综合机械化矸石膏体充填技术的研究

摘 要：建设煤矿绿色开采生态矿山是煤炭工业今后的发展方向，而生态矿山的建设最关键的技术就是综合机械化充填采煤技术。文章主要对煤矿膏体充填技术进行了研究，它不仅是防止煤矿开采引发各类环境破坏的重要技术措施，也是目前解决煤矿“三下”压煤最为有效的方法。该技术不仅可以治理煤矸石、粉煤灰等造成的环境污染，还能实现废物利用，在提高经济效益的同时，保护了生态环境。膏体充填技术的核心是充填材料的性能，它的好坏直接决定着充填质量的优劣、充填成本的高低以及充填开采控制地表沉陷的效果。文章介绍了综合机械化矸石膏体充填技术的定义、充填材料的制备、膏体充填材料的输送系统以及充填液压支架和充填工艺等，并根据目前膏体充填所存在的问题，提出了研究方向。

关键词：综合机械化；膏体充填；充填材料；液压支架；充填工艺

世界上大部分的采煤国家都存在着大量的“三下”压煤问题，德国、法国、波兰等国家的煤矿都曾采用过充填法采煤，在缓解对环境污染的同时获得了良好的经济效益与社会效果。矿山充填技术的发展是为了满足采矿工业的发展，充填采矿法至今已有数百年的时间了，在这漫长的时间里，先后经历了废弃物干式充填阶段、水砂充填阶段、细砂胶结充填阶段和膏体充填、块石砂浆胶结充填、全尾矿胶结充填、超高水充填等为代表的现代充填采矿阶段，在慢慢改善环境保障充填效果的同时也取得了显著的经济和社会效益。文章从膏体充填材料制备、充填材料的输送系统、充填液压支架和充填工艺四个方面来对综合机械化矸石膏体充填技术进行研究。

1 综合机械化矸石膏体充填技术

矸石膏体充填的过程是一个先将矸石破碎加工，然后把矸石、粉煤灰、专用胶结料和水等四种物料按比例混合搅拌制成膏体浆液，再通过充填泵把膏体浆液输送到井下充填工作面，充填由液压充填支架和辅助隔离措施形成的封闭采空区空间的过程，整个充填工艺的流程可以分为矸石破碎、配比搅拌、管道泵送、充填体构筑等四个最基本的环节。

2 膏体充填材料制备

2.1 充填材料配比

（1）流动性能：新搅拌充填料浆的坍落度不小于180～220mm。

（2）可泵送时间：不小于4h，即从加水混合以后，静置4h，仍然能够正常泵送，这时候充填料浆无明显分层，坍落度还保持在150～180mm以上。

（3）静置泌水率：小于3%～5%。

（4）单轴抗压强度：在实验室标准条件下，8～10h不小于0.1～0.2MPa，在28d内不应小于1.0～1.5MPa。

（5）煤矸石最大粒径应小于25mm，其中小于5mm部分占35～45%。

2.2 矸石破碎

根据到煤矿现场的实地考察，破碎煤矸石粒径级配考虑了两种规格，小于5mm的煤矸石和5～25mm的煤矸石，经过对两种规格的煤矸石进行反复的实验对比，得出以下结论：

（1）煤矸石最大粒度应该小于25mm。

（2）在所有矸石中，小于5mm的颗粒所占比例应在38%左右，这样膏体充填材料的流动性能最好，不管是早期和后期强度都相对较高，最少不能低于30%，最高不应大于50%。

（3）用反击式破碎机将矸石破碎到15mm左右以满足充填，所需要的破碎机在出料口。宽度为40mm时破碎能力需要达到170t/h。

图1 反击式破碎机破碎能力与出料口宽度关系

2.3 配比搅拌

2.3.1 配比精度要求

根据材料配比实验，要使材料流动性能稳定，充填料浆的质量浓度变化幅度要求必须严格控制在0.5%范围内。

2.3.2 配比搅拌工艺

煤矸石、粉煤灰、胶结料和水在使用前储存方式是：破碎加工好的矸石存放在矸石配料仓，粉煤灰、胶结料分别存放在各自的圆筒仓内，水存在蓄水池内。

3 膏体充填材料输送系统

搅拌机搅拌好的料浆先放入浆体缓冲斗，靠浆体自重给充填泵供料，经充填泵加压后的充填料浆通过管道，由充填钻孔下井，再沿巷道管道输送到充填工作面，在充填工作面采用胶管阀布料、控制采空区充填顺序。为了避免管道堵塞，还需要在地面设立沉淀池、水沟，充填管每隔一段距离设置三通，防止充填管道和钻孔发生堵塞。（见图2）

