煤礦采礦中的充填工藝及充填材料

馬志國

（七臺河職業學院，黑龍江七臺河　154600）

煤礦采礦中的充填工藝及充填材料

馬志國

（七臺河職業學院，黑龍江七臺河154600）

充填是采用充填類采礦法的生產工序。煤礦充填是復雜的系統工程，涉及充填材料選擇、充填混合料配比優化、充填料漿制備及輸送、充填工藝、充填質量保證等諸多環節。如果任一個環節發生問題，都會造成嚴重后果，造成資源浪費，而且可能產生重大安全事故，影響煤礦可持續發展。本文主要闡述了礦山采礦的充填工藝、充填材料、基本參數等問題。

采礦充填工藝充填材料

充填是采用充填類采礦法礦山的生產工序。煤礦充填是復雜的系統工程，涉及充填材料選擇、充填混合料配比優化、充填料漿制備及輸送、充填工藝、充填質量保證等諸多環節。如果任一個環節發生問題，都會造成嚴重后果，造成資源浪費，而且可能產生重大安全事故，影響煤礦可持續發展。

1　充填工藝

（1）干式充填。我國早在20世紀50年代就采用了以處理廢棄物為目的的廢石干式充填工藝。干式充填是將掘進廢石等干充填料利用運輸設備運至待充填地點進行充填的工藝，由于它的效率較低、生產能力較小和勞動強度大，不能滿足強采、強出、強充的采礦生產的需要。后來，國內干式充填法所占的比重逐年下降。

（2）水砂充填。水砂充填是將充填骨料加水制成質量濃度較低的砂漿，利用管道、溜槽、鉆孔等自流輸送到待充填地點進行充填的工藝。在水砂充填中水僅僅作為輸送物料的載體，充入采空區后，充填料留：采空區，水滲濾出去，沿巷道水溝流入水倉，通過排水和排泥設施將滲濾出的清水和隨清水流失的細泥排出地表。

（3）膠結充填。20世紀60-70年代，我國開始開發和應用膠結充填技術。膠結充填是把膠凝材料（水泥）、骨料、水混合形成濃度較高的漿體，通過鉆孔或管道，自流或加壓輸送到待充填地點實施充填的工藝。充入采場的水泥砂漿經過一定時間養護后，成為固化體控制地壓。在膠結充填中水是輸送物料的載體，充入采空區后，除一部分參與水泥反應外，多余的水分通過脫濾水設施滲濾出去，沿巷道水溝流入水倉，通過排水和排泥設施將滲濾出的清水和睫清水流失的細泥排出地表。

2　充填材料

隨著科學技術的進步，及國家可持續發展戰略對環境同題的日益重視，礦山所用的充填材料已從傳統的山沙、河沙、海沙、細石等自然沙石或人工沙石向以粉煤灰、尾砂、爐渣等工業廢料過渡。

（1）充填骨料。在20世紀50年代廣泛應用掘進廢石作為充填料進行干式充填， 20世紀60-70年代，發展應用山沙、河沙等作為混凝土膠結充填料的骨料或以河沙、脫泥尾砂等細砂為充填料或充填骨料，以兩相流管道輸送方式進行水砂非膠結充填或膠結充填；20世紀80年代以后，由于高濃度全尾砂膠結充填等新型充填技術成功，不進行分級、脫泥處理的全尾砂已成為最具發展應用前景的充填骨料。

充填材料應是惰性材料，不含揮發有害氣體，含硫不應超過5%～8%。水砂充填，膠結充填骨料要求化學性質穩定，顆粒本身要有一定的強度，具有較好的滲透性能。山沙、河沙以及爐渣等的粒徑較尾砂要大得多，在輸送時最大粒徑要小于管徑的三分之一，且接近管徑三分之一的顆粒不宜超過15%。①廢石。大多數礦山對廢石（含煤矸石）的應用盡可能地在井下就近處理，直接回填于采空區。破碎廢右依各礦山的不同需要。②工業固體廢料如磷石膏等作為充填骨料回填井下，能解決礦山充填骨料來源問題，同時可以解決固體廢料地面堆放帶來的環境污染，經濟效益、社會效益和環境效益巨大；但固體廢料能否用作充填骨料以及作為充填骨料時的充填配比，必須通過試驗研究加以確認。

（2）膠凝材料及替代品。應用最廣泛的充填膠凝材料為普通硅酸鹽水泥，此外還有一些水泥代用材料如爐渣、粉煤灰等。①水泥硅酸鹽水泥。在膠結充填體內，水泥發生水化反應，將骨料膠結在一起，形成固化體。②粉煤灰粉煤灰是從燃煤粉的熱電廠鍋爐煙氣中收集到的細粉末，其成分與高鋁黏土相近，主要以玻璃體狀態存在。③水淬爐渣金屬礦山企業的冶煉廠，其工業廢料爐渣珂常是在冶煉銅、鋅、鉛等金屬的生產過程中，在高溫條件下從爐內排出的廢碴，并通過水淬使之急劇冷卻而成粒狀，即可作為水泥代用品使用。

3　基本參數

管道輸送的水砂充填或膠結充填料漿是典型的固渡兩相流，影響兩相流輸送特性和充填質量的基本參數包括充填倍線、充填物料和充填漿體的物理力學性質、充填配比、流動性能等。

3.1流量和流速

充填系統生產能力可用漿體流量來表示。流量是單位時間內充填系統所能輸送的漿體的體積。流量大小取決于充填料配比、管道直徑、充填倍線等指標。流速是充填管道中漿體的流動速度。管道輸送充填漿體，流速如果太低，固體顆粒容易沉底，造成管道堵塞。為維持充填料漿輸送過程中固料處于懸浮狀態，避免堵管，流速必須大于一臨界值，該臨界值稱為臨界流速。在臨界流速下，管道水力損失最小，固體顆粒能夠保持懸浮狀態。管道自流輸送充填漿體流速一般為3～4m/s。

3.2水力坡度

漿體在管道中的流動必須克服與管壁產生的摩擦阻力和產生湍流時的層間阻力，統稱摩擦阻力損失，即水力坡度。充填料漿水力坡度的計算，在水力輸送固體物料工程中占據極其重要的地位。在深井充填中，它關系到管道直徑的選擇、輸送速度的確定，降壓措施及滿管輸送措施的選擇、耐磨管型的選取等關鍵參數，因此其作用尤為突出。

4　充填料漿制備與輸送系統

充填料漿一般在地面充填制備站制備，然后通過輸送系統輸送到待充地點進行充填。充填料漿制備與輸送系統一般包括充填物料儲存與輸送系統、充填料漿攪拌系統、充填料漿輸送系統和充填過程控制系統四部分組成。

5　工作面充填工藝

所有充填準備工作完成后，即可進行采場充填，采場充填應做到：（1）按地表充填料漿制備站充填材料儲備情況，確定能連續充填的時間，以確定每次連續充填的地點與高度；（2）充填開始時，先下清水進行引流，待采場充填管道出口見到清水后，再開啟充填固料輸送裝置，攪拌形成漿體，進行正式充填：（3）為提高充填體質量，減少采場泄水量，應盡可能提高充填料漿濃度；（4）充填結束時，在停止固料添加的同時，加大供水量進行洗管；待采場充填管道出口見不到固料顆粒后，停止供水，結束充填工作；（5）膠結充填時，要待充填體養護一定時間，達到作業要求時，才能進行下一分層的回采作業。

馬志國（1959—），男，漢族，黑龍江勃利人，七臺河職業學院 副教授，從事采礦教學與研究工作。