膏体充填

充填开采煤矿实践中的应用摘要：煤矿绿色开采的发展要求和村庄压煤开采的迫切性，提出了膏体充填不迁村采煤技术。

通过研制专用膏体充填胶结料和选择廉价的充填材料，大幅度降低了膏体充填成本，提出了满足煤矿开采适用的膏体材料的合理配比，提出了适合煤矿应用的膏体充填方法，以及系统介绍膏体充填在煤矿实践中的应用。

中国矿业大学钱鸣高院士最近提出了煤矿绿色开采技术，充填开采技术是绿色开采技术的重要组成部分，是解决煤矿开采环境问题的理想途径。

当前，研究解决村庄等建筑物下大量压煤开采，实现不迁村采煤更应受到重视。

我国村庄压煤具有量大面广的特点，人口密集的河南、河北、山东、安徽、江苏五省压煤的村庄达1094个，住户11万户，占我国村庄总压煤量的55%以上，仅兖州矿业集团109个村庄压煤就达5.5亿t。

村庄下压煤开采涉及到土地、环境保护、工农关系等社会各方面问题。

目前，从村庄下采出的煤量仅占其压煤可采储量的4 %，其中75%以上还是靠搬迁村庄之后采出来的，而村庄搬迁费、塌陷土地赔偿费已达到20万元/户，并且对矿区环境造成了严重破坏。

关键词：膏体充填；不迁村采煤；充填工艺；膏体材料配比；材料配置控制1 充填采煤工艺的发展背景1．1 传统的不迁村采煤方法村庄等建筑物下的大量压煤不仅造成煤炭资源的巨大浪费，并且严重制约矿井的正常生产和接续。

通过几十年的努力，村庄下采煤技术的整体水平有了较大的提高。

目前，能实现不迁村采煤的主要方法是条带开采和充填开采，特别是两者的有机结合。

条带开采是控制地表移动和变形的最有效方法之一。

其最大优点是在不改变采煤工艺的前提下，较大幅度地减少地表沉降，在无法采取其它措施的条件下采出部分建筑物下压煤，最大缺点是采出率低，资源浪费严重，且生产效益较低。

充填开采是实现不迁村采煤、提高煤炭采出率的最有效途径，以水砂充填开采应用最多，效果也最好。

但水砂充填开采存在工艺复杂、不利于机械化生产、效率低、成本高等问题，近十多年来，国内几乎未用该技术来开采村庄下压煤[1]。

1.2膏体充填技术及其煤矿应用的可行性所谓固体废物膏体充填不迁村采煤，就是把煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、劣质土、城市固体垃圾等在地面加工制作成不需要脱水处理的牙膏状浆体，采用充填泵或重力加压，通过管道输送到井下，适时充填采空区或离层区，形成以膏体充填体为主的上覆岩层支撑体系，有效控制地表沉陷在建筑物允许值范围内，实现村庄不搬迁，安全开采建筑物下压煤，保护矿区生态环境和地下水资源。

固体废物膏体充填是煤矿绿色开采技术的重要组成部分。

要解决煤矿开采对水资源、土地资源、建筑物等造成的破坏，特别是当前亟待解决的不迁村采煤问题，应用膏体充填技术是最理想的方法之一，但在煤矿应用膏体充填技术与金属矿山又有较大差别。

金属矿山工作面围岩较稳定，充填作业一般是在工作面回采结束后一次完成，且对充填体的早期强度无特别要求；另外，金属矿山膏体充填成本较高，煤矿难以承受的。

因此，只有降低膏体充填成本，膏体充填技术在煤矿才有生命力。

2 膏体充填材料特点及发展2.1 膏体充填材料的特点煤矿膏体充填材料具有以下特点：1）浓度高一般膏体充填材料质量浓度大于75%，目前最高浓度达到88%；2）流动状态为柱塞结构流普通水砂充填料浆管道输送过程中呈典型的两相紊流特征，管道横截面上浆体的流速为抛物线分布，从管道中心到管壁，流速逐渐由大减小为零，而膏体充填料浆在管道中基本是整体平推运动，管道横截面上的浆体基本上以相同的流速流动，称之为柱塞结构流；3）料浆基本不沉淀、不泌水、不离析膏体充填材料这个特点非常重要，可以降低凝结前的隔离要求，使充填工作面不需要复杂的过滤排水设施，也避免或减少了充填水对工作面的影响，充填密实程度高；4）无临界流速最大颗粒料粒径达到25~35mm，流速小于1m/s仍然能够正常输送。

