煤矸石充填料浆坍落度研究现状分析

李丹 于道渊 杨英 黄思 徐玉成

摘  要：近些年来随着煤矿资源的不断开采，煤炭企业在给一系列工业企业提供原材料的同时，煤矸石作为煤矿生产过程中产生的主要固体废弃物，其外排量也在不断地增加，久而久之就压占了数量可观的有用土地。为减少煤矸石堆放所压占的土地面积，同时也为降低煤矸石堆放所带来的一系列负面影响、提高宝贵煤炭资源的回收率，文章结合煤矸石充填技术相关特点，开展煤矸石充填料浆坍落度性能的调查分析，旨在为充填料浆的有效利用提供一些参考。

关键词：煤矸石;充填料浆;坍落度;现状分析

中图分类号：TD849.5       文献标志码：A         文章编号：2095-2945（2019）36-0029-03

Abstract： In recent years， with the continuous mining of coal resources， coal enterprises provide raw materials to a series of industrial enterprises at the same time， coal gangue as the main solid waste produced in the process of coal mine production， its discharge is also increasing. Over time， a considerable amount of useful land has been occupied. In order to reduce the land area occupied by coal gangue stacking， reduce a series of negative effects caused by coal gangue stacking and improve the recovery rate of valuable coal resources， this paper combines the relevant characteristics of coal gangue filling technology. The investigation and analysis of slump performance of coal gangue filling slurry is carried out in order to provide some reference for the effective utilization of filling slurry.

Keywords： coal gangue; filling slurry; slump; present situation analysis

1 概述

煤矸石是煤炭礦山企业日常生产中排放的最主要的固体废弃物，如果在外排和堆放过程中处理不当，则就不可避免地会对周边的环境产生一定的负面作用[1]。介于煤层中，与煤层相连接的岩石叫做煤矸石，它有如下三种主要来源[2]：白矸石是露天开采剥离和采煤巷道掘进排出，普矸是采煤过程中选出，洗选矸石是选煤过程产生，三者比例分别约45%、35%和20%[3]。目前，资源化利用煤矸石已有一些较为成熟的技术，如利用煤矸石制备作为混凝土骨料，不仅有效地利用了煤矸石，并能降低天然骨料资源开发，因而具有较好的经济和社会效益[4]。在这个阶段， 很多学者和专家对制备煤矸石混凝土及其混凝土的力学性能都进行了比较全面的研究[5-8]，还有少部分学者对煤矸石混凝土的持久性进行了研究[9-11]。张金喜等学者[2]研究了煤矸石加入量对混凝土抗渗性和抗冻性的影响，在煤矸石的建材应用方面起到了较好的参考作用。

煤矸石充填料浆现今较少被人提及，煤矸石膏体充填开采是绿色煤炭开采技术的重要组成部分，可有效地解决压煤开采的“三下一上”、地面沉降控制、采矿及其他环境等问题。煤矸石料浆是一种将煤矸石、粉煤灰、胶凝材料、水等按一定质量比均匀混合而成的一种“没有临界速度，不用脱水”的具有稳定性好、流动性强、可塑性优等优点的膏状采空区充填材料[12-13]。不合理的料浆配比会使充填材料的各项性能无法满足工程要求，进而可能导致充填效果不好甚至不能使用[14]。由于矸石材料充填受成本限制比较严重，因此不可能完全按照理想的配比制备充填料浆，但是在成本增幅不大的条件下，尽可能按照合理配比制得性能稳定、强度较高的充填材料，重要的是能有效控制地面沉降、减少水泥等材料用量、从而降低充填成本。

2 煤矸石在矿山采空区充填方面应用

煤矸石是煤矿生产过程中源源不断地产生和排出的固体废弃物，其主要来源包括岩石巷道掘进过程中产生的掘进矸石，采煤过程中从顶板、底板和煤层中的岩石夹层里开采出的矸石、以及选煤厂生产过程中排出的洗选矸石[15]。一般习惯把采煤和洗煤时所产生的矸石称为煤矸石，它的主要成分是无机质和少量有机质的混合物。在煤矿中， 不可避免的会出现地表坍塌等问题， 此时可以将煤矸石用作填料， 对坍塌的空区进行填实， 在避免地表塌陷灾害的同时实现煤矸石的无害化处理[16]。在相关的工程应用方面，煤矸石可用于填充沟谷、采煤沉陷区及低洼区等建筑工程用地，也可用于充填潮湿地带、沼泽场地甚至积水塌陷坑，或用于回填煤矿采空区及废弃矿井，为解决三下压煤等各方面问题提供了良好途径[17]。煤矿开采中，采空区充填需要耗费大量水泥，所需的充填成本较为高昂，会给煤矿或企业造成了较大的经济负担，严重限制了充填采矿技术的应用及发展[18]。钱鸣高院士最先提出了绿色煤炭资源开采的理念[19]，指出煤矸石膏体充填是绿色开采的重要组成部分。在充填采空区方面，我们国家也取得了很大的进展。山东新汶矿业集团将煤矸石、水泥、粉煤灰等按比例制成混凝土用于充填采空区[20]，取得了良好的采空区塌陷预防效果。

