膏体充填采煤技术及其应用前景

岳 陶 冯锐敏，李秀山

(1.中国矿业大学矿业工程学院，江苏徐州221008;2.淄博矿业集团有限责任公司岱庄煤矿，山东济宁272175;3.中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院，北京100083)

随着我国煤炭资源开采强度的加大，许多矿区面临资源枯竭的危险。由煤炭开采造成的环境破坏问题 (如地表沉陷等)也日益显现，特别是我国中部和东部矿区。如何有效解决资源枯竭、环境保护与经济发展之间的矛盾，越来越受到人们的关注和重视。另外，我国“三下”采煤方法形式多样，就控制围岩变形和地表沉陷的效果而言，条带开采和充填法开采比较理想，但是条带开采煤炭资源浪费严重，资源采出率低，大大缩短了矿井服务年限，不利于矿井的长远发展，因此，充填法采煤有望成为我国“三下”采煤的首选方式。

1 各种充填采煤技术优缺点比较

我国充填采煤技术经历了干式充填、水砂充填、低浓度胶结充填、高浓度胶结充填等几个阶段，现主要有矸石、高水材料、似膏体、膏体充填等几种形式。各种充填开采方法都有其自身的特点，各矿井要根据现场实际进行选择应用。

干式散体充填 工艺系统简单，充填材料成本低 (吨煤增加材料成本约30～50元);充采可平行作业，效率较高，综采散体充填是目前惟一单工作面理论产量可达1Mt/a的充填方式。然而，该方式充填材料间隙较多，充填体压缩率较高，一般在8%～20%之间，相对其他充填方式产生的地表最终沉降和变形较大。散体充填开采适用于控制地表移动和变形效果要求较低的矿井。

(似)膏体充填 工艺系统简单，依靠管道实现高效连续输送，但易发生堵管事故;材料制备较为复杂，需将骨料破碎，并添加胶结材料后搅拌;充填材料成本较高 (吨煤增加材料成本约50～80元);充采难以平行作业，需充填体凝固 (约8h)后，才可进行采煤，充填开采效率较低。然而，充填材料密实，孔隙率低，泌水少，压缩率一般在5%以内，能有效控制地表沉降和变形。(似)膏体充填多用于对控制地表移动和变形效果要求较高的矿井。与似膏体相比，膏体充填料浆基本不沉淀、不泌水、不离析，工作面环境较好，且充填体强度高、密实度好、沉缩率小，能更好地控制覆岩及地表的移动变形。

高水充填开采 充填工艺系统较为简单，不易发生堵管，能实现连续充填;材料制备较复杂，材料成本高，其中超高水材料价格较高 (吨煤增加材料成本约60～100元);充采一般不平行作业，需等凝固后方可继续开采，但充填体凝固时间短(4h以内)，充填开采效率较高;高水材料一般有一定的膨胀性，能实现主动接顶，有效控制覆岩移动和下沉。然而，高水材料抗风化及抗高温性能差，充填材料长期稳定性差。高水充填多用于粉煤灰较多 (高水膨胀材料)，或其他充填材料较少的矿井。

2 膏体充填采煤技术体系

2.1 膏体充填技术的选择

岱庄煤矿村庄下压煤问题十分突出，井田范围内地面村庄稠密，共有78个自然村，可采储量中村庄下压煤量高达80%，多达79Mt，由于地面村庄稠密，多数情况下村庄保护煤柱之间已经相互重叠连成一体，加上地处济宁市区城乡结合部的优越地理位置条件，压煤村庄总体上没有搬迁的可能。

膏体充填技术可以缓和并从根本上解决此矛盾，膏体充填的根本目的就是借助这种特殊的开采技术方法解放村庄下、铁路下、水体下 (简称“三下”)压煤、提高煤炭资源采出率、控制地表沉陷、保护矿区生态环境和地表建 (构)筑物不受或少受开采损害，并实现煤矸石等固体废物资源化利用［1－2］。

2.2 膏体充填材料

膏体胶结充填材料由胶结料、骨料和水3部分拌合而成。煤矿常用胶结料是普通硅酸盐水泥，近年来又出现了炉渣水泥、高水材料等新型胶凝材料;常用骨料有矸石、江砂、河砂等。经过实验与现场试验验证，岱庄矿试制出了适合自身条件的充填材料［3］。

2.2.1 胶凝材料

使用专用胶结料，此胶结料是以炉渣等工业废渣为基材的一类材料。膏体胶结料加水混合以后，在凝结的初期快速水化生成细针状的高结晶水化物——钙矾石，从而达到速凝、早强的效果;在凝结的中期和后期，充分激发和利用炉渣等材料的火山灰活性，水化生成硅酸钙凝胶等胶凝物质，具有后期强度持续增长的特点，保证了后期强度的需要。

2.2.2 骨料组成

骨料选用本矿的破碎煤矸石 (煤矸石最大粒度要求小于25mm，小于5mm部分的比重要达到45%左右)和本矿及附近电厂的粉煤灰，与水配制成不同重量浓度充填膏体。

膏体充填过程是一个先将煤矸石破碎加工，然后把矸石、粉煤灰、专用胶结料和水等物料按比例混合搅拌制成膏体浆液，再通过充填泵把膏体浆液输送到井下充填工作面。膏体充填材料在保证可泵时间 (一般3～4h)的前提下，凝结固化达到能够自稳和对直接顶板适当支撑能力，一般需要8h左右的时间。表1所示为不同胶结料用量条件下矸石膏体充填材料强度实验结果。在实验范围内，总体趋势是胶结料添加量越大，充填材料各龄期抗压强度越高，通常可以通过变化胶结料用量来使充填材料满足不同工程的需要。

