1、 收 稿 日 期 : 2009 - 11 - 16作 者 简 介 : 刘 志 钧 (1970 - ) , 男 , 高 级 工 程 师 , 现 任 新 汶 矿 业 集 团 公 司 技 术 中 心 副 主 任 工 程 师 。煤 矸 石 似 膏 体 充 填 开 采 技 术 研 究刘 志 钧(新 汶 矿 业 集 团 技 术 中 心 , 山 东 新 泰 271233)摘 要 : 充 填 开 采 是 实 现 煤 矿 绿 色 开 采 的 关 键 技 术 之 一 。 结 合 孙 村 矿 实 验 区 的 相 关 条 件 , 采用 矸 石 似 膏 体 充 填 技 术 , 对 充 填 体 组 合 料 的 最 优 配
2、 比 技 术 参 数 进 行 分 析 , 并 对 充 填 物 料 添 加 顺 序进 行 了 优 化 研 究 。 研 究 结 果 表 明 , 在 煤 矿 井 下 运 用 矸 石 似 膏 体 充 填 技 术 是 可 行 的 , 可 为 其 他 类 似矿 井 充 填 开 采 提 供 借 鉴 。关 键 词 : 煤 矸 石 ; 似 膏 体 ; 充 填 开 采中 图 分 类 号 : TD82317 文 献 标 识 码 : B 文 章 编 号 : 1671 - 0959 (2010) 0320029203利 用 充 填 采 煤 技 术 处 置 井 下 煤 矸 石 , 既 可 减 少 煤 矿 固体 废 弃 物
3、 排 放 , 又 可 以 减 轻 开 采 沉 陷 危 害 , 提 高 矿 井 资 源回 收 率 , 是 实 现 煤 矿 绿 色 开 采 的 理 想 途 径 和 关 键 技 术 之 一 。按 照 绿 色 开 采 的 理 念 , 充 填 采 矿 是 解 决 煤 矿 开 采 环 境 问 题的 理 想 途 径 。 围 绕 充 填 材 料 、 充 填 料 浆 制 备 、 充 填 工 艺 参数 、 充 填 体 力 学 性 能 及 承 载 特 性 、 充 填 体 作 用 机 理 、 充 填体 质 量 评 价 等 方 面 展 开 研 究 , 取 得 了 不 少 成 果 。 充 填 工 艺和 设 备 日 臻 完
4、 善 , 许 多 新 型 充 填 材 料 相 继 问 世 , 为 降 低 胶结 充 填 成 本 , 扩 大 充 填 应 用 范 围 , 近 年 来 研 究 人 员 致 力 于水 泥 替 代 品 研 究 并 取 得 了 一 定 成 果 。 利 用 粉 煤 灰 、 冶 炼 炉渣 、 铝 厂 赤 泥 等 来 源 广 泛 、 成 本 低 廉 的 工 业 固 体 废 料 , 大幅 降 低 了 矿 山 胶 结 充 填 成 本 , 提 高 了 矿 山 经 济 、 社 会 和 环境 效 益 。1 试 验 区 地 质 条 件孙 村 矿 井 地 面 标 高 在 + 165 + 210m之 间 。 煤 系 地 层
5、大部 为 冲 积 层 所 掩 盖 , 只 有 溪 沟 中 略 有 出 露 。 工 业 场 地 内 主斜 井 井 口 标 高 为 + 17515m。 20世 纪 90年 代 围 绕 千 米 北 立井 建 设 的 北 立 井 工 业 场 地 位 于 柴 汶 河 北 岸 , 井 口 标 高 为+ 19915m。 按 照 向 深 部 发 展 过 程 中 开 采 水 平 设 置 , 孙 村 煤矿 已 有 - 75m、 - 210m、 - 400m、 - 600m、 - 800m 和- 1050m共 6个 开 采 水 平 。程 治 理 设 计 要 求 。2) 该 筒 仓 自 2005年 建 成 , 经 过