2011年我们国家煤矸石利用总量的52%[3]用于采空区充填、塌陷区充填、筑基修路充填及土地复垦充填等，利用的煤矸石量已经达到2.15亿吨[21]。从实践来看， 煤矸石充填技术所需矸石量大， 在矿井下处理煤矸石，是处理采煤地面沉降问题、煤矸石地面堆积问题、矿山废料占地过宽问题等非常迫切、有效的治理手段， 属于高水平的绿色煤炭开采技术[22]。近几年，煤矸石充填采空区的占比越来越高，但煤矸石在充填采空区方面还有很多值得我们研究和分析的地方，因此应在煤矸石充填采空区方面进行更加深入的研究。

3 煤矸石充填料浆坍落度研究分析

作为一种煤矸石的再生利用方式，对煤矸石进行破碎、筛选后，部分或全部替代普通砂石骨料制备混凝土，是提高煤矸石资源利用率的有效措施，可以为企业带来巨大的环境效益、经济效益和社会效益[23]。煤矸石虽然水稳性不太好，有一定的弱膨胀性及崩解性，但可以通过掺入一定比例的粉煤灰细颗粒，优化其级配组成，并保证优良的排水、隔水条件，使之充分的密实后，煤矸石就成为了一种很好的充填材料，完全能保证采空区的稳定性，大大减少或避免地面塌陷事故的发生[24]。因此，充填料浆中材料的配比是否合理是决定充填体强度、料浆流动特性、充填成本、充填工艺等能否取得最优效果至关重要的因素[25]。

充填料浆的流动性是表示充填料浆在自重或外力的作用下产生流动，能均匀密实沿输送路径流动的性能，它反映了充填料浆的稀稠程度及输送性能。流动性在充填料浆的搅拌、运输直到充填的施工作业中都是很重要的特性[26]。坍落度、坍落扩散度、粘稠度等都是评价充填料浆流动性能的参数[27]。质量浓度相同的条件下，粉煤灰与煤矸石的比例是影响似膏体分层度的主要因素，粉煤灰与河砂的比例是影响似膏体塌落度的主要因素，煤矸石作为似膏体材料的粗集料，添加比例过大会导致似膏体流动性变差;而粉煤灰等微集料主要发挥润滑和填充缝隙的作用，能显著提高似膏体材料的和易性;河砂作为似膏体材料的细集料，添加比例过小则不能保证粗集料间有足够的细集料填充润滑，充填料浆的流动性变差，坍落度降低[28]。在坍落度影响模型中，同比质量浓度，颗粒级配与细度对煤矸石充填料浆坍落度性能的影响效果明显，质量浓度对坍落度的影响先增后减，浓度在74%-75%之后逐渐减小[24]。

4 结束语

综上所述，煤矸石充填料浆，在质量配比一样的情况下，塌落度与浓度负相关，即坍落度随煤矸石质量浓度的增加而减小，当浓度达到一定值后，塌落度急剧降低，根据本次实验的实验结果及国内外矿山尾砂自流输送有关经验，尾砂胶结充填料浆在塌落度大于22～24cm时，流动性能好，可以自流输送，东际金矿尾砂自流输送浓度为70%～72%时较为合理[25]。除作为井下填充材料外，煤矸石的利用价值有很多种，如用作建筑材料、生产水泥、烧结砖块、水玻璃等，也能开发出很多新产品。对煤矸石物料化学性质的认识、研究、利用也应随时代科技进步的变化而变化。未来，煤矸石利用技术作为煤矿废料绿色再生产的重要组成部分，会越来越成熟，其中最有发展前景的充填技术，也会随着科技的高速发展而快速发展。煤矸石的有效利用不仅能减少土地的浪费，也能增加资源的有效利用，相关的科学研究也将会为我国煤炭工业的可持续发展提供必不可少的技术支撑。

参考文献：

[1]周翠红，常欣.煤矸石综合利用技术综述[J].选煤技术，2007（2）：61-64.