所以，膏体充填所用的煤矸石等物料只要破碎加工即可，可降低材料加工费，低速输送能够减少管道磨损；5）相同胶结料用量下膏体材料强度较高。

2.2 膏体充填对材料的要求1）成本要求更低目前煤矿可以接受的充填开采的吨煤增加成本在20元/t左右，如果全部充填，充填体费用需要控制在25~30元/m3，比金属矿山充填可接受的成本少一半以上；2）煤矿膏体充填没有如金属矿山那样有质量比较稳定的尾砂作集料，煤矿附近能够用作充填的原材料常常是煤矸石、粉煤灰等固体废物，物料成分复杂、变化大；3）早期强度要求高。

充填完成数小时后膏体充填体必须有一定强度，达到脱模条件，保持自稳，并能够对顶板有适当的支撑作用。

2.3 煤矿膏体充填材料的发展现状鉴于煤矿膏体充填材料的特殊要求，最近研制了PL和SL两个系列复合膏体充填胶结料，能够满足不同条件矿山膏体充填工程的需要，并具有以下显著特点：①能够与含泥量高的各种集料正常凝结固化，为最大限度地应用各种固体废弃物创造了十分有利的条件；②在极少用量条件下（胶结料含量一般2%~5%）就能使制作的膏体料浆形成所需强度的固化体，并且早期强度高，后期强度持续增长；③生产成本低。

根据金属矿山膏体充填的情况，充填胶结料和其它充填材料的成本分别要占充填总成本的60%和30%左右，因此，PL和SL两个系列复合胶结料为减少膏体充填胶结料用量、采用廉价的充填材料，从而大幅度降低膏体充填成本创造了有利的技术条件。

2.4 PL材料在煤矿应用中的技术发展1）PL膏体胶结料在50 kg/m3左右的极少使用量条件下，能够使膏体充填材料快速凝结固化，在数小时内达到一定的强度，可以满足膏体充填不迁村采煤工程的需要；2）PL膏体充填材料与其它充填材料比较，弹性模量较大，抗变形能力强，有利于提高充填控制开采沉陷的效果；3）PL膏体充填材料在低围压下即能够表现出突出的塑性强化特征，实践中可充分利用这个特性，适当降低充填材料的强度要求，降低充填成本。

2.5 充填材料物理化学组成1）胶结料：试验采用的胶结料是以普通硅酸盐水泥为基材，与石膏、石灰和多种外加剂等科学配制的复合材料，简称PL膏体胶结料，该材料具有速凝、早强和后期强度持续增长的特点。

2）煤矸石：粗骨料矸石的级配、粒径对膏体的可泵性影响很大，最大粒径取决于输送管的尺寸。

根据煤矿膏体充填的需要和煤矸石破碎后外形尖锐扁平的特点，同时参考粗骨料最大粒径与输送管径的关系确定煤矸石加工破碎到直径小于25 mm，进行筛分以后按混凝土的颗粒级配曲线进行级配。

根据宝钢的泵送混凝土施工经验，集料最大尺寸25 mm有外加剂的混凝土碎石的砂率为44 %。

用于不迁村采煤充填的固体废物膏体与泵送混凝土在很大程度上相似。

所以用于不迁村采煤充填的固体废物膏体的砂率取44 %。

3）粉煤灰：粉煤灰在充填材料中主要发挥细集料作用，粉煤灰能显著提高混凝土拌合物的合易性，充分发挥粉煤灰球形颗粒的润滑滚珠效果，提高混凝土流动性，减少泌水防止混凝土离析，提高可泵性。

