綜合機械化矸石膏體充填技術的研究

摘 要：建設煤礦綠色開采生態礦山是煤炭工業今后的發展方向，而生態礦山的建設最關鍵的技術就是綜合機械化充填采煤技術。文章主要對煤礦膏體充填技術進行了研究，它不僅是防止煤礦開采引發各類環境破壞的重要技術措施，也是目前解決煤礦“三下”壓煤最為有效的方法。該技術不僅可以治理煤矸石、粉煤灰等造成的環境污染，還能實現廢物利用，在提高經濟效益的同時，保護了生態環境。膏體充填技術的核心是充填材料的性能，它的好壞直接決定著充填質量的優劣、充填成本的高低以及充填開采控制地表沉陷的效果。文章介紹了綜合機械化矸石膏體充填技術的定義、充填材料的制備、膏體充填材料的輸送系統以及充填液壓支架和充填工藝等，并根據目前膏體充填所存在的問題，提出了研究方向。

關鍵詞：綜合機械化；膏體充填；充填材料；液壓支架；充填工藝

世界上大部分的采煤國家都存在著大量的“三下”壓煤問題，德國、法國、波蘭等國家的煤礦都曾采用過充填法采煤，在緩解對環境污染的同時獲得了良好的經濟效益與社會效果。礦山充填技術的發展是為了滿足采礦工業的發展，充填采礦法至今已有數百年的時間了，在這漫長的時間里，先后經歷了廢棄物干式充填階段、水砂充填階段、細砂膠結充填階段和膏體充填、塊石砂漿膠結充填、全尾礦膠結充填、超高水充填等為代表的現代充填采礦階段，在慢慢改善環境保障充填效果的同時也取得了顯著的經濟和社會效益。文章從膏體充填材料制備、充填材料的輸送系統、充填液壓支架和充填工藝四個方面來對綜合機械化矸石膏體充填技術進行研究。

1 綜合機械化矸石膏體充填技術

矸石膏體充填的過程是一個先將矸石破碎加工，然后把矸石、粉煤灰、專用膠結料和水等四種物料按比例混合攪拌制成膏體漿液，再通過充填泵把膏體漿液輸送到井下充填工作面，充填由液壓充填支架和輔助隔離措施形成的封閉采空區空間的過程，整個充填工藝的流程可以分為矸石破碎、配比攪拌、管道泵送、充填體構筑等四個最基本的環節。

2 膏體充填材料制備

2.1 充填材料配比

（1）流動性能：新攪拌充填料漿的坍落度不小于180～220mm。

（2）可泵送時間：不小于4h，即從加水混合以后，靜置4h，仍然能夠正常泵送，這時候充填料漿無明顯分層，坍落度還保持在150～180mm以上。

（3）靜置泌水率：小于3%～5%。

（4）單軸抗壓強度：在實驗室標準條件下，8～10h不小于0.1～0.2MPa，在28d內不應小于1.0～1.5MPa。

（5）煤矸石最大粒徑應小于25mm，其中小于5mm部分占35～45%。

2.2 矸石破碎

根據到煤礦現場的實地考察，破碎煤矸石粒徑級配考慮了兩種規格，小于5mm的煤矸石和5～25mm的煤矸石，經過對兩種規格的煤矸石進行反復的實驗對比，得出以下結論：

（1）煤矸石最大粒度應該小于25mm。

（2）在所有矸石中，小于5mm的顆粒所占比例應在38%左右，這樣膏體充填材料的流動性能最好，不管是早期和后期強度都相對較高，最少不能低于30%，最高不應大于50%。

（3）用反擊式破碎機將矸石破碎到15mm左右以滿足充填，所需要的破碎機在出料口。寬度為40mm時破碎能力需要達到170t/h。

圖1 反擊式破碎機破碎能力與出料口寬度關系

2.3 配比攪拌

2.3.1 配比精度要求

根據材料配比實驗，要使材料流動性能穩定，充填料漿的質量濃度變化幅度要求必須嚴格控制在0.5%范圍內。

2.3.2 配比攪拌工藝

煤矸石、粉煤灰、膠結料和水在使用前儲存方式是：破碎加工好的矸石存放在矸石配料倉，粉煤灰、膠結料分別存放在各自的圓筒倉內，水存在蓄水池內。

3 膏體充填材料輸送系統

攪拌機攪拌好的料漿先放入漿體緩沖斗，靠漿體自重給充填泵供料，經充填泵加壓后的充填料漿通過管道，由充填鉆孔下井，再沿巷道管道輸送到充填工作面，在充填工作面采用膠管閥布料、控制采空區充填順序。為了避免管道堵塞，還需要在地面設立沉淀池、水溝，充填管每隔一段距離設置三通，防止充填管道和鉆孔發生堵塞。（見圖2）

