煤矿膏体充填开采技术的应用研究

杨厚坤

[摘 要]膏体充填开采主要是指在采出煤层与顶板冒落之前，将煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、炉渣、劣质土、城市固体垃圾等固体废物加工成无须脱水、无临界流速的牙膏状浆体，再利用泵压或重力的作用通过管道将其输送至回采工作面，再适时充填空区，构筑相间的充填条带，以达到支撑上覆岩层、减少或防止地面沉陷的目的。由此可见，由固体废物制成的回填膏体是一种低成本的特殊“混凝土”，其具有环保、安全高效、材料选择广泛、可经过管道运输等优势，故是煤矿绿色开采技术体系的重要组成部分。文章主要结合某煤矿的实际情况，分析膏体充填开采技术的应用。

[关键词]煤矿开采；膏体充填；绿色开采

[DOI]10.13939/j.cnki.zgsc.2016.36.066

20世纪60年代抚顺胜利煤矿采用水砂充填技术开采出了保护煤柱，虽然获得了较好的开采效果，但是成本高、工艺复杂，限制了该技术的普及。直至20世纪80年代，膏体充填技术由于其有效解决了水砂充填过程中存在的泌水问题，须建立隔排水系统等问题，该材料是牙膏状浆体，不仅不会发生泌水现象，而且可以在流速较低的情况下正常泵送，大大提高了充填效率，故其在煤矿生产中的应用越来越广泛。

1 膏体充填材料的特点

与其他充填开采方式相比，膏体充填开采的最大不同在于其充填材料，其料浆是非牛顿流体，流变模型近似于宾汉姆体，流动状态为结构柱塞流，最大的特性在于稳定性、可塑性及流动性强，且无临界流速。

首先，膏体充填材料的强稳定性使其抵抗分层、离析的能力较强，应用过程中即使在密闭的管道中静止数小时，也不会发生沉淀、分层、离析等现象，应用管道输送不易发生堵塞。膏体充填料浆的质量浓度高75%～82%，一些料浆在添加骨料后质量浓度可达到88%，而传统的低浓度充填料浆其质量浓度不超过65%。正是膏体浓度大，其屈服切应力及塑性黏度比较强，必须通过外力克服料浆自身的屈服应用才能流动。其在管道中的流动状态为结构柱塞流，在整个管道中进行整体平推运动，同一横截面上浆本流动速度为常数，浓度、流速基本不会发生改变，因此稳定性更高。

其次，膏体充填开采的料浆具有较强的可塑性，可保证料浆在管道输送过程中具有较强的抵抗变形能力，每个断面上的颗粒结构均可抵抗错位变形，虽然在通过管道的弯管、接头等部位是形状有所改变，但是其基本结构、成分等均未发生变化。膏体充填料浆不沉淀、不离析、不脱水，即使质量浓度较高也不会影响其可输送性。膏体料浆中包括细粒级物料，比如粉煤灰，使用这些物料作为骨料，可保证骨料粒径在35mm以下，大大降低了破碎充填骨料的材料加工成本。充填前无须进行复杂的隔离，也不用建设过滤排水设施，不仅不会影响采煤工作面的结构，而且充填水也不会对井下环境造成污染。而传统的水砂充填需要进行专门的过滤排水，并且排水过程中料浆中的固体颗粒可能会被带出，井下排水、清理沉淀等工作量也有所增加。

再次，膏体充填开采料浆具有较强的流动性，且无临界流速，可以保证料浆在重力或泵压的作用下顺利流动，充填整个工作面，且低速状态下不会影响料浆的基本结构。即使料浆的流速每秒低于1m，也可保证其在管道中低速输出，料浆流动与管道壁摩擦导致的磨损可降至最低。

最后，膏体充填料浆初凝时间短，而且可以根据煤矿的实际情况对料浆的配方进行调整，材料的初凝时间、初凝强度及终凝强度也会发生改变，可以保证料浆在更短的时间内对围岩产生支撑力，最大限度上延缓围岩变形，保证下阶段工作可及时进行。

正是由于膏体充填材料具有上述特点，故其在煤矿开采中的应用越来越广泛，其可有效解决压煤问题，对地面建筑物、上覆岩层中的水体可起到显著的保护作用，且与水砂充填、低浓度胶结充填等方式相比，膏体充填开采的效果更好。且膏体充填体充填采空区与围岩相互作用，采空区周围的集中应力大幅降低，可有效降低工作面及巷道的维护成本，防止采空区出现漏风，大大提高了膏体充填的服务年限，提高了企业的经济效益。

2 某煤矿膏体充填开采技术应用实例

某煤矿总面积为53.285km2，井田内村庄密集，地面上铁路、河流交错，大量煤炭资源被压覆在地下，仅2#煤层村庄下压煤就达3000万t。本研究以该煤矿10203工作面为充填试验工作面。该工作面地表被黄土覆盖，正上方地面平坦，建有大面积的蔬菜大棚及在建建筑物。地面标高804-880m，工作面标高640-680；煤层厚度2.2m，地质条件较为复杂，煤层倾角3°，预计本工作面最大涌水量在每小时10m3，正常涌水量为每小时5m3。