3 膏体材料物理化学性状影响因素分析3.1 抗压强度影响因素分析粉煤灰的加量对1d充填体抗压强度的影响不是很显著。

而胶结料有显著的影响。

质量分数的影响次之，最后是细粒级矸石的加量。

在3d强度的影响因素中，粉煤灰的加量对充填体抗压强度的影响不显著，而其他3个因素与粉煤灰的影响作用相差不大，质量浓度的影响最大。

在7d强度的影响因素中，细粒级矸石的加量对强度的影响最显著，而后是胶结料的加量，然后是粉煤灰的加量。

影响作用最不显著的是质量浓度。

因此综合起来可以看出，胶结料的加量对充填体强度有显著的影响。

尤其对充填体早期强度的影响最为显著。

1）细粒级矸石量：细粒级矸石量对强度的影响随着时间而逐渐增强，它对长期强度有显著影响。

主要是因为后期在胶结料和粉煤灰的胶凝作用下，煤矸石的整体性得到提高，从而使得充填体整体后期强度得以增强。

2）胶结料加量：胶结料对强度的影响在早期和后期相对显著，同时随着胶结料加量的增加呈增长趋势。

3）粉煤灰加量：粉煤灰对强度的影响作用在前期硬化中不显著，粉煤灰在这时发挥微集料作用，在硬化后期，粉煤灰开始表现出类似水泥的胶凝作用，金属矿山的尾砂充填也已证明此点。

4）膏体质量分数：膏体质量分数的增加对强度的影响是先增强后减弱，因为在早期质量分数的增大可在很大程度上提高膏体的早期强度，但随着充填材料的内部化学反应和胶凝作用的加快，质量分数的影响作用开始减弱。

3.2 可泵性影响因素分析膏体充填料的可泵性，就是膏体充填料在管道泵送过程中的工作性，主要包括流动性、可塑性和稳定性。

流动性取决于膏体充填料的浓度及粒度级配，反映其固相与液相的相互关系和比率；可泵性是膏体充填料泵送的一个综合性指标，一般用坍落度来判别。

坍落度影响因素主要取决于充填物料的成分与比重，粒级组成和浓度。

从试验数据可看出膏体材料的坍落度均在20cm 以上，膏体在井下经泵送后坍落度会降低，但还是能满足要求。

骨料中细矸石的加量对坍落度的影响最显著，质量分数次之，胶结料和粉煤灰的影响基本相当。

1）试验研究表明煤矸石可作为固体废物膏体充填骨料与粉煤灰、胶结料进行膏体充填。

为保证膏体的正常泵送，要严格控制矸石粗细颗粒的比重，砂率一般控制在44 %左右。

充填骨料良好的粒级组成可使颗粒间孔隙减小，颗粒不易下沉。

2）膏体充填材料中煤矸石，胶结料对充填体强度影响显著。

胶结料对早期强度的影响最明显。

煤矸石对后期强度影响较明显。

提高充填体强度的有效途径是提高胶结料和矸石含量，但提高胶结料含量对控制成本不利，提高矸石含量对控制坍落度和膏体的可泵性不利。

因此在实际生产中要合理控制二者含量，保证膏体满足强度和可泵性的要求。

3）煤矸石在加工破碎为直径小于25 mm 后，在胶结充填中作为骨料的煤矸石还需进一步分级。

矸石粗颗粒的最大粒径与充填管径之比应控制在1：4或更小。

4）膏体中矸石细颗粒对材料的坍落度影响作用较粗颗粒显著，质量浓度的提高对膏体的坍落度不利。

在膏体材料中添加优质粉煤灰能够提高和易性，可充分发挥粉煤灰的润滑效果，降低坍落度损失，提高膏体的可泵性。

4 煤矿膏体充填工艺4.1 膏体充填流程煤矿膏体充填就是把煤矿就近的煤矸石、粉煤灰、工业炉渣等固体废弃物制作成不需脱水的膏状浆体，通过泵压或重力作用，经过管道输送到井下，适时充填采空区的方法。

煤矿膏体充填工艺流程分为材料准备、配料制浆、管道泵送、工作面充填等四大部分。

图1为华东某矿设计的膏体充填系统工艺流程。

4.2 材料准备煤矿膏体充填材料主要为煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、城市固体垃圾、劣质砂等固体废弃物。

对于粒度较小的材料经过简单处理（筛除大于20 mm的块料及线状杂物等）就可进入料仓备用，当采用煤矸石等大块材料时，还需对其进行适当的破碎处理。

为了降低胶结料用量，还可以对部分粉煤灰采用机械磨细和碱性激发等手段激发粉煤灰的化学活性。