6、 3年 沉 降 观 测 , 最 大累 计 沉 降 值 12mm, 最 大 倾 斜 0101% , 地 基 稳 定 , 满 足 规 范要 求 。表 1 采 空 注 浆 后 浆 液 结 石 波 速 值测 线 编 号 测 点编 号面 波 波 速VR /m s- 1纵 波 波 速V P /m s- 1面 波 测 线 1 101102 11501080 20431919201 980 1741面 波 测 线 2 202 980 1741203 980 1741301 1000 1777面 波 测 线 3 302 1000 1777303 1000 17776 结 语1) 由 于 小 煤 窑 开 采 的
7、随 意 性 , 对 于 老 采 空 区 应 采 用 物探 、 钻 探 等 多 种 手 段 综 合 确 定 。2) 建 于 老 采 空 区 上 的 较 重 要 建 筑 物 , 地 基 处 理 时 不 仅应 对 采 空 区 空 洞 进 行 充 填 , 更 重 要 的 是 对 临 界 深 度 内 岩 层裂 隙 的 充 填 。 否 则 , 难 以 取 得 较 为 理 想 的 治 理 效 果 。3) 由 于 小 窑 采 空 区 分 布 的 无 规 律 性 , 加 固 治 理 此 类 采空 区 时 , 应 根 据 工 程 实 际 及 时 调 整 施 工 参 数 和 施 工 方 法 。4) 注 浆 施 工
8、应 遵 循 由 外 至 里 的 原 则 , 力 求 形 成 封 闭 帷幕 , 同 时 阶 段 性 控 制 注 浆 量 及 注 浆 压 力 , 施 工 中 一 旦 出 现压 力 突 降 , 必 须 立 即 停 止 施 工 , 查 找 原 因 , 以 防 帷 幕 决 堤而 影 响 注 浆 效 果 。参 考 文 献 : 1 山 西 省 交 通 厅 , 中 交 通 力 公 路 勘 察 设 计 工 程 公 司 . 高 速 公 路采 空 区 (空 洞 )勘 察 设 计 与 施 工 治 理 手 册 M . 北 京 : 人 民交 通 出 版 社 , 2005. 2 郭 广 礼 . 老 采 区 上 方 建 筑
9、地 基 变 形 机 理 及 其 控 制 M . 徐州 : 中 国 矿 业 大 学 出 版 社 , 2001.(责 任 编 辑 章 新 敏 )922010年 第 3期 煤 炭 工 程 施 工 技 术 2 充 填 配 比 试 验 及 结 果 分 析根 据 配 比 试 验 安 排 , 在 室 内 常 温 下 , 进 行 试 块 制 作 ,到 相 应 养 护 龄 期 后 , 测 定 其 单 轴 抗 压 强 度 , 得 出 如 下 结 论 :1) 陶 化 煤 矸 石 充 填 体 早 期 强 度 明 显 高 于 新 鲜 煤 矸 石 ,而 细 粒 新 鲜 煤 矸 石 优 于 粗 粒 新 鲜 煤 矸 石 。
10、相 同 条 件 下 , 陶化 煤 矸 石 7d后 充 填 体 强 度 , 比 新 矸 提 高 50% 70% , 这 说明 煤 矸 石 陶 化 后 具 有 了 一 定 的 胶 凝 特 性 。2) 添 加 粉 煤 灰 可 有 效 抑 制 骨 料 沉 淀 , 明 显 改 善 浆 体 流动 性 能 , 减 少 泌 水 率 (仅 为 3%左 右 , 而 不 加 粉 煤 灰 的 胶 结充 填 体 泌 水 率 在 10%以 上 ) , 有 利 于 井 下 采 场 脱 滤 水 。3) 添 加 复 合 减 水 剂 可 明 显 改 善 浆 体 和 易 性 , 有 利 于 提高 充 填 体 浓 度 和 强 度 ,
11、 降 低 管 道 磨 损 , 添 加 量 以 水 泥 与 粉煤 灰 质 量 和 的 115%为 宜 。4) 充 填 体 具 有 较 高 的 残 余 强 度 , 即 充 填 体 达 到 强 度 极限 破 坏 后 , 仍 能 维 持 一 定 的 承 载 性 能 。3 充 填 系 统 方 案 设 计311 充 填 工 艺 流 程充 填 制 备 系 统 工 艺 流 程 如 图 1所 示 。 整 个 工 艺 流 程 共包 括 5个 部 分 , 各 系 统 具 体 描 述 如 下 。图 1 充 填 制 备 工 艺 流 程1) 充 填 料 的 运 输 与 储 存 系 统 。 为 满 足 管 道 输 送 要
