胶结填充采空区技术的工程应用

邓绍云,宁东卫

(1.新疆应用职业技术学院,奎屯 833200;2.云南农业大学,昆明 650201)

胶结填充采空区技术的工程应用

邓绍云1,宁东卫2

(1.新疆应用职业技术学院,奎屯 833200;2.云南农业大学,昆明 650201)

针对目前的主要能源生产行业煤炭开采业的采空区的填充技术进行了分析,指出胶结填充采空区技术的先进性和工程实用性;并对煤炭开采采空区的填充必要性和重要性进行了阐述;对胶结填充采空区的概念进行了阐述;对胶结填充采空区技术的工程应用的现状进行了分析与评述;最后指出了目前胶结填充采空区技术的不足并指出了其发展方向。

胶结填充材料; 工程应用; 研究

基础建设是国民经济建设的基础也是关键,是民生之本,固民之根。党的十七大之后,党和国家政府将民生列为当政之首,当政者关键工作之一。随着我国经济的腾飞、社会的发展、国力的强盛,中央和各地政府逐步加大基础建设的步伐,能源工程是基础建设中的一个非常重要的方面。

在目前能源紧张甚至枯竭,新的能源没有得到充分开发与利用的今天,世界的能源主要依靠石油和煤及其产物。当今,对于石油开采技术不是很先进的我国,煤是最为主要的能源,在我国的能源应用方面占据主要阵地,在能源市场的比重超过50%,煤炭工业在我国能源开发利用中占据绝对引领地位。

但煤炭资源开采和应用过程中,因种种原因将附带产生很多环境问题[1],其主要表现在:1)煤炭开采过程中所造成的地表塌陷,破坏地面的整体性;2)煤炭的选摙和燃烧所产生的矸石和煤渣的堆积对土壤和植被的破坏;3)煤炭开采过程中应用到一些化学物质将对水资源造成破坏和污染;4)煤炭的燃烧不完全所释放的废气、毒气和粉尘将对空气产生污染。其中以第一条问题较为直观,产生的后果极为直接显现,应引起高度重视,并予以整治。

1 填充的必要性与重要性

煤炭的大面积开采已经使得我国许多矿区地面坍陷灾害严重,部分甚至已造成地下水位严重下降,严重影响当地居民的生活和工作。同时,随着煤矿开采范围的扩大,越来越多的土地受到破坏,地面塌陷不但给当地居民的生活、工作带来麻烦,破坏整体性地面,严重者,造成房屋倒塌,公路、桥梁断跨,破坏交通枢纽和生产设备,甚至危及到当地群众的生命财产安全,同时对生态环境造成严重影响。如何处理采空区塌陷问题,合理安全高效地回采建筑物下、交通枢纽线路下、水体下开采煤炭,将是目前我国亟待解决和处理好的一大问题,以便利于社会的和谐发展。

煤矸石因煤炭开采而生产,其量之大,可以用堆积如山来形容。目前在我国堆积如山的煤矸石吨位数之大,占地面积之广,让人惊骇[2]。煤矸石堆放在地面之上,经雨水雾气的淋洗等,产生一系列的物理化学反应,一些有害物质极易被释放进入土壤和水体中,且一些有害气体被释放出并进入大气,对所在区域的生态环境系统造成严重的污染,危及人们的正常生活、生产及发展。所以,我们在考虑煤矸石的资源化、煤矸石的堆积污染问题的同时,想到将煤矸石作为主要填充物,对煤炭地下采空区进行填充。

所以,将煤矸石和粉煤灰等废料作为充填材料,采用胶结充填是适合于我国煤炭资源消费状况以及开采现状的最佳选择,极为必要和重要。

2 胶结填充采矿区的概念

胶结填充是将采集来的或加工成的尾砂、煤矸石等材料掺入适量的胶凝材料如水泥、石膏等,加水混合搅拌制备成胶结填充料浆体物质,沿钻孔、输送管、挖槽、钻洞等向采空区输送及堆放,接着使浆体物质在采空区中脱去多余的水形成具有一定强度和整体性的充填体;或将准备好的煤矸石、沙石等按照一定的配合比掺入适量的胶凝材料和细颗粒胶粘物质,加水混合形成低等级类混凝土物质,或将事先配制好的水泥砂浆或净浆,与砂石、块石及其他块料等分别送入煤矿井下,将这些材料先充入采空区,然后用压力灌注、水淋、喷洒稀的胶粘物质等方式,将砂浆或净浆包裹在这些填充块料等表面,逐步胶结形成具有一定形状特性和强度特性的填充体[3,4]。

