膠結填充采空區技術的工程應用

鄧紹云,寧東衛

(1.新疆應用職業技術學院,奎屯 833200;2.云南農業大學,昆明 650201)

膠結填充采空區技術的工程應用

鄧紹云1,寧東衛2

(1.新疆應用職業技術學院,奎屯 833200;2.云南農業大學,昆明 650201)

針對目前的主要能源生產行業煤炭開采業的采空區的填充技術進行了分析,指出膠結填充采空區技術的先進性和工程實用性;并對煤炭開采采空區的填充必要性和重要性進行了闡述;對膠結填充采空區的概念進行了闡述;對膠結填充采空區技術的工程應用的現狀進行了分析與評述;最后指出了目前膠結填充采空區技術的不足并指出了其發展方向。

膠結填充材料; 工程應用; 研究

基礎建設是國民經濟建設的基礎也是關鍵,是民生之本,固民之根。黨的十七大之后,黨和國家政府將民生列為當政之首,當政者關鍵工作之一。隨著我國經濟的騰飛、社會的發展、國力的強盛,中央和各地政府逐步加大基礎建設的步伐,能源工程是基礎建設中的一個非常重要的方面。

在目前能源緊張甚至枯竭,新的能源沒有得到充分開發與利用的今天,世界的能源主要依靠石油和煤及其產物。當今,對于石油開采技術不是很先進的我國,煤是最為主要的能源,在我國的能源應用方面占據主要陣地,在能源市場的比重超過50%,煤炭工業在我國能源開發利用中占據絕對引領地位。

但煤炭資源開采和應用過程中,因種種原因將附帶產生很多環境問題[1],其主要表現在:1)煤炭開采過程中所造成的地表塌陷,破壞地面的整體性;2)煤炭的選摙和燃燒所產生的矸石和煤渣的堆積對土壤和植被的破壞;3)煤炭開采過程中應用到一些化學物質將對水資源造成破壞和污染;4)煤炭的燃燒不完全所釋放的廢氣、毒氣和粉塵將對空氣產生污染。其中以第一條問題較為直觀,產生的后果極為直接顯現,應引起高度重視,并予以整治。

1 填充的必要性與重要性

煤炭的大面積開采已經使得我國許多礦區地面坍陷災害嚴重,部分甚至已造成地下水位嚴重下降,嚴重影響當地居民的生活和工作。同時,隨著煤礦開采范圍的擴大,越來越多的土地受到破壞,地面塌陷不但給當地居民的生活、工作帶來麻煩,破壞整體性地面,嚴重者,造成房屋倒塌,公路、橋梁斷跨,破壞交通樞紐和生產設備,甚至危及到當地群眾的生命財產安全,同時對生態環境造成嚴重影響。如何處理采空區塌陷問題,合理安全高效地回采建筑物下、交通樞紐線路下、水體下開采煤炭,將是目前我國亟待解決和處理好的一大問題,以便利于社會的和諧發展。

煤矸石因煤炭開采而生產,其量之大,可以用堆積如山來形容。目前在我國堆積如山的煤矸石噸位數之大,占地面積之廣,讓人驚駭[2]。煤矸石堆放在地面之上,經雨水霧氣的淋洗等,產生一系列的物理化學反應,一些有害物質極易被釋放進入土壤和水體中,且一些有害氣體被釋放出并進入大氣,對所在區域的生態環境系統造成嚴重的污染,危及人們的正常生活、生產及發展。所以,我們在考慮煤矸石的資源化、煤矸石的堆積污染問題的同時,想到將煤矸石作為主要填充物,對煤炭地下采空區進行填充。

所以,將煤矸石和粉煤灰等廢料作為充填材料,采用膠結充填是適合于我國煤炭資源消費狀況以及開采現狀的最佳選擇,極為必要和重要。

2 膠結填充采礦區的概念

膠結填充是將采集來的或加工成的尾砂、煤矸石等材料摻入適量的膠凝材料如水泥、石膏等,加水混合攪拌制備成膠結填充料漿體物質,沿鉆孔、輸送管、挖槽、鉆洞等向采空區輸送及堆放,接著使漿體物質在采空區中脫去多余的水形成具有一定強度和整體性的充填體;或將準備好的煤矸石、沙石等按照一定的配合比摻入適量的膠凝材料和細顆粒膠粘物質,加水混合形成低等級類混凝土物質,或將事先配制好的水泥砂漿或凈漿,與砂石、塊石及其他塊料等分別送入煤礦井下,將這些材料先充入采空區,然后用壓力灌注、水淋、噴灑稀的膠粘物質等方式,將砂漿或凈漿包裹在這些填充塊料等表面,逐步膠結形成具有一定形狀特性和強度特性的填充體[3,4]。

