煤礦采空區膏體充填相關技術研究

段圓圓 李緒萍 劉艷青 徐榮斌

（內蒙古科技大學礦業研究院）

目前，我國遺留有大量各類礦山采空區。對于歷史相對久遠、無序開采時期遺留的大量未知采空區來說，其構成了礦區的重大安全隱患。隨著時間的推延，這些采空區或塌陷、或火災、或發生突水事故等，不僅影響后續正常的開采，而且礦山工作人員的生命安全備受威脅，同時還會污染土地資源和周邊環境。采空區大量存在的同時，有色、冶金礦山的開采與冶煉還伴隨著大量固體廢棄物排出，這些固廢的地表堆存嚴重污染外部環境。

要解決上述問題，科學地、統籌地進行充填，不僅可以充分利用礦山固體廢棄物，減少土地資源占用和環境污染，還可以達到安全回采、控制地壓避免塌陷的作用。

1 采空區膏體充填技術與充填機理［1-21］

1.1 采空區膏體充填技術

煤礦充填開采，顧名思義就是在開采結束后，人為地將一種或數種材料加工成混合體，并把它們輸送到需要的地方，這樣來保證安全開采，達到生態保護的作用。充填開采技術將開采沉陷與固體廢物利用高效結合起來，實現了開采的安全與科學發展，保證了安全。

采空區的膏體充填技術是一種新型充填技術，在整個填充階段，采用廢棄的煤矸石、粉煤灰、礦渣或爐渣等，通過一定手段制作成用于充填的膏狀。在填充時，主要利用膏體自身的重力進入采空區，在進行實際操作施工時，要注意把控好采空區寬度，使其在可控范圍內，膏體填充狀態也需要進行實時觀測，確保穩定性，使得工作人員的自身安全得到保證。

眾多實踐表明，膏體充填技術對于采空區的處理效果好，可對排放出的多種固體廢棄物進行循環利用，使得礦產資源得到有效綜合利用，使地表沉陷得到有效抑制，實現綠色安全開采。

1.2 充填作用機理

一直以來，國內外眾多學者、研究員從未停止對充填體與圍巖的作用機理研究。研究表明，相比圍巖，充填體具有密度較低、孔隙率較大的特點，能實現應力吸收和轉移作用及應力隔離作用、共同支撐作用。此外，由于采場采礦方法、圍巖的力學性質、選用充填材料的力學性能等不同，使得充填體對采場頂板、底板巖層及周圍礦柱的作用機理存在明顯差異，因此，在進行充填時需具體情況具體分析。

2 采空區的充填材料、配比及輸送性能

在傳統充填技術中，充填材料為人工砂石，成本高，最終的充填效果也達不到預期。隨著工業發展，工業廢棄物也隨之增多，不僅占用土地資源，還污染環境。利用固體廢棄物代替人工砂石，不僅降低了成本，還可以保護環境，因此充填材料的選擇原則：生產要安全、成本要低廉、來源要多元、不能破壞環境。從保護環境、節約資源、經濟有效的角度出發，就地就近取材，固體廢棄物為首選。

2.1 充填材料

2.1.1 膠凝材料

膠凝材料也稱膠結料，在特定的物理化學作用下，可實現固液轉化，即將粉末、散粒、塊狀材料作用成整塊或是直接使得漿液狀態直接凝結成為可用的固狀體。依據化學成分的差異，膠凝材料又分為兩大類：有機膠凝材料，如瀝青、橡膠等；無機膠凝材料，如水泥、石膏、石灰等。

2.1.2 充填骨料

充填骨料主要是指煤矸石、廢棄石塊等，需要滿足一定條件，其化學成分也要進行檢測，確保其中不含有有毒有害物質，在配置與施工過程中性質穩定不突變，也需要測定沉降速度與飽和濃度。

2.1.3 外加劑

外加劑是攪拌混凝土過程中的加入物，主要包括緩凝劑、早強劑等，外加劑可以一定程度上改善混凝土的抗碳化性，也會很大程度上對其抗凍性產生影響。還可以對充填料漿的性能進行加強，使得料漿不容易泌水或發生分離，更加方便運輸，并使得充填體的物理力學性質得到大的提升。

2.2 配比

制備充填料漿要以強度的相關要求為基礎，選擇適合量的充填材料，通過優化配比試驗，確定水灰比和灰砂比，依此來對充填料漿最終凝結后的強度做出判斷，也可以為最后的設計方案提供相關數據支持。根據測試的相關要求，做成邊長為7 cm的立方體試件塊，分別進行7 d、14 d和28 d的自然養護，養護后通過抗壓試驗機進行單軸抗壓強度測試等。與此同時，還要對充填漿料的流動性、漿料的濃度等指標進行測定，可通過擴散度試驗和坍落度試驗得到充填料漿流動性的數據，操作方便，應用廣泛。

2.3 充填料漿的輸送性

在管道輸送過程中，流動性極好的漿料不易堵塞或膨脹，可實現低壓流動。填充體的穩定性是確保其正常運行的先決條件。如果將填充漿料通過管道輸送到采空區，則管道中的漿料不會離析，采空區不會有大量的水，即充填料漿具有優異的穩定性。一般從泌水率、坍落度和可泵時間3個指標來判定充填料漿的輸送性能。

2.3.1 泌水率

管道輸送中漿料輸送性能的主要指標之一是滲漏率。當漿液滲出率高時，在運輸過程中容易離析和沉降，導致運輸緩慢甚至堵塞，于運輸不利。而且，高滲水率會影響填充體的性能，不利于填充體頂部充實，降低填充率，不能有效控制覆巖的運動和變形。為了確保填充漿料中的聚集物在管道運輸過程中不沉降，通常情況下充填料漿靜置泌水率應不超過5%。

2.3.2 坍落度

坍落度是充填材料流動性能的表征，與流動性成正比。當漿料的坍落度很低時，漿料的流動性差并且在運輸過程中將經受很大的摩擦阻力，這就需要更高的泵送壓力。當坍落度過高時，摩擦阻力小，但容易發生嚴重的泌水與離析，影響充填作業。通常情況下，坍落度為10 cm時泵送效果較好，高濃度膠結充填所需的料漿坍落度為20～25 cm流動性最優。

2.3.3 可泵時間

充填料漿可泵時間需控制在一定范圍內。若時間太長，將很難在指定的時間內使其穩定，若時間太短，則會在管道中固化，進而難以運輸。因此，在制備漿料時，必須嚴格分析影響可泵時間的種種因素。通過相關人員的大量研究，得出充填料漿的可泵時間一般以2～4 h為佳。

3 結 論

煤礦采空區的膏體充填法是安全綠色的開采方法，可以提高資源的開采率，消除地表塌陷隱患，提高開采效率，從而顯著提高煤礦企業的經濟效益和社會效益，有很強的推廣使用價值。