煤矿固体废弃物膏体充填技术分析

＊杨 博

（山西乡宁焦煤集团台头前湾煤业有限公司 山西 042100）

近几年，煤矿固体废弃物膏体充填技术逐渐成熟，其应用效能受到了广泛关注，为了提升充填处理效果，要依据整体设计方案，建立健全完整的技术管理模式，秉持稳定安全的技术应用原则，实现关键技术的优化目标。

1.煤矿固体废弃物概述

煤矿固体废弃物产生量逐年增加，尤其是煤矸石，全国矸石山已经超过2000座，占地面积在70km2以上，不仅对自然生态环境产生影响，也会增加项目的处理成本，影响煤矿工程项目的综合发展水平。目前，较为常见的煤矿固体废物主要就是煤矸石。煤矸石是在煤层夹缝中的脉石，一般是在巷道掘进过程中产生，从巷道口剥离煤矸石，其实际产量在45%左右，而在采掘过程中产生的煤矸石含量则超过35%，洗煤过程也会产生煤矸石。依据相关调查研究可知，煤开采1t原煤，会产生2.1t煤矸石，所以，煤矿固体废弃物中煤矸石的含量最多，相应的膏体充填、浆液充填等工序，也会首选煤矸石。值得一提的是，煤矸石种类较多，泥质页岩煤矸石、炭质页岩煤矸石、砂质页岩煤矸石、砂质煤矸石、石灰岩煤矸石等都具有不同的物理性质。并且，煤矸石的化学性质也非常特殊和复杂，是有机物和无机物的组合。因此，将其应用在膏体充填料浆时，少部分借助低温燃烧处理，将其磨为细粒，然后配合成岩剂实现均化处理，就能获得凝石。凝石在经过相应处理时间后就能生成钙矾石和碳，有效发挥其实际价值。

另外，在应用煤矸石作为填充物予以处理的过程中，其实际使用优势也非常突出。

由表1可知，黏土和固体废弃物化学组成对比结果显示部分固体废弃物的化学成分和黏土较为相似，只需要在其中添加适当附加成分，固体废弃物就能替代黏土作为建筑材料。基于此，在充填采矿膏体原材料选择方面，固体废弃物也具有一定的应用价值。最关键的是，固体废弃物作为煤矿膏体充填的基本材料能最大程度上减少煤矸石山的体积，避免环境污染问题。与此同时，粉煤灰等污染问题也能得到合理化控制，避免开采操作对围岩结构产生的影响，一定程度上有效规避开采操作引起的地表下沉和上覆盖层变形移动等现象。除此之外，煤矿固体废弃物膏体充填处理技术还能有效提升巷道维护的实效性，有效改善煤矿工程项目地下通风环境。无论是从环保角度还是经济角度分析，废弃物充当膏体完成煤矿充填操作都具有深远的推广价值。

表1

2.煤矿固体废弃物膏体充填应用流程

在煤矿固体废弃物膏体充填工作中，要想满足实际应用要求，就要按照标准流程将工业充填泵制作好的膏状浆体直接填充到相应位置，提升工作面采空区处理效果，减少不安全因素造成的影响。需要注意的是，设备制作出的废弃物膏体和商用混凝土较为相似，主要的组成成分包括煤矸石、粉煤灰、水泥等，配合添加剂就能按照长距离泵送处理要求完成对应工序[1]。

（1）搅拌机操作。首先，自备电厂粉煤灰或者是矿外电厂粉煤灰进入管道后输送到圆筒仓。直接传递到给料机，确保称量斗能有效使用。其次，胶结料进入到散装车，配合圆筒仓、给料机、称量斗等完成处理。

（2）充填步骤。将搅拌机获得的物料都放入料浆斗内部，配合充填泵输送到地面管，然后钻孔处理，借助井下管完成输送，传输到工作面管和三通管阀，完成充填区的最终处理。

需要注意的是，在充填操作流程中，要对煤矸石的尺寸予以控制，确保最大粒度能被控制在25mm以下，避免较大的粒度增大其破碎程度，并且，合适的粒度能最大程度上优化成品膏体的隔离效果，优化充填效率[2]。

3.煤矿固体废弃物膏体充填技术系统

要想发挥煤矿固体废弃物膏体充填技术优势，就要结合技术要求落实匹配的系统，并保证各个系统在实际工作中发挥作用，从而维持整体膏体充填工艺流程的完整性和规范性。

(1)仓储系统

除了上述要求煤矸石尺寸粒度在25mm以下外，要保证煤矸石中颗粒粒度在5mm以下的颗粒占比为40%，按照5mm以下、5-25mm两个规格完成分级处理，并予以合理化存储管控，配合使用效果更好。

