矸石-粉煤灰廢棄材料在采空區(qū)充填中的應(yīng)用

劉恒祥 李小龍 李子煜 賈傳洋

摘? 要：煤矸石、粉煤灰為生活中常見的廢棄物，為避免廢棄物提升到地面集中堆放，減少對(duì)地面環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)廢棄材料合理利用的目標(biāo)，通過優(yōu)化充填材料配比與配合材料運(yùn)輸環(huán)節(jié)，完善充填系統(tǒng)與工藝，探索矸石-粉煤灰廢棄材料充填新方法，最終實(shí)現(xiàn)“三下”壓煤的充填置換開采，延長礦井服務(wù)年限，逐漸消滅礦井矸石山，達(dá)到綠色環(huán)保開采的總體目標(biāo)。

關(guān)鍵詞：矸石? 粉煤灰? 配合比? 泵送? 充填

中圖分類號(hào)：TD265? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-098X（2020）11（c）-0018-03

Application of Gangue-fly Ash Waste Material in Goaf Filling

LIU Hengxiang1? LI Xiaolong2? LI Ziyu1? JIA Chuanyang1*

（1.College of Civil Engineering and Architecture， Linyi University， Linyi， Shandong Provnice， 276000 China;2.Shendong Ulan Mulun Coal Mine， Ordos， Inner Mongolia Autonomous Region， 017000 China）

Abstract： Coal gangue and fly ash are common wastes in daily life. In order to avoid the wastes being raised to the ground for centralized storage， reduce the impact on the ground environment， and achieve the goal of rational use of waste materials. By optimizing the proportion of filling materials and the transportation of matching materials， improving the filling system and technology， and explore new methods for filling gangue-fly ash waste materials. Finally， the ultimate realization of the three-underground mining filling and replacement mining， extend the service life of the mine， and the gradual elimination and cancellation of mine gangue hills to achieve the overall goal of green mining.

Key Words： Gangue; Fly ash; Mixing ratio; Pumping; Filling

我國是煤炭開采量和使用量大國，煤矸石是煤炭開采的主要廢棄物[1-5]，煤矸石從井下運(yùn)輸?shù)降孛娌粌H造成礦井提升運(yùn)力的緊張和浪費(fèi)，煤矸石在地面堆積也影響地面矸石堆放區(qū)及其周圍的生態(tài)環(huán)境，占用大量土地和污染土壤，如圖1所示。同時(shí)，礦區(qū)三下（村莊下、水下、公路鐵路下）壓煤嚴(yán)重，影響采場接續(xù)，另外煤矸石大量的采出也造成采場空間的擴(kuò)大，巖層移動(dòng)和地表沉陷加劇，若能實(shí)施矸石充填采空區(qū)，用矸石置換煤，控制地表下沉，實(shí)現(xiàn)井下產(chǎn)生的矸石不上井，既是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，創(chuàng)建資源節(jié)約型、環(huán)境友好性社會(huì)的需要，也是延長礦井開采壽命、有效利用資源、解決“三下”壓煤開采難題及實(shí)現(xiàn)礦井持續(xù)發(fā)展的重要手段。

1? 充填材料來源

1.1 煤矸石

煤矸石就地取材，煤礦開采過程中掘進(jìn)率高，煤矸石排出量大，矸石的主要來源為半煤巖施工回采巷道及部分準(zhǔn)備巷道。煤矸石以中細(xì)塊為主，有少量大塊。根據(jù)充填材料泵送要求，矸石粒度須小于30mm，煤矸石經(jīng)碎石機(jī)破碎后，經(jīng)篩板使粗細(xì)顆粒滿足泵送條件，未達(dá)到要求的進(jìn)行二次破碎。粒徑配合比例為：細(xì)骨料（<10mm）占總骨料級(jí)配的70%，且細(xì)粉狀（<0.1mm）比例大于20%，10～30mm占總骨料級(jí)配的30%。

1.2 粉煤灰

煤礦周邊配有發(fā)電廠，粉煤灰來源充足，對(duì)于泵送充填材料，粉煤灰具有重要作用。粉煤灰的主要化學(xué)成分為SiO2、Al2O3及CaO，可替代部分水泥用量，降低充填成本，摻入粉煤灰使得不同粒徑級(jí)配的煤矸石密實(shí)、滑潤以及充填料更易膠結(jié)。不同電廠粉煤灰的質(zhì)量差別較大，應(yīng)選粒度細(xì)的粉煤灰，Ⅱ級(jí)以上的粉煤灰制成的矸石充填料質(zhì)量較好，易泵送且膠結(jié)強(qiáng)度高。粉煤灰技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

