1、专题部分矿用充填材料与充填技术发展摘要：据国家能源局统计，目前我国煤炭资源探明剩余可采储量为1842亿吨，以现有的储量和消费水平仅够使用50年。其中，“三下”（建筑物、道路、水体下）压煤量约140亿吨，如果采用防止地表沉陷的条带开采方式，回收率仅为30%至50%。据统计，在我国东部矿区，“三下”压煤量已普遍超出可采储量的50%。我国煤炭资源埋藏较深，95%的煤炭资源靠井工开采，一直沿用简单的垮落式开采方式，带来的生态问题越来越严重。因采煤造成的土地塌陷、地下水流失、煤矸石占压土地、环境污染、因搬迁补偿不到位引发的上访不断等问题，影响了矿区生态与社会和谐。全国煤矿采空区土地沉陷累计达100万公顷
2、左右，每年新增采空区6万公顷左右。以上数据充分说明，实施煤矿充填开采在中国当下的必要性和现实意义。关键词：煤矿，充填材料，充填技术，发展。1 充填开采技术简介充填开采是随着采煤工作面的推进，向采空区送入矸石、膏体等充填材料，并在充填体保护下进行采煤的技术。充填技术主要包括充填材料、充填设备与工艺、采动岩层充填控制理论等方面。与金属体充填比较，煤矿充填的主要特点是成本要求更低，充填材料成分复杂，早期强度要求高。充填材料强度是充填技术的核心，对充填质量的优劣、充填成本的高低以及充填开采控制地表沉陷的效果起着决定性作用，发展充填技术的关键是研究成本低廉、性能可靠的充填材料。研究充填材料及其性能，确定
3、合理的充填材料强度，对控制充填材料的成本，保障充填效果，实现保水保环境开采具有重要的理论和实践意义。煤矿充填材料的特点煤矿充填材料的一般要求l 成本要求低、充填成本增加、充填工艺复杂势必会阻碍充填技术的应用和发展，因此，充填材料和充填工艺是充填技术的重要组成部分。l 充填材料要求来源广泛，根据煤矿对充填材料价格低、来源广的基本要求，煤矿一般采用矸石或风积沙等固体废弃物做骨料，以水泥或水泥代用品做胶凝材料来充填。l 早期强度要高，充填体充填采空区后，前期不但要有足够的强度保持自立外，还要对顶板起到一定的支撑作用，因此，其早期强度要足够。l 地表沉陷控制要求高，膏体充填可灵活地运用到控制地表沉降变
4、形的技术当中，其强度及充填参数的协调配合可调整整个充填开采的效果和费用。经过实践探索，我国已经建立了固体物充填、膏体似膏体充填和高水超高水充填三大类工艺技术体系。2 固体物充填工艺2.1矸石材料概述固体物充填的主要充填物料为井下原生矸石、地面矸石山矸石、洗选矸石及电厂粉煤灰等。煤矿矸石是煤矿开采的主要废弃物，矸石在地面堆积影响地面周围生态环境及占有一定地面土地。煤矸石自燃是矸石中碳物质燃烧。在煤矸石自燃的过程中，燃烧充分时主要生成CO2，燃不充分时则CO增多。此外还产生游离碳(表现为黑烟)，随着温度增高，部分矸石熔融，矸石山空隙减小，供氧出现不足，CO的产生量相对增多。CO由呼吸道进入人体，易
5、与血红蛋白(Hb)相结合，生成碳氧血红蛋白(COHb)，阻碍血红蛋白向体内供氧，引发人的中枢神经系统和酶活性中毒。CO2则大部分进入大气中，大气中CO2浓度增加，必然会对生态平衡带来一定影响，主要是加剧了“温室效应”。煤矸石在燃烧过程中，有机硫化物分解氧化生成SOX。SO2是无色但具有特殊臭味的刺激性气体，在人体吸入浓度低时，主要是刺激上呼吸道，引发气管炎等呼吸道疾病。煤矸石中的黄铁矿，在自燃过程中放出硫化氢(H2S)，这是一种对人有强烈刺激的难闻气体，对人体影响类似SO2。煤矸石在运输、处理和加工过程中产生粉尘，对大气环境造成严重污染。此外煤矸石从排放一开始，到风化破碎之后较长时间一直慢慢地