2.1 充填方案设计

该煤矿膏体充填工作面与普通综合工作面布置基本相似，工作面沿倾斜方向上方为材料巷，可起到通风、运料、行人的作用；运输巷则布置在工作面沿倾向下方，运输巷实现沿空留巷，以作为下工作面材料巷使用。充填管路通过地面钻孔或井筒下井后沿运输巷布置，工作采用充填专用液压支架进行防护，两巷用单体液体支柱进行防护。充填前要用清水充分润湿输浆管，直至清水到达充填工作面为止；安排专业技术人员巡视充填管路，排除跑漏液现象，保持管路畅通。地面制浆站开始下放充填膏体。完成割煤后从工作面按照自下而上的顺序撤回支柱，撤换完毕后在充填巷道两端砌筑厚度约0.6m的挡浆墙，墙四周掏槽深度至少在0.3m以上，如果煤壁松软，则要注意加大掏槽深度；挡墙位于下出口的位置则要良好密闭，以免发生漏水、跑浆。墙外支设一排单体液压支柱，注意支柱与挡浆墙之间必须保持0.2m的间隙，中间再用木板加实，以免发生墙体倾倒或跑浆漏浆的现象；充填上出口砌筑挡浆墙时，要注意预埋注浆管及出气管。最后再对管路进行彻底检查，包括管路、阀门等，以保证不漏浆；充填前后要对管路、阀门等进行清管，工作面上、下两巷均设置沉淀池。

2.2 选择充填管路

井下充填管路选型要遵循技术可行、经济合理、安全可靠的原则，其关键技术包括以下几个方面。

（1）干路充填管：该煤矿干路充填管选择KMTBCr28双金属耐磨钢管，其具有较好的耐磨、耐腐蚀、耐冲击性能。在确定浆体流速及管道内径时要注意，煤矿的充填能力要求大于金属矿山，故该煤矿设计充填系统充填能力Qj=150m3/h，且由膏体充填料浆流动性能实验可知，该煤矿骨料选择河砂及粉煤灰，故料浆水力坡降较小，约为同等条件下金属矿山高浓度充填料浆的一半左右，故充填系统设计流速为每秒1.8m。

（2）充填管路附件选择：在选择充填管路附件时首要考虑其耐压性，干线管路法兰、旁通管法兰选用公称压力10MPa的钢制法兰或钢制法兰盖，才能保证整个充填系统运行的可靠性。除法兰外充填管路的附件还包括柔性连接器、三通、闸阀等管路附件，要求干线管路上的附件承压能力至少在10MPa以上，而工作面管路附件的承压能力则至少在2MPa以上。选择充填管路附件时要注意，充填弯管会增加料浆输送时的局部压力，且在管路内径相同的条件下，弯管弯曲半径越小，局部阻力就越大，而膏体的质量浓度较高，如果弯曲半径过小可能会导致堵塞，因此在保证井下条件适合、弯管加工工艺可靠的前提下，尽量取弯曲半径最大值。

（3）工作面管路布置：在本研究煤矿中，干线管总长600m，充填管长2m，8根钢管之间设置一个法兰三通进行连接，方便在堵管时可及时处理；工作面充填管总长100m，为管径DN180的柔性管。从工作面充填管间隔一定距离分支出来布料管，主要作用是向充填点判断料浆，布料管选择特塑造钢复合管DN150，每根管长1.5m，间隔10m布置一根。

2.3 工作面参数及回采充填工艺

根据本案例煤矿煤层的赋存情况及开采技术条件，确定工作面长度100m，煤层厚度2.2m，煤层倾角2°～11°；割煤回采率为95%，割煤高度2.2m，截深0.8m，有效进尺每vn0.7m，日进尺3m。工作面主要生产工序包括两个部分，即采煤、充填，完成一组工序即完成一个循环。回采工艺流程包括收护帮板及伸缩梁、割煤、伸开伸缩梁及护帮板、推移输送机，收护帮板及伸缩梁、割煤、最后伸开后伸缩梁。充填主要工序包括充填准备、检查准备、管道充水、灰浆推水、矸石浆推灰浆、正常充填、清洗管道。工作面二次充填时尽量多充填料浆，使得料浆充满充填袋后自动溢流到前一次未充填区域，以保证工作充填区域的接顶效果。本煤矿中工作面有6个模箱支架无法充填，会形成6条盲巷。工作推进近6m时再通过二次充填将上述6条盲巷充填完成，先将布料管导入模箱支架后壁的充填孔，将充填布料管与支架箱体牢靠固定，充填程序与正常充填相同。

2.4 充填工作面支架与地面沉降预测

该煤矿充填工作面共布置69架液压支架，刮板机机头处各配置端头支架组一组，由机头处每布置10台中部基本架就布置一台特殊架，机尾处最后一台设置特殊架。这种工作面支架设置方法是利用中部基本架后部伸缩模板及特殊架后部伸缩模箱把采区分为6个相对独立的区域进行充填。根据煤层赋存地质条件、矿压显现等情况选择中部液压支架，主要技术参数包括支护工作阻力、支护强度、支架结构高度等，再与充填工作面的生产条件及工艺要求相结合。本研究中的煤矿充填工作面中部支架主要参数设置如下：工作阻力7200kN，支架高度1.6～2.6m，中心距1.5m，支护强度在0.5MPa。

