“三下”压煤与膏体充填技术的研究应用

杜贺

冀中能源邯郸矿业集团矿山管理分公司 河北邯郸 056000

1 煤矿井下开采时存在的资源与环境问题

1.1 水土资源的破坏

过去我国煤矿开采对于采空区基本采用冒落法进行处理，虽然处理方法简单，但容易引起采空区地表沉陷和周边水体的破坏流失，对采区周边的水土环境造成了很大的破坏。比如采空区地表建筑开裂、道路桥梁沉降、管路线路损坏、水体流失等都是由于采空区地表沉陷所造成的。

1.2 “三下压煤”问题突出

在我国几乎每一座矿井都或多或少的存在“三下压煤”问题，一般可占到矿井储量的10%-30%，有的矿井“三下压煤”量甚至占到了40%以上。“三下压煤”问题使大量的煤炭资源被占用，造成了资源的呆滞和浪费，严重限制了矿井产能。目前很多老矿井都面临着资源匮乏，可采储量不足的问题，如何解放“三下”压煤，成为煤矿企业增加可采储量，延续矿井生产的急需解决的重大技术难题。

1.3 开采废弃物对矿区环境的破坏

煤矿井下开采的同时，会有大量的矸石等固体废弃物排出，传统的处理方式是将矸石由井下提升至地表，并在地表某处堆积后逐渐形成煤矿特有的矸石山。矸石在地表的露天堆积不仅占用了土地资源，而且矸石中含有的硫化物、重金属物质，以及风化后产生的炭黑、飞灰各种细微颗粒会对大气环境、水土环境等造成污染，引发雾霾、水土重金属污染超标等问题。如何对矸石进行废物利用，减少排放堆积，成为煤矿实现绿色开采，保证经济与环境协调发展的重点。

2 膏体充填技术简介

充填开采技术是解决“三下”压煤问题，在不改变地表地貌，不搬迁地面建筑物，不损坏地面建筑设施的前提下进行煤炭资源开采的的绿色采煤技术。经过数十年的发展，充填采煤的充填方式、充填物料不断改进，形成了具有良好经济与环境效益的膏体充填开采技术。膏体充填技术是利用煤矿废弃的煤矸石、粉煤灰以及炉渣、劣质土、城市固体垃圾等为骨料，按一定比例与胶结材料、水混合搅拌为无临界流速，不需要脱水的膏状浆体，在膏体自重和充填泵加压作用下，通过管道输送至井下采空区，实时充填采空区的技术方法。膏体充填物进入采空区后，会逐渐凝固形成坚硬的固体状，对采空区起到有效的充填和支撑作用，从而控制采空区围岩变形及地表沉陷。相比于过去的矸石充填、水力充填，膏体充填技术具有充填效率高、充填成本低、充填效果好等优点，是释放“三下”压煤，控制采空区地表沉陷的有效技术措施，目前在越来越多的煤矿企业中得到应用。

3 充填膏体材料的基本性能

为了满足充填施工，要求充填膏体具有稳定性、可塑性、流动性、早强性和低压缩率。①稳定性要求膏体以流体形式进行管路输送时，不会发生离析和分层，能够在密闭管路中停留数小时后仍能够以均匀稳定的性质进行输送；②可塑性是指膏体充填材料在输送或充填的过程中，虽然不断发生形变，但基本结构仍能保持不变；③流动性是膏体材料实现管路输送的关键，要求膏体在凝固之前具有流体的基本特性，能够在自身重力或泵送压力下在充填空间内流动不固结；④早强性要求膏体在进入充填空间的数小时后，即满足脱模条件实现凝固自稳，并对充填空间具有一定的支撑作用。膏体的初凝时间可通过对材料的配比进行调整；⑤低压缩率是指膏体在由流体变为固体形态时，体积不变的。一般经过科学配比的充填膏体压缩率可达到1%以下，可起到良好的充填和支撑作用，控制采空区沉陷。具体的性能要求如下：膏体浆料坍落度＞180mm；可泵送时间＞4h；静置泌水率：3%-5%；单轴抗压强度：8h后达到0.1MPa以上，28d后达到10-15MPa。

4 充填工艺的基本流程

膏体充填工艺主要包括膏体充填浆料的制备、管路加压输送两个主要环节。

4.1 膏体充填浆料的制备

充填浆料主要以煤矸石、煤渣、碎石、固体垃圾等为骨料，以粉煤灰、炉渣、胶结料等为集料，通过合理配比和均匀搅拌，使其具有充填膏体的物理特性[2]。破碎矸石颗粒级配将直接影响膏体的流动性和充填体强度，煤矸石的级配也主要从以上方面考虑。矸石作为膏体充填粗骨料，一般要求最大粒径不得超过25mm，以防止堵管和保证充填的密实性；为了使煤矸石满足级配要求，需要对粒径较大的煤矸石进行破碎。通过对不同粒径煤矸石的配比研究发现，5mm以下破碎煤矸石含量在33%-40%范围内时，其膏体塌落度在20-25cm，可满足膏体管道泵送要求，早期及后期强度也均符合要求。选用专门的胶结料相比于选用普通的硅酸盐水泥来说，早期及后期强度都有提升，胶结料用量150kg/m3，8h龄期膏体强度可达1.2MPa以上，而同等条件下使用硅酸盐水泥，早期8h龄期膏体无强度；7d龄期强度为同量水泥膏体的1倍以上。根据充填经验，当质量浓度控制在81%左右时，配比要求为：煤矸石1084kg/m3；粉煤灰400kg/m3；胶结料100kg/m3；水372kg/m3。

4.2 管路输送

在充填膏体浆料制备完毕后，即可开始充填作业。①前期准备。检查充填站、井上井下管路系统是否有松动、破损、泄露等问题，确认无故障。检查确认料仓原料是否充足，供水及加压充填的泵体是否正常工作。检查立管上端放气孔、节流阀是否为开启状态；清除布管区域内无关的人员、设备，并留专人值守。②管路充水。充填前先向管路中充水，并由截留阀控制将水憋在管内。其目的是排出检查管路泄露和排出空气。③注入灰浆。待立管中空气排出后，先将与水混合的低浓度灰浆注入管路，待布料管出口有灰浆流出后，即说明管路通畅，符合充填要求。④充填膏体。将制备好的充填膏体由管路泵送至充填区域，由里到外、由低到高进行布料。⑤灰浆清管。充填结构后，停止泵送膏体，并依次泵送灰浆液和清水，以清理管内保留膏体，避免膏体长时间滞留在管内固结后堵塞管路。待布料口见清水后即停止泵送水。