[2] Leng Faguang（冷发光）. The comprehensive utilization of coal slack [J]. Building Science Research of Sichuan （四川建筑科學研究）， 2000，26（2）：44-46.

[3]郭彦霞，张圆圆，程芳琴.煤矸石综合利用的产业化及其展望[J].化工学报，2014，65（07）：2443-2453.

[4]张金喜，陈炜林，金珊珊，等.煤矸石集料混凝土耐久性研究[J].北京工业大学学报，2011，37（1）：116-125.

[5]周梅，田爽，郭涛，等.自燃煤矸石配制混凝土的试验研究[J].硅酸盐通报，2011，30（5）：1221-1226.

[6]张欣，周海兵，陈飞宇，等.充填用煤矸石泡沫混凝土的制备与性能研究[J].硅酸盐通报，2015，34（6）：1470-1474.

[7]李帼昌，孙巍，邢忠华.钢管煤矸石混凝土梁柱加强环中节点低周反复荷载试验[J].沈阳建筑大学学报（自然科学版），2008，24

（2）：200-203.

[8]李永靖，邢洋，韩俊俊.不同轴压比下煤矸石骨料混凝土柱的受力性能试验研究[J].工业建筑，2016，46（1）：90-94.

[9]孙琦，刘军，林志民，等.煤矸石喷射混凝土抗冻性试验研究[J].硅酸盐通报，2015，34（7）：1959-1963.

[10]周梅，赵华民，王然，等.掺合料对自燃煤矸石砂轻混凝土抗渗和抗冻影响[J].硅酸盐通报，2015，34（1）：131-137.

[11]王栋民，王剑锋，范兴旺，等.自燃煤矸石粉对混凝土耐久性的影响[J].硅酸盐通报，2013，32（5）：839-843.

[12]唐海，赵海龙，黄靖龙，等.煤矿膏体充填材料配比试验研究[J].华北科技学院学报，2015，12（4）：43-47.

[13]吴金刚，杨书召，王公忠.膏体充填矸石级配优化试验研究[J].中州煤炭，2013（9）：27-29.

[14]郭晓彦.充填膏体性能影响因素试验研究[D].太原：太原理工大学，2013.

[15]林漫亚.煤矸石的综合利用[J].上海建材，2018（2）：29-31.

[16]王鹏涛.煤矸石综合利用的现状及存在的问题研究[J].科学技术创新，2019（16）：182-183.

[17]安磊.煤矸石充填采煤技术在花园煤矿的应用研究[J].煤矿现代化，2013，113（2）：9-11.

[18]陈杰，石莹，黄庆享.基于采空区充填材料的煤矸石活化机理研究[J].太原理工大学学报，2013，44（06）：679-682.

[19]钱鸣高，缪协兴，许家林.资源与环境协调（绿色）开采[J].煤炭学报，2007，32（1）：1-7.

[20]Xinhua News. Shandong Xinkuang group develop filling mining technology（山东新矿集团发展充填开采技术）[OL].[2012-05-03].

[21]杨宁，尹贤刚，肖木恩，等.某矿山充填料浆坍落度试验研究[J].矿冶，2018，27（03）：28-30+55.

[22]刘文欣.峰峰矿区煤矸石治理方法的分析与评价[J].煤炭加工与综合利用，2019（08）：65-70+73.

[23]王新民，姚建，张钦礼，等.煤矸石作为胶结充填骨料性能的实验研究[J].矿业快报，2006（03）：20-23+63.

[24]孙希奎，强辉，施现院，等.矸石膏体充填材料配比优化[J].煤矿安全，2017，48（10）：69-72+75.

[25]耿晓兵.利用煤矸石回填煤矿采空区[J].中国科技信息，2018（22）：42+44.

[26]顾清恒，刘学生，宁建国，等.煤矸石似膏体充填材料配比优化研究[J].矿业研究与开发，2016，36（01）：33-37.

[27]王琳青，李广华，鲍军涛.东际金矿充填料浆流动性与泌水率试验研究[J].世界有色金属，2018（24）：131+133.

[28]王新民，曹刚，龚正国.煤矸石作充填骨料的似膏体料浆流动性能试验研究[J].矿业快报，2008（01）：20-23.