12、求 ,煤 矸 石 必 须 进 行 破 碎 。 破 碎 后 的 煤 矸 石 储 存 于 煤 矸 石 堆 场内 , 通 过 电 溜 子 向 缓 冲 漏 斗 供 料 , 并 经 计 量 后 转 运 到 主 搅 拌桶 内 ; 水 泥 、 粉 煤 灰 用 散 装 罐 车 运 送 , 并 卸 入 立 式 水 泥 仓 和粉 煤 灰 仓 内 , 经 仓 底 插 板 阀 、 星 形 给 料 机 、 冲 板 流 量 计 计 量后 通 过 单 螺 旋 输 送 机 输 送 至 搅 拌 桶 内 , 并 按 要 求 加 入 减 水剂 , 搅 拌 形 成 水 泥 粉 煤 灰 浆 , 然 后 转 运 到 主 搅 拌 桶 内
13、。2) 搅 拌 系 统 。 普 通 搅 拌 很 难 破 坏 微 细 颗 粒 固 体 和 水 产生 的 聚 凝 集 合 体 , 因 此 , 需 用 强 力 机 械 搅 拌 装 置 。3) 供 水 系 统 。 为 保 证 供 水 能 力 , 需 设 置 高 位 水 池 。4) 检 测 系 统 。 料 浆 浓 度 的 变 化 对 充 填 料 浆 特 性 的 影 响极 为 敏 感 , 为 顺 利 实 现 全 尾 砂 高 浓 度 胶 结 充 填 , 必 须 建 立一 套 可 靠 、 完 善 的 充 填 监 控 系 统 , 实 现 对 料 浆 浓 度 、 流 量及 各 种 物 料 配 比 的 监 测 和
14、调 节 。5) 管 路 系 统 。 高 浓 度 胶 结 充 填 料 浆 , 通 过 钻 孔 和 管 道输 送 至 待 充 采 场 , 通 过 带 快 速 接 头 的 塑 料 软 管 进 行 采 场充 填 。312 井 下 管 道 输 送 系 统 方 案地 表 充 填 制 备 站 制 成 符 合 要 求 的 浆 体 沿 充 填 钻 孔 进 入井 下 充 填 管 道 。 首 期 充 填 范 围 为 - 210m水 平 的 约 4000kt保安 煤 柱 , 井 下 充 填 水 平 管 道 总 长 度 1100m。 充 填 站 内 设 有一 台 微 型 空 压 机 , 用 于 向 水 泥 仓 、 粉
15、煤 灰 仓 底 吹 气 防 止 堵塞 之 用 。 减 水 剂 储 存 在 减 水 剂 桶 内 , 通 过 计 量 泵 根 据 设 计要 求 , 往 搅 拌 桶 内 添 加 。4 充 填 工 艺由 于 充 填 工 作 面 倾 斜 布 置 , 且 斜 长 较 大 , 如 果 采 用 金属 矿 山 普 遍 采 用 的 封 堵 工 艺 , 难 以 保 证 采 场 充 填 的 安 全 。结 合 孙 村 矿 开 采 工 作 面 倾 斜 布 置 的 特 点 , 采 用 煤 矸 石 非 胶结 干 式 充 填 和 煤 矸 石 充 填 体 管 道 自 流 输 送 充 填 交 替 进 行 的综 合 充 填 工 艺
16、, 既 减 少 了 矸 石 出 井 量 , 降 低 了 矸 石 提 升 费用 和 充 填 成 本 , 又 保 证 了 煤 矸 石 充 填 体 管 道 自 流 输 送 充 填的 安 全 。1) 煤 矸 石 干 式 充 填 构 筑 挡 墙 工 艺 。 煤 矸 石 干 式 充 填 系统 如 图 2所 示 。 在 - 210m水 平 联 络 石 门 内 设 矸 石 仓 , 其 上口 位 于 石 门 内 , 下 口 在 - 210m水 平 4层 煤 柱 回 风 巷 内 , 矸石 车 由 架 线 式 电 机 车 顶 入 联 络 石 门 经 前 翻 式 翻 车 机 卸 入 矸石 仓 内 , 距 矸 石 仓