膠結填充是填充開采技術中效果較為良好的一種技術,該技術的三個關鍵方面在于:1)填充材料配合比的設計;2)填充設備和工藝的選擇和應用;3)填充體控制巖層移動變形理論的完善。其中,第一點又是重中之重,關鍵所在。配合比恰當的填充材料是填充采空區施工選料成功的基礎,膠結填充材料在目前我國煤礦開采中得到廣泛應用,且應用效果較佳。

膠結填充技術能否得到成功應用,其填充材料的性能和質量等特性起關鍵作用,決定著填充效果,甚至整個工程的進展與成敗。如果填充材料物理化學及力學性能較好、膠結凝固能力大、初凝時間不長,終凝時間不短,強度大,具有一定的塑性和力學協調性,則對于上部覆蓋體的支撐能力強,控制其上地面沉陷效果明顯;若其配合比、和易性等特性不好、不合適,則輸送也困難,輸送到位后也難以達到預想的工程效果。

故,填充材料的優化配制生產和應用,適中的配合比選用應該與填充工程實際相關聯,人們必須對影響填充材料性能的諸多有關因素進行細致地分析和探究,并因地制宜將其應用到工程實踐中去。

3 工程應用現狀

一邊填充,同時采礦是在采礦工程過程中,在工作全面推進的同時,不斷向采空區輸送填充材料,來及時控制圍巖的移動變形和地面變形或坍塌。在填充體的作用下,可以達到提高采礦作業的安全性,同時對防止地面塌陷具有較好的控制作用。

礦物填充開采技術的發展已有一定的歷史,其種類繁雜,有較為科學的分類,是根據填充材料和輸送方式的不同來分類,可以分為:1)干式填充;2)砂石填充;3)膠結填充。其中干式填充較為簡單明了,即將具有一定力學性能的固體物質等干式材料用一定的方法輸送到指定的待填區域,形成可壓縮的松散填充體。這種填充方式較為早期,歷史悠久,但效率較低,生產能力小,而勞動強度非常大的特性因滿足不了日益擴大的采礦生產需要漸被淘汰。砂石填充是采用泵送貨自重流方式將一些塊料干式填充材料等與礦井中的一些廢水拌合成漿體,輸送到礦井下填充到指定的挖空區域。砂石填充的效果較好,材料來源廣泛,減沉效果也較好,但其涉及到排水問題,排水工藝較復雜、麻煩,費用較高,填充量較小,填充體的強度不如人意,從而逐步被后來的膠結填充技術給取代。膠結填充與砂石填充的區別就在于膠結填充過程中加入了膠結材料如水泥、石膏、石灰等等,這些膠結材料與水發生反應產生出具有膠結能力的產物將零散的砂石、塊料等膠結合成一個整體,從而達到一定強度、一定形態的填充體。

目前,隨著科學技術的發展,工藝的創新,材料科學的日益發展,新材料、新工藝的產生,膠結填充技術和材料得到了很好的開發和應用,并不斷更新應用于工程實踐,填充材料得到了擴充,其性能得到提高、膠結機理得到探索明確、強度影響因素得到了制約、管道輸送能力有了提高,工程施工效率得到了提升,工程效果得到了改善,工程業績得到了增大,新型填充材料得到了開發與利用,種類繁多起來,膠結材料的類型得到了拓展,配合品種和輔助材料及外加劑花樣繁多,使膠結填充材料市場空前繁榮。

歸納膠結填充材料根據其特性大致分為:1)干式材料有混凝土或類混凝土材料、塊料如塊石、碎料如碎石等;2)低含水材料有膏體材料、似膏體材料;3)高含水量材料如稀料等等。干式材料必須加入流塑態膠凝物質,而含水材料本身就必須含有一定量和一定功效的膠凝材料物質。

混凝土和類混凝土材料作為填充材料具有取材方便、制作簡單、勞動強度小、成本低并可以充分利用煤矸石作為混凝土配制的骨料,但這些優勢無法填補其終凝時間較長、強度增長的時間較長、初期強度低的缺點。在膠結填充中可以將煤矸石為粗骨料、粉煤灰作為細集料、硅酸鹽水泥作為膠結材料。

塊料和碎料結合膠凝材料的膠結填充技術是在混凝土材料填充技術的基礎上發展起來的,其主要是將采礦所得廢棄石塊和碎石等有一定力學性能和強度的干料和水泥砂漿或水泥凈漿混合而成,但因水泥砂漿終凝時間較長,從而需加入早強劑,以提高早期強度,也因此其應用得到限制。