胶结填充是填充开采技术中效果较为良好的一种技术,该技术的三个关键方面在于:1)填充材料配合比的设计;2)填充设备和工艺的选择和应用;3)填充体控制岩层移动变形理论的完善。其中,第一点又是重中之重,关键所在。配合比恰当的填充材料是填充采空区施工选料成功的基础,胶结填充材料在目前我国煤矿开采中得到广泛应用,且应用效果较佳。

胶结填充技术能否得到成功应用,其填充材料的性能和质量等特性起关键作用,决定着填充效果,甚至整个工程的进展与成败。如果填充材料物理化学及力学性能较好、胶结凝固能力大、初凝时间不长,终凝时间不短,强度大,具有一定的塑性和力学协调性,则对于上部覆盖体的支撑能力强,控制其上地面沉陷效果明显;若其配合比、和易性等特性不好、不合适,则输送也困难,输送到位后也难以达到预想的工程效果。

故,填充材料的优化配制生产和应用,适中的配合比选用应该与填充工程实际相关联,人们必须对影响填充材料性能的诸多有关因素进行细致地分析和探究,并因地制宜将其应用到工程实践中去。

3 工程应用现状

一边填充,同时采矿是在采矿工程过程中,在工作全面推进的同时,不断向采空区输送填充材料,来及时控制围岩的移动变形和地面变形或坍塌。在填充体的作用下,可以达到提高采矿作业的安全性,同时对防止地面塌陷具有较好的控制作用。

矿物填充开采技术的发展已有一定的历史,其种类繁杂,有较为科学的分类,是根据填充材料和输送方式的不同来分类,可以分为:1)干式填充;2)砂石填充;3)胶结填充。其中干式填充较为简单明了,即将具有一定力学性能的固体物质等干式材料用一定的方法输送到指定的待填区域,形成可压缩的松散填充体。这种填充方式较为早期,历史悠久,但效率较低,生产能力小,而劳动强度非常大的特性因满足不了日益扩大的采矿生产需要渐被淘汰。砂石填充是采用泵送货自重流方式将一些块料干式填充材料等与矿井中的一些废水拌合成浆体,输送到矿井下填充到指定的挖空区域。砂石填充的效果较好,材料来源广泛,减沉效果也较好,但其涉及到排水问题,排水工艺较复杂、麻烦,费用较高,填充量较小,填充体的强度不如人意,从而逐步被后来的胶结填充技术给取代。胶结填充与砂石填充的区别就在于胶结填充过程中加入了胶结材料如水泥、石膏、石灰等等,这些胶结材料与水发生反应产生出具有胶结能力的产物将零散的砂石、块料等胶结合成一个整体,从而达到一定强度、一定形态的填充体。

目前,随着科学技术的发展,工艺的创新,材料科学的日益发展,新材料、新工艺的产生,胶结填充技术和材料得到了很好的开发和应用,并不断更新应用于工程实践,填充材料得到了扩充,其性能得到提高、胶结机理得到探索明确、强度影响因素得到了制约、管道输送能力有了提高,工程施工效率得到了提升,工程效果得到了改善,工程业绩得到了增大,新型填充材料得到了开发与利用,种类繁多起来,胶结材料的类型得到了拓展,配合品种和辅助材料及外加剂花样繁多,使胶结填充材料市场空前繁荣。

归纳胶结填充材料根据其特性大致分为:1)干式材料有混凝土或类混凝土材料、块料如块石、碎料如碎石等;2)低含水材料有膏体材料、似膏体材料;3)高含水量材料如稀料等等。干式材料必须加入流塑态胶凝物质,而含水材料本身就必须含有一定量和一定功效的胶凝材料物质。

混凝土和类混凝土材料作为填充材料具有取材方便、制作简单、劳动强度小、成本低并可以充分利用煤矸石作为混凝土配制的骨料,但这些优势无法填补其终凝时间较长、强度增长的时间较长、初期强度低的缺点。在胶结填充中可以将煤矸石为粗骨料、粉煤灰作为细集料、硅酸盐水泥作为胶结材料。

块料和碎料结合胶凝材料的胶结填充技术是在混凝土材料填充技术的基础上发展起来的,其主要是将采矿所得废弃石块和碎石等有一定力学性能和强度的干料和水泥砂浆或水泥净浆混合而成,但因水泥砂浆终凝时间较长,从而需加入早强剂,以提高早期强度,也因此其应用得到限制。