2? 材料配比試驗(yàn)

2.1 配比設(shè)計(jì)要求

為了滿足配合材料遠(yuǎn)距離輸送要求，采用礦用矸石充填泵進(jìn)行管道輸送，為了達(dá)到充填材料泵送目的，充填材料需滿足穩(wěn)定性、可塑性、流動(dòng)性及長距離可泵性，使矸石-粉煤灰配合材料順利流過輸送管道，矸石充填料不離析、不阻塞[6]。

2.2 配合比選擇

根據(jù)充填用途不同，充填料可用矸石、水泥、粉煤灰、外加劑進(jìn)行配比。結(jié)合相應(yīng)工程施工經(jīng)驗(yàn)，在不加減水劑的情況下，為滿足矸石充填料泵送要求，水：粉煤灰配合比例須達(dá)到1：1以上。通過配合比試驗(yàn)研究，確定矸石-粉煤灰配合材料質(zhì)量配合比，即水：粉煤灰：煤矸石=1：1：10或水∶粉煤灰∶煤矸石=1：1：9。

由于采空區(qū)充填距離較長，可增加充填材料坍落度，配合比設(shè)計(jì)應(yīng)增加水及粉煤灰用量，同時(shí)減少煤矸石用量。同時(shí)若提高充填材料強(qiáng)度并早強(qiáng)，可適當(dāng)添加水泥和早強(qiáng)劑，水泥添加量應(yīng)結(jié)合配合材料強(qiáng)度要求進(jìn)行調(diào)整。另外為了增加充填材料的流動(dòng)性，可適當(dāng)添加泵送劑。

3? 工程實(shí)施

3.1 充填工藝

泵送充填工藝涵蓋了矸石選取、破碎、運(yùn)輸，粉煤灰添加、配合料攪拌及泵送等工序，具體流程如圖2所示。矸石由礦車運(yùn)至翻籠處，經(jīng)翻籠到達(dá)小矸石倉，矸石通過溜子輸送，經(jīng)過除鐵器進(jìn)入碎石機(jī)，按照矸石粒徑級(jí)配設(shè)計(jì)滿足要求后進(jìn)入大矸石倉，大矸石倉下部設(shè)運(yùn)矸皮帶，矸石由運(yùn)矸皮帶運(yùn)至攪拌機(jī)和充填泵處，矸石和粉煤灰加水經(jīng)攪拌機(jī)攪拌后進(jìn)入充填泵，充填泵通過管路將充填物運(yùn)送至待充填工作面。

根據(jù)充填方案的回采工藝，工作面為對(duì)拉工作面布置，勞動(dòng)組織為三八制作業(yè)，每小班組織一個(gè)正規(guī)循環(huán)，每循環(huán)進(jìn)尺1.0m，回采工作面每天進(jìn)尺3.0m，單面長120m，采高按0.9m，每單面產(chǎn)生的采空區(qū)空間為：3.0×120×0.9=324m3，根據(jù)矸石產(chǎn)出量及采空區(qū)面積，采取一工作面回采生產(chǎn)另一工作面進(jìn)行采空區(qū)充填的方式，另外根據(jù)添加粉煤灰的比例為10：1，充填所需矸石量為300m3，另外矸石倉有240m3的緩沖能力，保證了充填的連續(xù)性，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)沖平衡。

3.2 設(shè)備選型

泵送充填主要設(shè)備包括煤矸石充填泵、煤矸石碎石機(jī)、煤矸石攪拌機(jī)、粉煤灰輸送機(jī)等，具體參數(shù)如表2～表5所示。

4? 結(jié)語

采用泵送矸石-粉煤灰混合材料充填技術(shù)充填采空區(qū)完成后，覆巖破壞與地表移動(dòng)變形得到有效控制，保護(hù)了地面村莊與鐵路等建筑物。同時(shí)充填技術(shù)工藝簡單，易操作，勞動(dòng)強(qiáng)度低，機(jī)械化程度高，避免了矸石上井的提升運(yùn)輸環(huán)節(jié)，減少煤礦安全隱患，降低了運(yùn)輸費(fèi)用、設(shè)備購置費(fèi)用，矸石充填技術(shù)的發(fā)展將為解放我國煤礦村莊等建筑物下壓煤，實(shí)施以矸換煤工程，提高了煤炭回收率，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的綠色開采技術(shù)，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)保意義。

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