3.1 流速选择

膏体充填材料在管道输送中的一个重要特点是无临界流速，可以在很低的流速条件下长距离输送，浆体的速度过高，料浆流动需要克服的水力坡降大，管道磨损速度也快，增大能量消耗，流速过小则充填能力不能满足生产需要或需要增加充填管道内径。

3.2 干线充填管道内径和工作压力

3.2.1 管道内径的确定

煤矿对充填能力的要求要远远高于金属矿山的要求，管道内径的选择跟系统充填能力和系统设计流速有关，根据下面公式可计算出充填管道允许的最小内径：

；

其中Qj是充填系统能力，vj为流速。

3.2.2 充填系统最大工作压力

充填系统压力与充填料浆的流动性能、充填系统管路长度成正比关系。根据煤矿实际需要充填开采的工作面情况，折算出最远时的水平距离L0，并考虑充填系统启动的压力P1，充填系统的最大工作压力如下所示：

P0=P1+L0·i-△H·v

4 膏体充填支架

煤矿充填开采中，“全采全充”综采的顺序是“采煤-充填-凝固/检修”。因此，研制膏体充填液压支架必须满足以下基本要求：（1）工作面采煤作业空间以及待充填空间顶板支护；（2）在充填液压支架前移的同时，确保还能够继续保持对未凝固化新充填体有支护作用；（3）在充填过程中，液压支架要起到隔离充填区的作用，确保采煤与充填在平行作业的时候对彼此影响小。根据上述要求，研制了采充一体化液压支架，如图3和图4所示。endprint

如图3、图4所示，膏体充填液压支架为四柱支撑式，其顶梁设有前伸缩梁、后伸缩尾梁和护帮板，采取了特殊的四连杆掩护板结构设计，将隔离板与四连杆机构有机的结合起来，同时配合辅助放漏措施，这样的设计实现了采煤与充填作业空间顶板一体支护且能起到隔离墙的作用。

5 膏体材料充填技术工艺

膏体材料充填是一个将煤矸石、胶结料、粉煤灰和水等按照一定比例混合、搅拌，用充填泵输送到井下充填采空区的过程，其具体的充填工艺流程如图5所示。

图5 膏体材料充填工艺

（1）将矸石破碎后，加入新型膏体胶结料作固化剂，制成膏体材料，通过泵压管道输送到采空区。

（2）矸石膏体配比浓度应大于80%，这样流动性强，泵送时间应为2.5小时左右。

（3）膏体材料的初凝时间为4小时；其充实率约为90%。

6 研究展望

膏体充填开采是解决“三下”压煤问题，控制地表沦陷，提高采出率的有效技术途径，也是使固体废弃物资源化、无害化的有效手段，是绿色开采技术的重要组成部分。由于煤矿膏体充填技术在我国发展尚未完全成熟，有许多问题需要研究解决。

（1）由于煤矿膏体充填技术是以煤矸石等大量固体废弃物为充填原料，形成的充填体是否对地下水环境造成影响及影响有多大，这个方面需要进行深入研究。（2）充填管道磨损严重，我们必须对充填系统进行研究，进行优化，从而降低管道磨损程度，延长其工作年限。（3）必须进一步研究膏体充填材料的力学特性，从而保证充填体的长期稳定性。

参考文献

[1]孙凯年.我国充填采矿法综述[A].第2届冶金矿山采矿技术进展报告会论文集[C].北京：中国金属学会，1991.

[2]王爵鹤，佘固吾.充填采矿技术飞速发展的十年[J].长沙矿山研究院季刊，1991，11（1）：8～14.

[3]周爱民.我国矿山充填技术的最新进展[A].有色金属学会首届青年年会论文集[C].北京：中国有色金属学会，1994，12.

[4]高士田.我国矿山胶结充填技术现状及改进方向[J].有色矿山，1996（4）：1～4.

[5]刘同友，周成浦.我国充填采矿技术新进展（1990～1994年年评报告）[J].金川科技，1995（5）：1～5.

[6]Tajima Y. [The repaired filling： gold inlay to amalgam].. [J].Hiroshima Daigaku Shigaku Zasshi，1982，14（1）.

[7]Jimenez Porras R. [Class V cavity preparation and filling with"Goldent"cohesive gold]..[J].Revista odontológica de Costa Rica，1973（9）.

[8]何哲祥，谢开维，张长青.活化搅拌技术及其在矿山充填中的应用[J].黄金，2000，21（9）：18～20.

[9]叶奥文.铜坑锡矿磨砂胶结充填质量评估[J].矿业研究与开发，1996，16（4）：5～8.