6、释放着它本身带有的甲烷(CH4)，严重污染着大气。同时，煤矸石大量的采出也造成采空区扩大，岩层移动和地表沉陷加剧，对煤炭企业造成一定的经济压力。据不完全统计，目前全国累计堆放的煤矸石约45亿，t规模较大的矸石山有1600多座，占用土地约1. 5万hm2，而且堆积量每年还在以1. 5亿2. 0亿t的速度增加，对人类生存环境带来了很大威胁。现一些矿山已进入残采阶段，因地质条件复杂，掘进工程量大，矸石的排放量大大增加，严重制约了矿井的正常生产。采用矸石充填方法，处理地面或井下产生的矸石是最有效的解决方法之一。矸石回填采空区，不仅能够实现绿色开采，解决矿区的矸石污染问题，而且矸石充填体还可以作为地下结
7、构承载体支承上覆岩层，控制地表下沉。综采工作面矸石充填技术，不但可以将井下产生的矸石直接进行处理，而且可以将洗煤厂产生的洗选矸石回填到井下，最大限度地提高资源回收率，延长矿井寿命，按照“零排放、零堆放、三下开采无变形”的要求，消除矸石地面堆积对人类生存与生活环境带来的危害。矸石与粉煤灰固体材料将矸石( 粒度 25 mm) 与粉煤灰按一定比例混合配成充填材料，其物理力学特性对物料输送及充填工艺很重要，特别是充填材料的压实特性及流变特性。洗选矸石主要成分是石英、高岭土和伊利石等矿物； 粉煤灰主要是非晶物质。2.2压实特性压实度 k 是充填材料在压实过程中受外力作用而被压实的程度，它用压实后的体积
8、Vys与原松散状态下的总体积Vs之比来表示，可简化为应变的表达式，即 k = Vys/ Vs= 1。由试验知，当矸石与粉煤灰配比为10.31，压实力由1.5 MPa 提高到7. 5 MPa 时，压实度k变化差值很小(其值0. 066) 。表明在此配比下，压实变形量也非常小。图 2-1 是充填材料压实特性曲线。图 2-1 充填材料压实度随压实力的变化曲线由图 2-1 可知： 充填材料的压实度 k 随着压实力 的增大而减小，特别在初始阶段，压实度k的变化较快； 在02. 5 MPa 范围内，压实度降幅最大；当应力超过10 MPa 后，压实趋于稳定，压实度值变化很小，最终维持在0.87； 充填材料的
9、密度随着压实力增大是递增的，在自然松散状态下的密度 1. 42 t/m3，最终加载至20 MPa 时为1. 65 t/m3。2.3流变特性按规定选取若干份矸石与粉煤灰进行时间相关性试验，压力保持在 7. 5 MPa，得时间相关性特性曲线，如图 2-2 所示。图 2-2 现场充填材料时间相关特性曲线由图 2-2 可知，充填材料的变形量主要发生在加载初期，此阶段的变形量为8. 7%； 压力稳定后的变形量为2. 8%，最终的总变形量为11. 5%； 现场采样测得的充填材料平均含水率为9. 18%，结合现场充填材料的密度测试结果分析，每采 1 t 煤要充填0. 83 t充填材料。2.4充填方法充填技术
10、分为井下充填和地面充填。井下充填方法主要分为4种：即自溜充填、机械充填、风力充填和水力充填。自溜充填只能满足急倾斜煤层。淮南、北京、北票及中梁山等矿业集团曾应用过这种充填法；机械充填所用的设备简单，对充填材料和要求不严格，但充填能力低，充填质量差；风力充填对系统、设备和充填料的要求比较高，适用范围较小。目前我国主要采用的是水力充填法，利用形成的充填体进行地压管理，用于控制围岩崩落和地表下沉。地面充填包括从地面直接向采空区充填和由地面向岩层内部离层带注浆充填。其中，从地面直接向采空区充填，主要研究充填工艺、充填时机、充填形式及充填体的强度等。覆岩内部离层注浆控制地表沉陷技术是一种新的岩层控制技术
