矿山采空区胶结充填方法研究

杨振华

（山东省地质矿产勘查开发局八〇一水文地质工程地质大队，山东 济南 250014）

我国矿业形势近几年发生了较大变化，为消化过剩产能，淘汰落后产能，矿业行业积极进行供给侧改革，通过转方式调结构，关停了很多小型矿山，例如，针对煤矿，国家发改委要求煤企数量四年内至少减少一半，除了涉及国计民生的少量煤矿外，30万吨及以下的小煤矿必须要进行兼并或关停，以从根本上解决矿山多而不强，集约化程度不高的局面。但由于种种原因，我国各类矿山包括已关停的矿山，仍然存在着不少未经充填处理的采空区，特别是历史上矿山无秩序混乱开采行为留下了不少未知采空区，而小矿山原先的开采生产活动技术普遍比较落后更加剧了这种情况，随着时间的推延，采空区，尤其是石膏、磷矿开采容易形成连片、复杂、严重隐患的采空区，导致采空塌陷、崩塌事故、突水事故等灾害不断增多，尤其是重大事故有增大的趋势，严重危害了正常矿山开采安全，危及采空区影响范围内的人民生命财产安全，同时对土地资源和自然环境造成了不可弥补的损失。此外，在矿山开采冶炼过程中，还带来了大量得固体废弃物，对外部环境也带来了巨大的风险[1]。

科学有效的利用各类采空区充填技术，可以很好的解决上述问题，不但可以消除各类安全隐患，还能在采空区充填过程中，充分利用矿山固体废弃物，减少对外排放量，减少土地资源占用和环境污染，还能有效提高资源开采利用程度，但采空区充填成本较高，各矿山企业并没有主动性，充填过程也缺乏监管[2]。与之相对的是，各地政府非常重视矿山治理工作，以山东为例，山东六部门专门制定了《山东省矿产资源总体规划(2016-2020年)》，确定在2020年之前，将70%的历史遗留的矿山地质环境问题，基本完成全省历史遗留责任灭失非煤矿山废弃矿井和采空区调查与治理工作。因此，研究采空区胶结充填技术有着非常重要的意义。

1 采空区胶结充填工艺

采空区胶结充填技术是一种新型充填工艺，与传统无胶结充填技术的主要区别为是否采用了胶结料，能否在充填后改善顶板管理的基础上，使充填体形成一定强度的整体。传统无胶结充填技术主要包括干式充填、水砂无胶结充填等，工艺相对简单且价格低廉，因而在我国有广泛的应用，但传统无胶结充填工艺有较大局限性，例如，矸石自溜充填主要应用于急倾煤矿中，在实际应用中存在诸多问题，如充填体自然堆积无整体性，充填率和充填强度明不高，无法有效消除施工和地表安全隐患，同时，对矿柱的回采增加困难[3]。因而，胶结充填技术被越来越多采用，主要包括以下类型：

1.1 废石胶结充填工艺

废石胶结充填工艺是在废石空隙处注浆，形成具备一定整体性和强度的充填体，且由于废石代替了部分充填料浆，从而充填成本相对较低，而在煤矿主要采用在采空区冒落矸石间注胶结料浆的充填方式实现，通过钻孔注浆方式，在采空区充填矸石之间的空隙处，灌入具备胶结能力的充填料浆，与矸石形成具备一定强度的整体，对采空区围岩起到支撑作用，有效分散采空围岩应力，起到确保采空区稳定性，消除一定安全隐患的作用。该工艺根据废石粒径和充填料浆有不同分类，适用于充填空场采矿法形成的采空区，或对废石干式充填方式进行二次处理。

1.2 尾矿砂胶结充填工艺

该工艺主要分为全尾砂、分级尾砂充填两类，能够充分利用尾矿资源，实现无废排放。虽然不同矿山的全尾砂会有不同，但是分级尾砂通常是以37μm为分类界限进行分级的，由于此工艺一般采用自流充填系统，充填料浆浓度低，充填后需要大量脱水，分级有利于料浆的固结，因而凡是采用这种方法的大都采用分级尾矿。

1.3 高浓度胶结充填工艺

利用该工艺，可以边采边充，对粉煤灰材料的压缩沉降等问题进行了较强改进，充填效果和能力高于河砂材料，可杜绝堵管等问题。

1.4 粉煤灰膏体充填工艺

采空区膏体充填工艺是一种来自德国的非常有效的充填技术，最初适用于处理城市的各种生活垃圾，后来应用于采空区充填治理，已被证实在消除地表沉降方面非常有效，比传统胶结充填方式相比，泌水量大幅减少，从而减少井下排水隔水系统的费用，因而有很强的研究应用价值。利用充填设施，将河砂、粉煤灰、胶结料搅拌而成的膏状充填料输送到工作面，形成充填体，固化后可有效支撑采空区顶板，消除地质灾害隐患。此外，充填料浆后，还可以直接起到降低井下温度、通过阻断空气流通防止采空区自燃的作用。