膏体填充材料属高浓度胶结填充材料,其质量浓度高达百分七十五以上,要求具有一定的塑性,同时具有一定的流动性,且流动性不是很大。如今我国工程实际中所用的胶体材料多由胶结料、煤矸石和粉煤灰等材料按一定的比例配制而成,较为粘稠呈膏状。其塑性大、粘度高和屈服应力大,流动性差,将其输送到矿下采空指定欲填充区域较困难,须采取特殊的设备加压输送,成本较高,代价大。其特性是:该材料的胶体中的固体颗粒难以发生沉淀,层间不发生交互流动,不易发生泌水现象,水分散发难,时间长,但所需的凝固时间较短,能在较短时间内,对填充区域围岩和上方顶板产生作用,降低采空区闭合的可能性。

似胶体填充材料的配制中的胶结材料是使用砂土固结材料或将冶金渣 、粉煤灰、煤矸石等各种工业废弃物磨细后再“凝聚”而成的“石头”,该材料骨料一般选用煤矸石、粉煤灰和尾矿砂,其主要的特点是填充体强度接近膏体填充体强度,塑性减弱,但流动性增大,较膏体填充材料更好,容易输送到指定的填充区域,但不脱水或少量脱水,终凝时间较长。

高水材料是最近开发利用的一种新型填充材料,它是以铝酸钙或硫酸铝钙等为母料,以石灰、石膏和外加剂等为籽料,经磨细、均化等工艺而混合制成的固体粉料。比较其他填充材料来说,其具有很多优势:1)浆材颗粒细,渗透性能好;2)主、配料单独加水搅拌而成的浆液在一天的时间里不凝结,但混合起来,凝结时间大大缩短,在几分钟到几个小时不等,因配合比不同而在不同的时间里凝结,故可以根据需要而调配;3)这种材料终凝后不再析水,强度高,抗渗性能非常好,有微膨胀的特性,破坏后能再凝结胶结再生。

随着科技的发展,工程实际的扩充,填充材料将不断开发与应用,新的填充技术也将不断涌现,但无论哪种技术,一般要求填充材料具有如下特性:材料充足、取材方便;性能好、强度高;安全可靠、便于施工;价格低廉、成本较小。

4 问题与展望

1)传统胶结填充材料中所用的胶凝材料较为单一,多为普通硅酸盐水泥,而水泥花费较高,从而大大提高材料生产成本,致使工程造价较高。为降低工程成本要求人们必须寻找较为低廉同时胶结能力不是很差的可替代胶结材料,如粉煤灰、高炉灰渣等工业废物能广泛应用到填充工程中,则一方面可以降低工程成本,另一方面可以节能减排,改善生态环境。

2)填充材料的配合比设计时,缺乏考虑后期填充体对采空区的作用机理,而导致片面基于增大填充材料的后期强度,使成本大大剧增,不太经济合理。该现象理应得到改善,应该做到填充材料的强度与其作用机理相适应,适中即可,经济合理。

3)粉煤灰、高炉矿渣等活性材料没有得到充分的利用,其在填充材料中的作用机理、成分适中比例的探究、活性的激发等有待深入研究。

4)填充材料的流动性和流变性能的研究不够深入细致,填充浆体的输送施工工艺的研究没有得到充分认识和实践,从而使得其最终凝结固化效果得到严重影响。

5)实验室研究和工程现场试验严重脱节,两者之间应该建立其相关研究成果的分析,从而使实验室研究成果能较好地应用到工程实践中去,以正确指导实际生产。

[1] 汪 平.论述我国煤炭开采技术现状及展望[J].低碳世界,2014(1):118-119.

[2] 柴天兴.煤炭开采过程中的安全管理问题及策略[J],能源与节能,2014(10):13-14.

[3] 杨井志.充填技术在采矿工程中的应用[J],黑龙江科技信息,2014(2):6-7.

[4] 荆延林.充填采矿技术应用发展及存在的问题[J].科技与企业,2014(1):209-210.

Application of Cement Filling Gob Technology Engineering

DENG Shao-yun1,NING Dong-wei2
(1.Xinjiang Application and Career Technical College,Kuitun 833200,China;
2.Yunnan Agricultural University,Kunming 650201,China)

This paper analyzed the filling technology which is a major energy producing industry coal mining industry gob,and pointed out the advanced technology and engineering practicality of cemented fill gob.The need and importance of fill goaf for coal mining was described.The concept of cemented fill goaf was expounded.And this paper analyzed and reviewed that cementing with the status quo filled gob technology engineering applications.Finally the shortcomings of current technology cemented fill and gob the development direction were pointed out.

cement filler material; engineering applications;research

2014-08-23.

自治区教改科研项目(ZJ12-018);新疆高职精品课程项目;新疆应用职业技术学院精品课程项目.

邓绍云(1971-),博士,博士后,副教授,高级工程师.E-mail:nhrisydeng@126.com

10.3963/j.issn.1674-6066.2014.05.038