17、下 口 20m 处 安 装 一 台 ZYP - 17型 扒 装机 , - 210m水 平 4层 煤 柱 回 风 巷 安 装 一 部 SD - 80胶 带 至 工作 面 上 出 口 , 在 工 作 面 切 顶 第 3排 和 第 4排 正 规 支 柱 空 档内 安 装 一 部 SGW - 40T窄 型 运 输 机 , 前 端 接 高 速 小 胶 带 。矸 石 由 扒 装 机 扒 入 SD - 80胶 带 运 送 至 工 作 面 上 出 口 , 经 工作 面 SGW - 40T窄 型 运 输 机 、 高 速 小 胶 带 抛 入 采 空 区 充 填 。为 保 证 正 常 回 风 , 在 扒 装 机 运
18、 行 范 围 内 设 隔 离 挡 墙 。矸 石 充 填 时 按 照 由 里 向 外 、 由 下 向 上 的 顺 序 逐 排 回 收到 高 速 小 胶 带 机 头 , 切 顶 排 采 用 临 时 密 集 柱 将 带 双 层 纱 布的 竹 芭 固 定 牢 后 进 行 充 填 。 充 填 至 高 速 小 胶 带 机 头 时 , 将矸 石 运 输 机 缩 短 、 高 速 小 胶 带 上 提 , 回 柱 后 挡 笆 继 续 充 填 ,直 至 充 填 工 作 面 上 头 。2) 煤 矸 石 充 填 体 采 场 充 填 工 艺 。 矸 石 充 填 结 束 后 , 借助 矸 石 充 填 挡 墙 , 进 行 充
19、 填 体 自 流 充 填 。 充 填 过 程 中 , 工作 面 可 正 常 回 采 , 但 回 柱 时 必 须 保 证 充 填 体 矸 石 能 自 立 。工 作 面 推 采 916m后 重 新 安 装 SGW - 40T窄 型 运 输 机 、 高 速小 胶 带 进 行 矸 石 充 填 。 充 填 体 自 流 充 填 步 距 418m。充 填 体 自 流 充 填 时 , 把 管 路 架 设 在 充 填 区 上 口 一 次 性充 填 。 为 保 证 充 填 过 程 的 顺 利 进 行 , 在 井 上 下 要 配 置 直 通电 话 , 注 意 观 查 充 填 进 度 情 况 并 保 持 及 时 联
20、系 。03施 工 技 术 煤 炭 工 程 2010年 第 3期 图 2 煤 矸 石 干 式 充 填 构 筑 挡 墙 示 意 图5 结 论为 保 护 地 表 建 筑 物 、 农 田 、 河 流 及 矿 山 3条 主 要 井 巷 ,孙 村 矿 在 城 镇 范 围 内 留 设 了 储 量 达 1600kt的 优 质 保 安 煤 柱 ,在 保 证 地 表 及 矿 山 井 巷 安 全 的 前 提 下 , 最 大 限 度 地 回 收 这部 分 宝 贵 的 煤 炭 资 源 , 对 矿 山 可 持 续 发 展 意 义 重 大 。 通 过研 究 , 得 到 如 下 结 论 :1) 充 填 料 物 理 力 学 性
21、 质 分 析 表 明 , 破 碎 后 的 煤 矸 石 (粒径 5mm以 下 )虽 然 粒 级 组 成 不 理 想 , 但 添 加 粉 煤 灰 和 减 水 剂进 行 改 良 后 , 大 大 提 高 了 充 填 体 充 填 料 的 管 道 输 送 性 能 。2) 充 填 体 组 合 料 按 最 优 配 比 后 , 配 比 组 合 料 强 度 指标 、 坍 落 度 、 坍 落 扩 散 度 、 稠 度 较 优 , 流 变 特 性 类 似 于 膏体 的 结 构 流 , 充 填 体 胶 结 充 填 除 了 具 有 膏 体 充 填 固 有 的 高悬 浮 性 、 低 脱 水 率 、 低 管 道 磨 损 等 优
22、 点 外 , 还 具 有 良 好 的流 动 性 能 , 完 全 满 足 管 道 自 流 输 送 与 采 场 充 填 对 组 合 料 浆流 动 性 能 的 要 求 。3) 充 填 体 作 用 机 理 研 究 表 明 , 水 泥 、 粉 煤 灰 、 煤 矸 石体 系 的 水 化 反 应 是 一 个 分 阶 段 、 多 层 次 的 水 化 反 应 过 程 。包 括 : 水 泥 水 化 期 (水 泥 、 粉 煤 灰 、 煤 矸 石 体 系 自 加 水 到14d左 右 的 时 间 ) , 此 阶 段 水 泥 通 过 水 化 反 应 形 成 了 氢 氧 化钙 胶 体 或 晶 体 , 形 成 早 期 强 度