3.1 流速選擇

膏體充填材料在管道輸送中的一個重要特點是無臨界流速，可以在很低的流速條件下長距離輸送，漿體的速度過高，料漿流動需要克服的水力坡降大，管道磨損速度也快，增大能量消耗，流速過小則充填能力不能滿足生產需要或需要增加充填管道內徑。

3.2 干線充填管道內徑和工作壓力

3.2.1 管道內徑的確定

煤礦對充填能力的要求要遠遠高于金屬礦山的要求，管道內徑的選擇跟系統充填能力和系統設計流速有關，根據下面公式可計算出充填管道允許的最小內徑：

；

其中Qj是充填系統能力，vj為流速。

3.2.2 充填系統最大工作壓力

充填系統壓力與充填料漿的流動性能、充填系統管路長度成正比關系。根據煤礦實際需要充填開采的工作面情況，折算出最遠時的水平距離L0，并考慮充填系統啟動的壓力P1，充填系統的最大工作壓力如下所示：

P0=P1+L0·i-△H·v

4 膏體充填支架

煤礦充填開采中，“全采全充”綜采的順序是“采煤-充填-凝固/檢修”。因此，研制膏體充填液壓支架必須滿足以下基本要求：（1）工作面采煤作業空間以及待充填空間頂板支護；（2）在充填液壓支架前移的同時，確保還能夠繼續保持對未凝固化新充填體有支護作用；（3）在充填過程中，液壓支架要起到隔離充填區的作用，確保采煤與充填在平行作業的時候對彼此影響小。根據上述要求，研制了采充一體化液壓支架，如圖3和圖4所示。endprint

如圖3、圖4所示，膏體充填液壓支架為四柱支撐式，其頂梁設有前伸縮梁、后伸縮尾梁和護幫板，采取了特殊的四連桿掩護板結構設計，將隔離板與四連桿機構有機的結合起來，同時配合輔助放漏措施，這樣的設計實現了采煤與充填作業空間頂板一體支護且能起到隔離墻的作用。

5 膏體材料充填技術工藝

膏體材料充填是一個將煤矸石、膠結料、粉煤灰和水等按照一定比例混合、攪拌，用充填泵輸送到井下充填采空區的過程，其具體的充填工藝流程如圖5所示。

圖5 膏體材料充填工藝

（1）將矸石破碎后，加入新型膏體膠結料作固化劑，制成膏體材料，通過泵壓管道輸送到采空區。

（2）矸石膏體配比濃度應大于80%，這樣流動性強，泵送時間應為2.5小時左右。

（3）膏體材料的初凝時間為4小時；其充實率約為90%。

6 研究展望

膏體充填開采是解決“三下”壓煤問題，控制地表淪陷，提高采出率的有效技術途徑，也是使固體廢棄物資源化、無害化的有效手段，是綠色開采技術的重要組成部分。由于煤礦膏體充填技術在我國發展尚未完全成熟，有許多問題需要研究解決。

（1）由于煤礦膏體充填技術是以煤矸石等大量固體廢棄物為充填原料，形成的充填體是否對地下水環境造成影響及影響有多大，這個方面需要進行深入研究。（2）充填管道磨損嚴重，我們必須對充填系統進行研究，進行優化，從而降低管道磨損程度，延長其工作年限。（3）必須進一步研究膏體充填材料的力學特性，從而保證充填體的長期穩定性。

參考文獻

[1]孫凱年.我國充填采礦法綜述[A].第2屆冶金礦山采礦技術進展報告會論文集[C].北京：中國金屬學會，1991.

[2]王爵鶴，佘固吾.充填采礦技術飛速發展的十年[J].長沙礦山研究院季刊，1991，11（1）：8～14.

[3]周愛民.我國礦山充填技術的最新進展[A].有色金屬學會首屆青年年會論文集[C].北京：中國有色金屬學會，1994，12.

[4]高士田.我國礦山膠結充填技術現狀及改進方向[J].有色礦山，1996（4）：1～4.