作者简介：尚磊，学校：中国矿业大学（北京），专业：控制理论与控制工程，班级：2012级硕2班。endprint

如图3、图4所示，膏体充填液压支架为四柱支撑式，其顶梁设有前伸缩梁、后伸缩尾梁和护帮板，采取了特殊的四连杆掩护板结构设计，将隔离板与四连杆机构有机的结合起来，同时配合辅助放漏措施，这样的设计实现了采煤与充填作业空间顶板一体支护且能起到隔离墙的作用。

5 膏体材料充填技术工艺

膏体材料充填是一个将煤矸石、胶结料、粉煤灰和水等按照一定比例混合、搅拌，用充填泵输送到井下充填采空区的过程，其具体的充填工艺流程如图5所示。

图5 膏体材料充填工艺

（1）将矸石破碎后，加入新型膏体胶结料作固化剂，制成膏体材料，通过泵压管道输送到采空区。

（2）矸石膏体配比浓度应大于80%，这样流动性强，泵送时间应为2.5小时左右。

（3）膏体材料的初凝时间为4小时；其充实率约为90%。

6 研究展望

膏体充填开采是解决“三下”压煤问题，控制地表沦陷，提高采出率的有效技术途径，也是使固体废弃物资源化、无害化的有效手段，是绿色开采技术的重要组成部分。由于煤矿膏体充填技术在我国发展尚未完全成熟，有许多问题需要研究解决。

（1）由于煤矿膏体充填技术是以煤矸石等大量固体废弃物为充填原料，形成的充填体是否对地下水环境造成影响及影响有多大，这个方面需要进行深入研究。（2）充填管道磨损严重，我们必须对充填系统进行研究，进行优化，从而降低管道磨损程度，延长其工作年限。（3）必须进一步研究膏体充填材料的力学特性，从而保证充填体的长期稳定性。

参考文献

[1]孙凯年.我国充填采矿法综述[A].第2届冶金矿山采矿技术进展报告会论文集[C].北京：中国金属学会，1991.

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[5]刘同友，周成浦.我国充填采矿技术新进展（1990～1994年年评报告）[J].金川科技，1995（5）：1～5.

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[9]叶奥文.铜坑锡矿磨砂胶结充填质量评估[J].矿业研究与开发，1996，16（4）：5～8.

作者简介：尚磊，学校：中国矿业大学（北京），专业：控制理论与控制工程，班级：2012级硕2班。endprint

如图3、图4所示，膏体充填液压支架为四柱支撑式，其顶梁设有前伸缩梁、后伸缩尾梁和护帮板，采取了特殊的四连杆掩护板结构设计，将隔离板与四连杆机构有机的结合起来，同时配合辅助放漏措施，这样的设计实现了采煤与充填作业空间顶板一体支护且能起到隔离墙的作用。

5 膏体材料充填技术工艺

膏体材料充填是一个将煤矸石、胶结料、粉煤灰和水等按照一定比例混合、搅拌，用充填泵输送到井下充填采空区的过程，其具体的充填工艺流程如图5所示。

图5 膏体材料充填工艺

（1）将矸石破碎后，加入新型膏体胶结料作固化剂，制成膏体材料，通过泵压管道输送到采空区。

（2）矸石膏体配比浓度应大于80%，这样流动性强，泵送时间应为2.5小时左右。

（3）膏体材料的初凝时间为4小时；其充实率约为90%。

6 研究展望

膏体充填开采是解决“三下”压煤问题，控制地表沦陷，提高采出率的有效技术途径，也是使固体废弃物资源化、无害化的有效手段，是绿色开采技术的重要组成部分。由于煤矿膏体充填技术在我国发展尚未完全成熟，有许多问题需要研究解决。

（1）由于煤矿膏体充填技术是以煤矸石等大量固体废弃物为充填原料，形成的充填体是否对地下水环境造成影响及影响有多大，这个方面需要进行深入研究。（2）充填管道磨损严重，我们必须对充填系统进行研究，进行优化，从而降低管道磨损程度，延长其工作年限。（3）必须进一步研究膏体充填材料的力学特性，从而保证充填体的长期稳定性。

参考文献

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[8]何哲祥，谢开维，张长青.活化搅拌技术及其在矿山充填中的应用[J].黄金，2000，21（9）：18～20.

[9]叶奥文.铜坑锡矿磨砂胶结充填质量评估[J].矿业研究与开发，1996，16（4）：5～8.

作者简介：尚磊，学校：中国矿业大学（北京），专业：控制理论与控制工程，班级：2012级硕2班。endprint