2.3 工作面充填工艺

岱庄煤矿综合机械化充填开采:双滚筒采煤机割煤，割煤深度为0.6m，采用四刀一充，即采煤机割煤4刀，采空区充填1次，循环进度为2.4m;对于工作面两巷端头，则采用单体支柱、木板和塑料编制布人工设置隔离墙。

表1 胶结料用量与充填材料强度关系

充填工艺流程:充填准备 (充填前隔离墙支设;支架与支架、支架与顶底板之间进行密封)→管道充水→灰浆推水→矸石浆推灰浆→灰浆推矸石浆→水推灰浆→打风→管道清洗。充填工作面布置如图1所示。

图1 矸石膏体充填工作面

2.4 工作面充填体特点

膏体充填材料的特性决定了其不同于传统的水砂充填，对工作面支架的要求也明显区别于水砂充填，主要区别见表2。

表2 长壁膏体充填与水砂充填隔离要求对比

因此，膏体充填料输送到回采工作面充填区以后，如要做到及时、保质保量完成充填作业，需要注意以下3个方面:一是充填空间的临时支护，保证在充填前、充填期间和充填体能够有效作用前的这段时间内顶板 (煤或岩石)保持稳定;二是隔离墙的设立，需要快速形成必要的封闭待充填空间，为充填创造尽量多的时间，避免充填料浆流失和影响工作面环境;三是合理安排充填顺序与措施，保证充填作业连续进行，保证充填体接顶质量，这是关系充填控制地表沉陷的关键环节。

3 膏体充填采煤技术应用前景

目前的煤炭生产在为我国经济发展提供能源保障的同时，也造成了严重的环境污染和生态破坏，存在以下3方面制约煤炭工业发展的难题:地表沉陷问题，如严重危害农业生产，造成建筑物、交通设施、水利设施的破坏等;水资源破坏问题，如开采过程中的人为疏干排水和采动形成的导水裂隙对煤系含水层的自然疏干等;煤矸石排放问题，一般而言，煤矸石排放量占原煤产量的8%～20%左右。据不完全统计，煤矸石积存已超过3.5Gt，占地1.3333×104hm2，并以每年0.2Gt的速度增长，是目前我国排放量最大的工业固体废弃物之一。

此外，我国“三下”压煤量已达13.7Gt。在某些矿区，“三下”压煤的储量占矿区可采储量的60%［4］。随着我国社会经济的飞速发展，铁路、城镇和工业占地面积迅速增加，“三下”压煤量上升的势头十分强劲。利用煤矿固体废弃物进行井下充填，可以避免地面排放造成的环境污染，同时可以减少地表沉陷，是解放“三下”压煤的重要途径。国外用粉煤灰井下充填、国内用水砂充填都进行了许多实践，但国内因成本高等原因一直没有很好地开发研究和推广应用。随着人们对环境保护和可持续发展认识的提高， “绿色开采”、 “洁净生产”和“绿色矿区”已成为当前的研究热点。

膏体充填采煤在4个方面凸显出优势:充填骨料可以就地取材，以煤矸石和粉煤灰作充填骨料，既解决了充填原料的来源，又可降低充填成本，减小固体废弃物污染;井下充填不需脱水或微量脱水，工作面充填工序简单，井下污染小;充填体早期强度高，有利于对覆岩的有效控制和机械化采煤的快速推进;充填成本低。表3为岱庄煤矿膏体充填采煤充填成本的构成，其1m3采空区的充填成本为93.38元。该矿的煤比重为1.37t/m3，另外充填前顶板不可避免地出现一定的下沉量，这部分顶板下沉占据的体积是不需要充填的，也无法充填，即充填量不可能做到100%。按照该矿充填系数kf=0.94，则可计算出膏体充填直接费用增加的吨煤成本为64.07元。

膏体充填采煤技术实现了矿山开采无废无害、资源开发安全高效，是矿山实现全面绿色开采的有效途径。尤其是当前“三下”采煤越来越受到人们关注和重视的情况下，膏体充填采煤在技术和经济方面的优势必将愈显突出［5－7］。

表3 充填1m3采空区的成本

4 结束语

膏体充填技术通过对充填材料和充填料浆配合比的试验研究，在保证充填效果的前提下，选择廉价的充填材料及合理的料浆配合比是降低充填成本的有效方法。胶凝材料优良的性价比，对工业垃圾的资源化利用，都将极大地降低充填成本。膏体充填采煤技术将为“三下”煤炭资源的开采开辟出一条新的途径，同时也将解决煤矸石和粉煤灰给生态环境带来的污染，对我国煤炭资源的可持续开采具有重大意义。

［1］钱鸣高，许家林，缪协兴.煤矿绿色开采技术 ［J］.中国矿业大学学报，2003，32(4):343－348.

［2］孙恒虎，黄玉诚，杨宝贵.当代胶结充填技术［M］.北京:冶金工业出版社，2002.

［3］刘同有．充填采矿技术与应用 ［M］．北京:冶金工业出版社，2001.

［4］王金庄，郭培长.我国村庄下采煤的回顾与展望［J］.中国煤炭，2002，28(5):28－31.

［5］闫少宏，张华兴.我国目前煤矿充填开采技术现状 ［J］.煤矿开采，2008，13(3):1－3.

［6］高 武.实施矸石膏体充填采煤的探索与实践［J］.中国煤炭，2009，35(10):62－64.

［7］缪协兴，钱鸣高.中国煤炭资源绿色开采研究现状与展望［J］.采矿与安全工程学报，2009，26(1).