1.5 全砂土似膏体充填工艺

似膏体充填工艺兼有水力充填和膏体充填的优点，例如，其充填料浆既有很好地流动性，又有足够的强度，且泌水性较低，适用于煤田采空区的充填工作。该工艺粗骨料采用河砂或工业垃圾（非工业有毒废料），混以20%～32%的细骨料，以全砂土固结材料为胶结材料（采用沸腾炉渣等工业废渣，加入添加剂，经研磨、均化等工艺后制成），经搅拌而成的类似膏体的料浆。由于其充填过程，充填体可以不脱水或少量脱水，因而避免了对地下采矿作业环境和地下水的污染；同时，该工艺可以提高采矿上产效率、安全生产水平，比较经济合理。

2 采空区胶结充填材料及装备

2.1 充填材料及配比

应根据选用的施工工艺，有针对性的进行配合比试验，选择不同的充填材料。从资源有效利用和环境保护的角度，应首先选择矿山固体废弃物，能够在施工场地附近就地取材、加工成符合施工要求的充填料，如果需要外购，也应考虑周边实际，减少购买材料和运输费用。

2.1.1 充填骨料

主要包括废石、尾砂等。充填骨料需要满足一定的条件，需要检测骨料的化学成分，在充填料配置和施工过程中物理化学性质不发生改变，关注是否含有有毒有害成分；需要测定沉降速度和饱和浓度，

2.1.2 胶凝材料

胶凝材料主要有粒状浆和化学浆两类。其中颗粒浆材料以水泥为主，其特点是价格不高，购买方便，使用方法简单，水泥粒级细度越小，活性越强目前使用比较广泛。胶固粉由水泥熟料和石灰、石膏、粉煤灰以及炉渣水淬后形成的水淬渣等材料，按不同配比混合而成，可以根据不同的充填需要，配置不同配比的专用胶固粉。胶固粉价格比较经济，研究价值较高。

2.1.3 充填用水

水在充填料将配比中，起到非常重要的作用，包括作为主要的输送介质，参与胶凝反应等，根据水的掺入比例不同，充填料呈现不同的状态，其中在低浓度时，主要是两相流，在高浓度时呈现结构流，甚至呈现膏体形态。

2.1.4 外加剂

主要包括减水剂、缓凝剂和早强剂等，通过添加不同的外加剂，可以有效提高和改善充填料浆的各种性能，显著增强和易性，防止料浆的泌水和分离，便于输送等充填工作，提高充填体固化后的物理力学性能。

2.1.5 充填料配比及相关试验

配置充填料浆必须以设计要求的强度为基础，选择各种材料适合的用量比例。通过配合比试验，可以确定水灰比、灰砂比等关键指标，从而对充填料浆固结后的强度进行预判，为采空区胶结充填设计方案的制定提供可靠数据支持。尾矿砂胶结充填料浆的强度测试，可以参照建筑砂浆测试相关要求，做成边长为70.7mm的立方体试块，进行三、七、十四、二十八天标养，并通过压力测试取得相关测试数据。此外，还需要对充填料浆进行流变特性的测试，从而确定黏度、流动度等指标，主要的测试方法由黏度试验、扩散度试验和坍落度试验。其中黏度试验可以使用粘度计，由于黏度收到很多因素影响，因而数据很难保证绝对准确，因而仅能进行定性分析；充填料浆的流动性能主要通过扩散度试验和坍落度试验获得，因为实验设备简单，测试数据获得较容易，使用较广泛。

2.2 采空区充填及相关设备设施

采空区胶结充填装备是完成胶结充填工作的重要支撑，主要包括料浆储藏制备系统、传输系统和井下充填施工系统。料浆储藏制备系统主要在地面以上，包括装载机、废渣接料斗、振动给料机、二合一破碎机、皮带传送机、成品骨料储存仓、采空区胶结充填装备、骨料计算机构、外加剂泵、蓄水池、水泵、搅拌机（可以选强制间歇式搅拌机）等。传输系统包括布设的膏体充填料浆传输管路。充填施工系统主要为充填泵，以及井下砌筑的挡墙，泄水孔等。水通过水泵从蓄水池引入搅拌机内，与骨料和胶固材料、外加剂一起搅拌，形成符合设计质量要求的充填料浆，经传输系统输送到工作面，完成充填工作。这其中，充填材料的混合搅拌尤为重要，为其后继续开展泵送充填工作奠定了基础，因而也可以采用比较成熟的搅拌站技术，还可以利用PLC程序进行自动化控制，有效提供充填工作效率。此外，与普通的建筑行业不同，采空区充填工作是一个不间断的工作，因而不能直接使用建筑行业的混凝土泵，应选择符合采空区充填要求的工业泵，以满足工作需要。

在采空区充填施工之前，还应该加强对采空区的探测，掌握采空区的范围界限。同时，还应该利用监控设备，对采空区充填施工前后地压变化和沉降情况进行实时动态监控，以利于监控地质灾害隐患，同时检测采空区胶结充填质量，确保矿区安全。

3 结论

采空区充填尤其是胶结充填方式可以提高资源开采率并消除采空塌陷地质灾害隐患，因而在各类金属矿山或非金属矿山中被广泛应用，其中膏体充填工艺或似膏体充填工艺效果更佳，具有很强的研究应用价值，应进一步推广使用。