煤炭生产安全及环境存在问题分析及新型填充材料应用的探讨

2011-05-12丁江林

中国新技术新产品 2011年9期

丁江林

（云南煤矿安全技术中心，云南昆明 650205）

1 煤炭生产和消费带来的问题

煤炭开采和加工过程中产生的煤矸石约为煤炭产量的10%～15%。目前我国有煤矸石山1500多座,约40亿t,占地1.33万hm2以上,而且每年以1亿t的速度增长,每年新增占地400多hm2。煤矸石的堆积不仅占用大量土地,而且煤矸石中所含的硫化物散发后会污染大气和水源,造成严重的后果。煤矸石受雨水冲刷,常使附近河流的河床淤积,河水受到污染。煤炭开采还造成矿区地表塌陷,地下水遭到破坏。煤炭的消费也造成严重的环境污染。我国76%的电力由燃煤电厂提供,随着我国火力电力工业的迅速发展,粉煤灰的排放量急剧增加,据统计,1995年我国粉煤灰排放量为1.25×108t,到2000年已达到1.53×108t,预计到2010年将达到2×108t以上。这不仅造成土地资源的浪费,更重要的是造成严重的大气污染、土壤污染、水资源污染,危害人类健康。

2 目前存在的问题及对策

为减少采煤工作面顶板事故,煤炭行业采取了多项技术措施,如:加强地质勘探,及时预报工作面地质构造;改进工作面支护装备和技术,加强采煤工作面的支护管理和生产管理等。这些措施对减少采煤工作面顶板事故起到了积极的作用。但总体来看,问题并没有从根本上得到解决。采煤工作面顶板事故仍时有发生,严重威胁着煤矿工人的生命安全和影响矿井经济效益的提高。

煤矸石和粉煤灰的处理和资源化利用近年来得到了很大的发展。煤矸石和粉煤灰的利用包括:在建筑工程中作筑路材料,生产普通硅酸盐水泥、无熟料水泥等;在建材工业中生产空心砌块、加气混凝土、装饰制品及多种保温材料;在化学工业中生产结晶氯化铝、硫酸铝等化工原料以及制备分子筛等。然而就全国范围来看,煤矸石和粉煤灰的利用还有待于大力发展,如2000年煤矸石的综合利用率仅40%,粉煤灰的全国平均利用率1997年为41%。

为控制和减轻地表塌陷,目前采取的主要技术途径有部分开采、覆岩离层带注浆和充填开采等。部分开采主要包括房式开采和条带开采,其原理是利用留下的矩形或条带形煤柱支撑上覆岩层控制地表塌陷。其中条带开采在国内应用最为广泛。现场监测研究表明,应用条带开采技术,地表下沉系数为全部垮落法开采的4.8%～26.8%。条带开采的最大缺点是造成资源的永久损失,已成功的实例表明其面积采出率不超过50%。

覆岩离层带注浆是近几年提出的一种新的地表塌陷控制方法。其实质是注浆充填开采过程中上覆岩层中形成的离层空间,阻止开采空间的向上传递,阻止和减缓上覆岩层继续下沉,从而控制和减轻地表塌陷。部分实验工作面采用该技术后取得了一定效果。但离层带注浆实现的难度较大,目前还难以广泛应用。

充填开采法用河砂、卵石等将工作面后方的采空区进行充填,从而控制上覆岩层的移动和地表塌陷。充填开采法比垮落开采法引起的岩层移动及地表下沉量小,工作面顶板压力也小,有助于减少顶板事故,改善井下安全状况。但传统的充填采煤法由于劳动强度大,成本高,目前在我国已很少使用。然而由于充填采煤法的特殊作用,其仍然是不可缺少、不可忽视的采煤方法,尤其在目前绿色开采日益受到重视的条件下。只要能降低充填成本,减轻劳动强度,改善技术经济指标,充填采煤必然大有用武之地。

3 似膏体充填技术的提出及其优点

在金属矿山,自20世纪60年代初期尾砂水力充填以来,充填采矿方法得到了迅速发展。目前发展起来的水力胶结充填和膏体胶结充填技术,推动了矿山的技术进步和充填理论的发展。然而,上述水力胶结充填技术却存在充填体强度低、井下需脱水及井下环境污染等问题;而膏体胶结充填技术却因一次性投资大,工艺设备复杂,输送可靠性差等原因,使其在更广泛领域的应用及发展受到了限制。

在广泛调查国内外矿山充填现状、分析存在问题的基础上,结合当前充填发展方向,提出了“似膏体充填新技术”。所谓“似膏体”,就是看起来像膏体的意思。似膏体充填料浆所用的胶凝材料具有早期强度高,固结细粒级的能力强等优点。似膏体充填料浆骨料的选择从流变性能的要求出发,实现粗细粒级的合理搭配,并特别注重微细粒级的最佳掺量,因此充填料浆流动性好,脱水少。似膏体充填技术具有以下优点:

1)充填效果良好。该技术具有一般水力充填中料浆流动性能好,易于实现管道输送的特点。同时又具有膏体充填浓度高,井下不脱水或少量脱水,强度高,接顶效果好等特点。

2)充填成本进一步降低。用新研制的凝石(该材料于2003年11月在清华大学通过鉴定)作胶凝材料。凝石以工业固体废弃物(煤矸石、粉煤灰等)为基本原料,来源广泛,成本低廉。另外,凝石性能优越,可以降低胶凝材料的用量。因此充填成本可大幅度降低。

3)可利用尾砂、河砂、粉煤灰等作骨料,有利于环境保护。凝石的胶结机理不同于传统水泥。传统水泥胶结骨料的机理是包裹理论,即水化产物把骨料的每一个颗粒都包裹起来,因此,固结细粒级骨料的能力差,而凝石胶结骨料的机理是焊接理论,通过共价键把骨料焊接在一起,所以对细粒级骨料有较强的固结能力,如能固结各种粒级组成的全尾砂,甚至大量含泥的河砂。充填体强度比相同条件下的水泥胶结充填体高。

4 似膏体充填料浆的试验研究

利用煤矸石和粉煤灰作充填材料,对似膏体充填料浆的配制进行了实验。实验中煤矸石分为两部分使用,少部分经低温(约900℃)煅烧后磨细至比表面积约500m2Pkg,加入少量成岩剂并均化即制得凝石。凝石水化数小时即可生成钙矾石和C-S-H凝胶,从而保证充填体的早期强度,水化反应中期和后期生成多种C-S-H凝胶和铝硅酸盐类凝胶,所以充填体强度持续增长。大部分煤矸石破碎后作为粗骨料使用,为避免料浆在输送过程中出现堵管事故,破碎后的最大粒径不超过.95cm,具体粒级分布见表1。

粉煤灰在充填料浆中作为具有活性的细集料。粉煤灰的活性一般包括物理活性和化学活性。物理活性产生的效应包括减水效应、微集料效应和密实效应。减水效应是球形颗粒产生的,球形玻璃微珠的“滚珠”作用使掺粉煤灰体系的流动性提高,降低了需水量。微集料效应是粉煤灰颗粒(尤其是惰性的晶体颗粒)充当微小集料,使集料的匹配更加合理,空隙率降低,填充率提高。密实效应是微集料效应和火山灰效应共同作用的表现。火山灰效应使粉煤灰形成类似托勃莫来石次生晶相,填补水膜层和骨料的空隙,提高密实度。化学活性主要来源于熔融后被迅速冷却而形成的玻璃态的颗粒(多孔玻璃体和玻璃珠)中可溶性的SiO2,Al2O3等活性组分。试验所用粉煤灰取自山东某电厂,其45μm筛余为44%,化学成分见表2。

似膏体充填料浆塌落度的测量采用自制的小型塌落度筒,其上口直径36mm,下口直径64mm,高60mm。塌落度大于20mm为安全流范围,安全流意味着充填料浆像一定浓度条件下的水力充填料浆一样安全流动。

似膏体充填体强度的测定按照标准方法成型试件,试件规格为 70.7mm×70.7mm×70.7mm,试件成型后,在标准条件下养护8h后拆模,并在规定条件下养护至龄期。分别测定8h,1,3,7,28d单轴抗压强度。

似膏体充填料浆配合比的确定要遵循成本低、制备简单、流动性和强度满足要求等原则。根据这些原则并经过试验确定的料浆配合比:浓度80%,凝石含量5%,粉煤灰含量26%,煤矸石含量49%。这一配合比的似膏体充填料浆塌落度为26mm,在安全流范围内,能够实现管道安全输送。充填体固化后单轴抗压强度:8h大于0.15MPa,24h大于0.35MPa,3d大于0.7MPa,7d大于0.9MPa,28d强度达1.6MPa以上,能够满足充填采矿对强度的要求。这一配比的料浆体积质量为1.84t/m3,凝石消耗量为92kgPm3。目前金属矿山充填料浆的水泥消耗量一般为200kgPm3左右。所配制似膏体充填料浆的成本仅为金属矿山用水泥作胶凝材料的充填料浆成本的50%左右。用普通425#硅酸盐水泥作胶凝材料的充填体,在同样条件下的对比试验表明,其强度明显偏低,如8h强度和28d强度分别低于0.1MPa和0.8MPa,体现了凝石和传统水泥相比具有的优势特性。