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[8]何哲祥，謝開維，張長青.活化攪拌技術及其在礦山充填中的應用[J].黃金，2000，21（9）：18～20.

[9]葉奧文.銅坑錫礦磨砂膠結充填質量評估[J].礦業研究與開發，1996，16（4）：5～8.

作者簡介：尚磊，學校：中國礦業大學（北京），專業：控制理論與控制工程，班級：2012級碩2班。endprint

如圖3、圖4所示，膏體充填液壓支架為四柱支撐式，其頂梁設有前伸縮梁、后伸縮尾梁和護幫板，采取了特殊的四連桿掩護板結構設計，將隔離板與四連桿機構有機的結合起來，同時配合輔助放漏措施，這樣的設計實現了采煤與充填作業空間頂板一體支護且能起到隔離墻的作用。

5 膏體材料充填技術工藝

膏體材料充填是一個將煤矸石、膠結料、粉煤灰和水等按照一定比例混合、攪拌，用充填泵輸送到井下充填采空區的過程，其具體的充填工藝流程如圖5所示。

圖5 膏體材料充填工藝

（1）將矸石破碎后，加入新型膏體膠結料作固化劑，制成膏體材料，通過泵壓管道輸送到采空區。

（2）矸石膏體配比濃度應大于80%，這樣流動性強，泵送時間應為2.5小時左右。

（3）膏體材料的初凝時間為4小時；其充實率約為90%。

6 研究展望

膏體充填開采是解決“三下”壓煤問題，控制地表淪陷，提高采出率的有效技術途徑，也是使固體廢棄物資源化、無害化的有效手段，是綠色開采技術的重要組成部分。由于煤礦膏體充填技術在我國發展尚未完全成熟，有許多問題需要研究解決。

（1）由于煤礦膏體充填技術是以煤矸石等大量固體廢棄物為充填原料，形成的充填體是否對地下水環境造成影響及影響有多大，這個方面需要進行深入研究。（2）充填管道磨損嚴重，我們必須對充填系統進行研究，進行優化，從而降低管道磨損程度，延長其工作年限。（3）必須進一步研究膏體充填材料的力學特性，從而保證充填體的長期穩定性。

參考文獻

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[9]葉奧文.銅坑錫礦磨砂膠結充填質量評估[J].礦業研究與開發，1996，16（4）：5～8.

作者簡介：尚磊，學校：中國礦業大學（北京），專業：控制理論與控制工程，班級：2012級碩2班。endprint

如圖3、圖4所示，膏體充填液壓支架為四柱支撐式，其頂梁設有前伸縮梁、后伸縮尾梁和護幫板，采取了特殊的四連桿掩護板結構設計，將隔離板與四連桿機構有機的結合起來，同時配合輔助放漏措施，這樣的設計實現了采煤與充填作業空間頂板一體支護且能起到隔離墻的作用。

5 膏體材料充填技術工藝

膏體材料充填是一個將煤矸石、膠結料、粉煤灰和水等按照一定比例混合、攪拌，用充填泵輸送到井下充填采空區的過程，其具體的充填工藝流程如圖5所示。

圖5 膏體材料充填工藝

（1）將矸石破碎后，加入新型膏體膠結料作固化劑，制成膏體材料，通過泵壓管道輸送到采空區。

（2）矸石膏體配比濃度應大于80%，這樣流動性強，泵送時間應為2.5小時左右。

（3）膏體材料的初凝時間為4小時；其充實率約為90%。

6 研究展望

膏體充填開采是解決“三下”壓煤問題，控制地表淪陷，提高采出率的有效技術途徑，也是使固體廢棄物資源化、無害化的有效手段，是綠色開采技術的重要組成部分。由于煤礦膏體充填技術在我國發展尚未完全成熟，有許多問題需要研究解決。

（1）由于煤礦膏體充填技術是以煤矸石等大量固體廢棄物為充填原料，形成的充填體是否對地下水環境造成影響及影響有多大，這個方面需要進行深入研究。（2）充填管道磨損嚴重，我們必須對充填系統進行研究，進行優化，從而降低管道磨損程度，延長其工作年限。（3）必須進一步研究膏體充填材料的力學特性，從而保證充填體的長期穩定性。

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作者簡介：尚磊，學校：中國礦業大學（北京），專業：控制理論與控制工程，班級：2012級碩2班。endprint