另外，针对实际情况要选取更加适宜具体情况的破碎加工工艺以及破碎机，维持整体技术方案，一般是利用二级粉碎、一级筛分的处理方式，能更好地建立健全可控处理方案。本文以A煤矿企业为例，选取的是颚式破碎机完成粗破处理，将出料的基础粒度控制在75-100mm之间，之所以要进行粗破操作，是为了更好地提升入筛率，并且能对粒度在25mm以下的物料颗粒予以适当的粉碎处理，强化综合应用效果。然后要对处理后的煤矸石予以振动筛筛分控制，分别存储到不同粒度的存储库中，最后利用反击破碎机对筛取物予以细破，确保全部颗粒的粒度都能在25mm以下[3]。

(2)搅拌系统

在搅拌系统管理工作中，要结合实际情况完成配套设备管理。较为常见的方案包括一备一用和并行工作。尽管都是需要配置两台设备，但是，一备一用的处理模式对设备能力的要求更高，并且设备前期投入的费用较高。基于此，在A煤矿选择配比搅拌系统时，选择的是并行工作模式，连续运行能减少堵管事故问题，第二套搅拌机在运行过程中，能维持150m³/h充填需求。

若是填充膏体的主要材质是煤矸石，且最大粒径控制在25mm，因此，一般会选择连续式混凝土搅拌机或者是间歇式混凝土搅拌机。若是选择连续式混凝土搅拌机，各个环节都需要匹配连续运转要求，因为缺少等待时间，则设备的能力配置和投资都较低，需要按照连续计算的方式完成动态计量和匹配，这种问题难以短时间内解决。因此，多数煤矿企业都选择间歇式混凝土搅拌机，能配合静态计算分析建立精度较高的监督模式，并且能及时纠正相关问题，维持浆料质量和管路疏通的规范性，避免堵管问题造成的影响[4]。

除此之外，要按照标准化流程完成配比处理。①称料工序，利用仓下称料斗进行计算分析，并将其直接放入皮带输送机，送至缓冲斗，此时，粉煤灰和水泥都要借助螺旋给料机进行称量处理，加料和供水计量分析满足标准要求。②投料工序，确定放浆口关闭后搅拌机就会呈现出空机状态，投料结束后关闭缓冲斗闸门。③按照质量要求和标准完成搅拌处理，此时，膏体填充材料中胶结料数量一般，因此，搅拌时间要高出混凝土搅拌时间，搅拌时间设置为50s。④放浆工序，要在搅拌时间满足50s后，打开放浆口，将膏体浆液直接放入到料浆斗中，填充后完成输送，到达下井。要想从根本上提高整体工序的合理性，就要针对循环过程落实科学监管机制，确保循环操作的完整性，直到满足填充任务。

(3)管道泵送系统

在煤矿固体废弃物膏体充填处理流程中，膏体的泵送是维持整个矿井内相关流程和操作的基础，要服务一个压煤采区，因此，要落实专用充填泵，维持加压输送过程的规范性。近几年，德国普茨迈斯特公司和施魏因公司联合生产的充填泵无论是性能优势还是经济性都具有一定的应用优势，耐磨性充填泵能更好地避免内衬脱落等问题造成的影响，满足充填要求[5]。

(4)隔离系统

在完成前期处理工作后，膏体被相应设备直接输送带回采工作面，为了满足对应处理工序的要求和规范，要及时完成操作作业单元。首先，要对充填区域进行临时性的支护处理，确保充填前、充填过程中以及充填体凝固过程中都能维持顶板的稳定性和规范性[6]。其次，要进行隔离墙施工处理，快速形成封闭空间，确保能为充填操作提供较长的作业时间，减少充填料流失对工作质量造成的影响。最后，要及时安排充填作业工序，借助充填液压支架、采煤机、胶带输送机等辅助设施实现隔离，保证充填整体操作效率符合预期。

除此之外，在充填工艺流程中，也要匹配多面轮采轮充等方案，实现24h不间断充填处理，减少资源浪费的同时也能满足节能减排的基本要求，提高填充效率。

(5)充填效果定期监测系统

煤矿固体废弃物膏体填充安全控制技术本身就是新兴采矿管控机制，因此，为了有效了解其实际应用状态，要配合充填效果定期监测工作，维持综合管理效果，有效发挥技术应用优势，避免应用不当造成的安全隐患。值得一提的是，在充填效果分析工作中，最关键就是要明确膏体的应力参数，因为充填膏体本身就是在高温高湿环境中应用，普通的传感器不能对其进行实时性监测，所以，要应用独立的在线监测系统。