23、 ; 水 硬 期 (充 填 体 形 成 后 大 约14 30d左 右 ) , 此 阶 段 粉 煤 灰 颗 粒 表 面 上 形 成 的 C - S - H凝 胶 中 的 Ca2 +向 粉 煤 灰 颗 粒 内 部 扩 散 , 形 成 一 定 的 C - S -H过 渡 层 ; 强 度 期 (充 填 体 形 成 后 30d 90d) , 这 是 C - S -H形 成 的 主 要 时 期 , 强 度 增 加 较 大 。4) 进 行 充 填 物 料 添 加 顺 序 的 优 化 研 究 , 提 出 了 先 加 水泥 、 粉 煤 灰 和 减 水 剂 , 3m in后 , 根 据 标 定 的 比 例 添 加
24、 煤 矸石 , 保 证 了 充 填 物 料 在 搅 拌 桶 和 充 填 管 道 中 处 于 悬 浮 状 态 ,有 利 于 提 高 充 填 质 量 , 减 轻 管 道 磨 损 , 防 止 管 道 堵 塞 。5) 根 据 开 采 工 作 面 倾 斜 布 置 且 斜 长 较 大 的 特 点 , 首 次提 出 了 煤 矸 石 非 胶 结 干 式 充 填 构 筑 挡 墙 、 煤 矸 石 充 填 体 管道 自 流 输 送 充 填 采 场 的 综 合 充 填 工 艺 , 既 减 少 了 矸 石 出 井量 , 又 简 化 了 采 场 滤 水 墙 的 构 筑 工 艺 , 填 补 了 国 内 外 大 倾斜 采 场
25、 充 填 工 艺 的 空 白 。参 考 文 献 : 1 实 现 现 代 化 的 理 想 经 济 模 式 “ 中 国 现 代 化 进 程 战 略 构 想 ”M . 北 京 : 科 学 出 版 社 , 2002. 2 钱 鸣 高 , 许 家 林 , 缪 协 兴 . 煤 矿 绿 色 开 采 技 术 J . 中 国矿 业 大 学 学 报 , 2003, 32 (4) : 343 348. 3 张 东 升 , 张 吉 雄 , 徐 金 海 . 预 掘 巷 过 断 层 及 其 矸 石 井 下 处 理技 术 J . 中 国 矿 业 大 学 学 报 , 2004, 33 (2) : 179 182. 4 刘 建
26、 功 , 赵 庆 彪 , 张 文 海 , 赵 计 生 . 煤 矿 井 下 巷 道 矸 石 充 填技 术 研 究 与 实 现 J . 中 国 煤 炭 , 2005, 31 (8) : 37 39. 5 郝 永 月 , 秦 海 峰 . 煤 矿 井 下 矸 石 填 充 工 艺 流 程 的 探 讨 J .河 北 煤 炭 , 2004, (6) : 5 6. 6 张 魁 武 , 李 金 洲 . 掘 进 矸 石 在 井 下 的 处 理 J . 华 北 科 技学 院 学 报 , 2005, 2 (2) : 46 47. 7 邻 友 峰 , 邓 喀 中 , 马 伟 民 . 矿 山 开 采 沉 陷 工 程 M . 徐 州 :中 国 矿 业 大 学 出 版 社 , 2003. 8 煤 炭 科 学 研 究 院 北 京 开 采 研 究 所 . 煤 矿 地 表 移 动 与 覆 岩 破 坏规 律 及 其 应 用 M . 北 京 : 煤 炭 工 业 出 版 社 , 1983. 9 国 家 煤 炭 工 业 局 . 建 筑 物 、 水 体 、 铁 路 及 主 要 井 巷 煤 柱 留 设与 压 煤 开 采 规 程 M . 北 京 : 煤 炭 工 业 出 版 社 , 2000.(责 任 编 辑 李 泽 荃 )132010年 第 3期 煤 炭 工 程 施 工 技 术