11、。其主要理论研究课题有覆岩离层产生的条件、离层发育演化的规律、运动速度理论、覆岩稳定平衡结构、大范围内开采的平衡结构、注浆材料在离层内的分布规律及其对岩层控制的影响、注浆后地表沉陷的预计原理和方法等。其工程实践将主要研究注浆孔的平面位置和深度的选择、注浆孔的施工、注浆站与注浆工艺设计、注浆工程质量控制、注浆材料研究、充填体的分布及充填体的持久稳定性等。图2-3 风动充填现场固体充填液压支架固体充填综采的采煤工序与普通综采基本相同，区别在架后充填与回采要并行作业。为此，我国研发了具有自主知识产权的矸石与粉煤灰直接充填综合机械化关键设备，其中主要是推挤式采充一体化液压支架等，实现了采煤与充填平行作
12、业。 矸石充填系统。矸石进入卸矸仓后，由运输系统运至工作面上巷，矸石由溜子直接进入工作面，确定工作面充填有两个方案：卸矸仓下设破碎机：破碎后的矸石进入水平仓，水平仓下设3个漏斗，矸石由漏斗装袋，由运输系统进入工作面，人工垒砌充填；不设水平仓：矸石不破碎，直接由运输系统进入工作面，工作面溜尾接抛矸皮带，由抛矸皮带卸矸充填。两方案相比较，前者工作量大，工人劳动强度大，优点是垒砌结实，不需留煤柱；后者工人劳动强度低，充填量大，缺点是需留设煤柱以防坍塌。比较后认为后者优点突出，即用抛矸皮带充填，有利于充填，还可减少地表下沉。充填工作主要靠悬挂式充填刮板输送机和液压推挤装置共同完成。通过充填刮板输送机卸
13、料孔将充填物料直接充填入顶板未冒落的采空区内，然后利用液压推挤装置将充填物料推挤接顶夯实。该机构由两个水平油缸、一个调高油缸、一块顶推钢板和两个立柱构成（图2-4）。调高油缸向上旋转角23，顶推钢板在水平油缸的推力下压强达到1. 8 MPa，推挤力达756 kN。图2-4 ZZC4800/16/32 充填液压支架结构固体投料系统及工艺固体充填系统中关键环节是投料系统(图5)。充填材料采用大垂深( 350 m) 投料钻孔输送至井下储料仓，然后通过胶带运输系统运到工作面。地面由洗煤厂胶带运输到矸石仓，电厂粉煤灰用罐车运到储料仓； 并设置自动化配比控制系统，投料过程中两种材料自然混合。(1) 投料孔
14、及储料仓。投料孔深 350 m，采用壁厚12 mm 的钢管护孔； 投料管采用510 mm12 mm的耐磨钢管； 投送能力不小于450 t/h。井下储料仓容积为 520 m3，直径为 3. 5 m，深度 50. 0 m。为防止堵仓，下部安设了快速起闭装置。(2) 投料系统缓冲和满仓保护装置。在储料仓上部设“伞形”缓冲装置以减小充填材料下投的冲击力。缓冲器由铸钢伞架、缓冲弹簧组和底座组成。为避免满仓后继续投料造成堵仓，研制了仓位保护及压力监测等装置，组成了满仓报警系统。工作面充填工艺与采煤并行作业，以充填为主。充填顺序由充填刮板输送机机尾向机头方向进行，充填和捣实平行作业。如此反复，直到挤实为止。
15、图 2-5 固体充填投料系统利用扒装机台铲和扒斗，把台铲固定在卸矸点外，回头轮固定在废弃巷道充填面上端，用扒斗将研石扒向充填面。用改造后的皮带机，将矸石送往充填面，输送机固定在卸歼点外，胶带机机尾可采用悬壁梁架，且可调坡度，将研石送高或送低，既能充填上山也可充填下山，机身也可加长，也可缩短，以保证卸石干的适应性。刮板输送机：同胶带输送机。在以上三种方式中，以胶带输送方式为最佳，它可有效地把矸石送到充填面，还可调整卸矸点到充填面的距离，还可减少刮板输送机的磨损问题。扒斗式方便易行，而在与卸载设备排列方面对巷道断面要求较大，对巷道充填效果也有影响。矸石仓、小煤仓联系方式。矸石仓与下巷通风方式有两种：一种为掘回风巷，另一种为设立通风孔。经过比较，在煤仓施工同时预留通风孔，满足了通风需要，节省巷道；运煤系统小煤仓与卸载煤仓的联系方式有两种：经溜子进入卸载煤仓，用溜煤眼直接进入卸载煤仓。综合比较，采用溜煤眼进入卸载煤仓，省人省设备，经济效益好。2.5技术经济评价井下矸石充填技术在消除矸石山及污染，减少开采造成的围岩变形破坏、上覆岩层的变形移动