膏體填充材料屬高濃度膠結填充材料,其質量濃度高達百分七十五以上,要求具有一定的塑性,同時具有一定的流動性,且流動性不是很大。如今我國工程實際中所用的膠體材料多由膠結料、煤矸石和粉煤灰等材料按一定的比例配制而成,較為粘稠呈膏狀。其塑性大、粘度高和屈服應力大,流動性差,將其輸送到礦下采空指定欲填充區域較困難,須采取特殊的設備加壓輸送,成本較高,代價大。其特性是:該材料的膠體中的固體顆粒難以發生沉淀,層間不發生交互流動,不易發生泌水現象,水分散發難,時間長,但所需的凝固時間較短,能在較短時間內,對填充區域圍巖和上方頂板產生作用,降低采空區閉合的可能性。

似膠體填充材料的配制中的膠結材料是使用砂土固結材料或將冶金渣 、粉煤灰、煤矸石等各種工業廢棄物磨細后再“凝聚”而成的“石頭”,該材料骨料一般選用煤矸石、粉煤灰和尾礦砂,其主要的特點是填充體強度接近膏體填充體強度,塑性減弱,但流動性增大,較膏體填充材料更好,容易輸送到指定的填充區域,但不脫水或少量脫水,終凝時間較長。

高水材料是最近開發利用的一種新型填充材料,它是以鋁酸鈣或硫酸鋁鈣等為母料,以石灰、石膏和外加劑等為籽料,經磨細、均化等工藝而混合制成的固體粉料。比較其他填充材料來說,其具有很多優勢:1)漿材顆粒細,滲透性能好;2)主、配料單獨加水攪拌而成的漿液在一天的時間里不凝結,但混合起來,凝結時間大大縮短,在幾分鐘到幾個小時不等,因配合比不同而在不同的時間里凝結,故可以根據需要而調配;3)這種材料終凝后不再析水,強度高,抗滲性能非常好,有微膨脹的特性,破壞后能再凝結膠結再生。

隨著科技的發展,工程實際的擴充,填充材料將不斷開發與應用,新的填充技術也將不斷涌現,但無論哪種技術,一般要求填充材料具有如下特性:材料充足、取材方便;性能好、強度高;安全可靠、便于施工;價格低廉、成本較小。

4 問題與展望

1)傳統膠結填充材料中所用的膠凝材料較為單一,多為普通硅酸鹽水泥,而水泥花費較高,從而大大提高材料生產成本,致使工程造價較高。為降低工程成本要求人們必須尋找較為低廉同時膠結能力不是很差的可替代膠結材料,如粉煤灰、高爐灰渣等工業廢物能廣泛應用到填充工程中,則一方面可以降低工程成本,另一方面可以節能減排,改善生態環境。

2)填充材料的配合比設計時,缺乏考慮后期填充體對采空區的作用機理,而導致片面基于增大填充材料的后期強度,使成本大大劇增,不太經濟合理。該現象理應得到改善,應該做到填充材料的強度與其作用機理相適應,適中即可,經濟合理。

3)粉煤灰、高爐礦渣等活性材料沒有得到充分的利用,其在填充材料中的作用機理、成分適中比例的探究、活性的激發等有待深入研究。

4)填充材料的流動性和流變性能的研究不夠深入細致,填充漿體的輸送施工工藝的研究沒有得到充分認識和實踐,從而使得其最終凝結固化效果得到嚴重影響。

5)實驗室研究和工程現場試驗嚴重脫節,兩者之間應該建立其相關研究成果的分析,從而使實驗室研究成果能較好地應用到工程實踐中去,以正確指導實際生產。

[1] 汪 平.論述我國煤炭開采技術現狀及展望[J].低碳世界,2014(1):118-119.

[2] 柴天興.煤炭開采過程中的安全管理問題及策略[J],能源與節能,2014(10):13-14.

[3] 楊井志.充填技術在采礦工程中的應用[J],黑龍江科技信息,2014(2):6-7.

[4] 荊延林.充填采礦技術應用發展及存在的問題[J].科技與企業,2014(1):209-210.

Application of Cement Filling Gob Technology Engineering

DENG Shao-yun1,NING Dong-wei2
(1.Xinjiang Application and Career Technical College,Kuitun 833200,China;
2.Yunnan Agricultural University,Kunming 650201,China)

This paper analyzed the filling technology which is a major energy producing industry coal mining industry gob,and pointed out the advanced technology and engineering practicality of cemented fill gob.The need and importance of fill goaf for coal mining was described.The concept of cemented fill goaf was expounded.And this paper analyzed and reviewed that cementing with the status quo filled gob technology engineering applications.Finally the shortcomings of current technology cemented fill and gob the development direction were pointed out.

cement filler material; engineering applications;research

2014-08-23.

自治區教改科研項目(ZJ12-018);新疆高職精品課程項目;新疆應用職業技術學院精品課程項目.

鄧紹云(1971-),博士,博士后,副教授,高級工程師.E-mail:nhrisydeng@126.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.038