①监测系统组成

依据总线分线式设置模式，主要是借助顺槽中的通讯监测分站对相关信息予以处理，下位机采取的是RS485总线和测点连接的方式，针对每个测点要借助线盒予以处理，确保两个基础传感器得以合理连接。例如，传感器监测点设置下沉量监测和应力温度监测。

②工作原理

在传感器设置变送器和RS485通讯接口，并且对应的接线盒并联到总线结构，连接通讯分站，加之系统集散式连接，这就能保证每个传感器都能获取唯一的地址编码，利用支路限流匹配的方式，确保每一个支路故障都不会对周围的支路测点产生影响，将相关监测信息直接显示在LCD屏幕上，若是条件允许，则可以借助环网实现监控数据的实时性传送，并且及时保存，以保证后续进行历史数据的对比分析。

③膏体变形监测和应力监测

借助KBU101-200顶底板变形仪器对膏体的变形情况进行分析，其设计量程能达到500-800mm，设备配置齿轮-齿条结构，借助内部角位移传感器获取相应的信息，转变为数字信号。与此同时，要配置485通讯接口实现数据的实时性汇总。

而在应力监测工序中，主要是借助压力传感器获取膏体荷载参数，将传感器放置在采场底板位置，以保证相关参数汇总的合理性。其基本的工作原理就是充填介质压力直接作用在传感设备上，获取弹性形变。

4.煤矿固体废弃物膏体充填安全控制建议

对于煤矿固体废弃物膏体充填工作而言，地面系统和地下系统是主要组成部分，也是安全问题较为集中的内容，因此，在落实安全控制工序时，就要结合局部网络系统落实最优化控制，保证过程化综合信息管理的实效性。

(1)避免堵管事故

为了保证煤矿固体废弃物膏体充填质量符合预期，就要高度重视堵管预防工作的合理性和规范性，按照标准流程建立健全完整的控制方案，提升充填高效性。

第一，要及时安装除铁器，并且在皮带机头及时安装对应的设备，避免金属物质进入到二级破碎机亦或是进入充填管道造成堵管，要及时进行清理和管控，保证相应设施能发挥实际作用[7]。

第二，要对粒径参数予以控制，主要是对振动筛筛网的尺寸和二级破碎机出料口的宽度予以及时纠正，维持较好的状态。

第三，要对煤矸石予以监管，利用煤矸石在线水分检测设备及时检测其含水量，确保水分均匀性的同时，按照不同的粒度进行封闭仓储管理。并且，在配料工作开始前也要进行对应参数的复测。

第四，要采取双台套配置模式，其中，变压器、PLC控制系统、配比搅拌子系统、充填泵等都要结合实际情况进行配置处理，并且要对控制配比予以计算分析，确保搅拌质量参数符合预期。

第五，要在地面设置堵管事故的专用处理通道，利用φ114mm×7mm无缝钢管铺设的方式将一端连接充填泵出口，一端连接充填钻孔的盲板封口，确保法兰连接的合理性。

(2)匹配在线监测预警系统

在煤矿固体废弃物膏体充填技术应用过程中，全过程监测管理也非常重要，因为充填区域地下条件较为复杂，传统的应力传感器无法及时获取对应参数，因此，设置管道压力监测单元，就能及时完成预警，有效实现自动卸料。本文以“KJ216煤矿动态监测系统”为例，配置井上/井下监测单元、通讯接口以及矿用数据光端机等，有效采取多级总线分布式结构，完成安全设计，利用工业级PC扩展光纤接口就能及时连接井上监测服务器，从而获取相关数据。

另外，利用127V电源供电，打造上位机和下位机共同处理的监测系统结构，上位机负责接收数据并发送相应的指令，下位机负责对信号数据予以存储和处理，全面维持数据应用效率[8]。

5.结束语

总而言之，煤矿固体废弃物膏体充填技术应用过程中，要充分结合不同系统的应用规范要求，保证对应处理流程和工序的规范性，最大程度上提高其应用效率和质量水平，优化充填工作面的质量，按照标准开采和充填要求维持实时性管理，配合使用不同系统和在线监测模块，为煤矿行业健康可持续发展奠定坚实基础。