物理活性和化學(xué)活性。物理活性產(chǎn)生的效應(yīng)包括減水效應(yīng)、微集料效應(yīng)和密實效應(yīng)。減水效應(yīng)是球形顆粒產(chǎn)生的,球形玻璃微珠的“滾珠”作用使摻粉煤灰體系的流動性提高,降低了需水量。微集料效應(yīng)是粉煤灰顆粒(尤其是惰性的晶體顆粒)充當(dāng)微小集料,使集料的匹配更加合理,空隙率降低,填充率提高。密實效應(yīng)是微集料效應(yīng)和火山灰效應(yīng)共同作用的表現(xiàn)?；鹕交倚?yīng)使粉煤灰形成類似托勃莫來石次生晶相,填補水膜層和骨料的空隙,提高密實度?；瘜W(xué)活性主要來源于熔融后被迅速冷卻而形成的玻璃態(tài)的顆粒(多孔玻璃體和玻璃珠)中可溶性的SiO2,Al2O3等活性組分。試驗所用粉煤灰取自山東某電廠,其45μm篩余為44%,化學(xué)成分見表2。

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似膏體充填料漿塌落度的測量采用自制的小型塌落度筒,其上口直徑36mm,下口直徑64mm,高60mm。塌落度大于20mm為安全流范圍,安全流意味著充填料漿像一定濃度條件下的水力充填料漿一樣安全流動。

似膏體充填體強度的測定按照標(biāo)準(zhǔn)方法成型試件,試件規(guī)格為 70.7mm×70.7mm×70.7mm,試件成型后,在標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護8h后拆模,并在規(guī)定條件下養(yǎng)護至齡期。分別測定8h,1,3,7,28d單軸抗壓強度。

似膏體充填料漿配合比的確定要遵循成本低、制備簡單、流動性和強度滿足要求等原則。根據(jù)這些原則并經(jīng)過試驗確定的料漿配合比:濃度80%,凝石含量5%,粉煤灰含量26%,煤矸石含量49%。這一配合比的似膏體充填料漿塌落度為26mm,在安全流范圍內(nèi),能夠?qū)崿F(xiàn)管道安全輸送。充填體固化后單軸抗壓強度:8h大于0.15MPa,24h大于0.35MPa,3d大于0.7MPa,7d大于0.9MPa,28d強度達(dá)1.6MPa以上,能夠滿足充填采礦對強度的要求。這一配比的料漿體積質(zhì)量為1.84t/m3,凝石消耗量為92kgPm3。目前金屬礦山充填料漿的水泥消耗量一般為200kgPm3左右。所配制似膏體充填料漿的成本僅為金屬礦山用水泥作膠凝材料的充填料漿成本的50%左右。用普通425#硅酸鹽水泥作膠凝材料的充填體,在同樣條件下的對比試驗表明,其強度明顯偏低,如8h強度和28d強度分別低于0.1MPa和0.8MPa,體現(xiàn)了凝石和傳統(tǒng)水泥相比具有的優(yōu)勢特性。

5 結(jié)論及展望

5.1 凝石作為新型膠凝材料具有優(yōu)良性能,能在用量極少的條件下,達(dá)到符合要求的強度。

5.2 煤系固體廢棄物經(jīng)適當(dāng)加工后可制成似膏體充填材料。對采空區(qū)進行似膏體充填可達(dá)到處理廢棄物、改善采煤工作面安全狀況、減輕地表塌陷等3個目標(biāo)。

5.3 雖然用凝石代替?zhèn)鹘y(tǒng)水泥配制的似膏體充填料漿成本較低,但從煤礦自身的眼前利益出發(fā),充填采煤未必是最佳方案。因此,為了全社會的長遠(yuǎn)利益,呼吁政府制定相關(guān)政策以支持和鼓勵似膏體充填采煤法的推廣應(yīng)用。

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