在确定预计参数时主要参考《“三下”采煤规程》及附近矿区的监测资料进行设计，再与采高的膏体充填开采地表移动预计原理确定充填开采的参灵敏，具体如下：下沉系数取0.8，水平移动系数取0.3，开采影响传播角为90°-0.5α；主要影响角正切取2.0，下山方向20m，上山方向20m，走向方向20m。采用概率积分法模型计算地表沉陷情况，将上述预计参数代入计算充实率程序进行分析，要求充填开采后地表大部分建筑的采动损坏均不超过I级影响范围，充填作业最小充实率为85%，按照这一方案充填开采，预计部分建筑可能会达到I级采动损伤，再根据《建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程》对充填后的地面建筑物进行简单维护，以提高地面建筑物使用的安全性。

3 堵管优化措施

膏体充填开采技术最常见的问题就是堵管，因此充填过程中要注意从以下几个方面进行优化，防止堵管发生率。

3.1 提高膏体配料质量

要保证充填过程中不发生料浆堵管，最基本的要求即膏体配比符合工程标准，在了解料浆构成原理的基础上保证料浆合理的流动性及可泵性。料浆的构成主要是由各组成物流决定的，由实验数据可知，料浆的配料中至少要包含15%以上的小于20μm的粒级含量，这是保证料浆流动性的必要条件。一方面，膏体充填料浆的骨料以矸石为主，矸石的粒级合理才能保证料浆的可泵性及强度性能，因此在矸石的破碎加工过程中，要求矸石粒度必须低于25mm，这一点与金属矿山的粒度要求有很大不同。在煤矿中矸石粒度极限大可以降低加工矸石的成本，且加工过程中振筛处理矸石时不易发生黏结、堵塞；矸石粒度极限越大，工作面隔离就越容易，隔离墙的准备时间也可大大缩短，提高了充填效率。由大量实验可知，料浆的骨料矸石粒度在25mm以内不仅不会影响其输送性能，而且料浆也不会发生分层、泌水的现象，可更好地满足充填工艺要求。另一方面，料浆中所包含的粒度5mm以下的颗料至少占到30%的比例，最高不超过50%，保持在40%最适宜。如果料浆采用泵压进行长距离输送，则要求其分层度小于2.0cm，在这种技术条件下即使料浆在管道中有发生静置，也不会影响后续的输送。因此膏体充填料的配比要具有较好的流动稳定性，充填强度要与安全生产要求相符，并具有较强的可泵性及流动性。

3.2 充填材料及料浆的制备

料浆的制备是降低堵管发生率的重要因素。一方面，要对充填物料的配比进行严格控制，搅拌液位、流量保持平稳。煤矿膏体充填材料包括骨料、胶凝剂及各种化学添加剂，其中胶结料掺量按照一般混凝土的概念属于“极贫”混凝土，因此用量极少，可以按照设计浓度参考材料的配比制备符合要求的充填料浆；以达到控制回采工作面地表沉陷的预期目标。另一方面，要保证料浆制备原材料供应的持续性，特别是在自动化程度较高的泵送系统中，要制备高质量的料浆，就必须有稳定的物料供应。实际生产中，砂浆含水量不同，过渡砂仓料位不同，渗入物料也不同，故物料给料可能存在一定的不稳定性，并且管道自流输送过程中可能会掺入杂物而发生问题。因此料浆的输送要选择更高品质的双螺旋输送机，在输送前先对原料进行活化搅拌制浆，再投入砂浆搅拌筒。这种方法可有效避免下灰口糊死的问题。搅拌机选择更高品质的双螺旋搅拌机，其包括双搅拌轴、搅拌叶片，主要驱动装置为2个液压马达。搅拌站的设计要遵循简单、便于控制的原则，可采用批次配料的方法，在静态条件下称取各种物料，选择先进的、稳定性强的高精度称重传感器，以提高配料的精确性。

3.3 定量给料搅拌制备膏体

管道中进入不合格的膏体是导致堵管的主要原因，煤矿的膏体制备均为连续作业，可以采用周期式混凝土搅拌机进行强制搅拌，以保证膏体充填材料的质量，按照周期循环作业进行加料、搅拌、出料等各个工序，更好地控制物料，控制比及膏体搅拌质量。在定量搅拌制备膏体过程中，首先要进行称量及投入物料，采用仓下称料斗称量矸石，将称好的矸石放入胶带输送机输送至充填楼矸石缓冲斗，经过给料机向称量斗中添加粉煤灰、胶结料等；经过水泵将水直接打到搅拌桶，各种物料投放完成后将各称量斗及矸石缓冲斗闸门。在物料搅拌及放浆时，每次搅拌时间设置50s，达到规定时间后即放浆，并泵送下井，放完料浆再将浆门关闭。在整个充填流程中，仅有间断搅拌才能进行调节控制，因此可以采用连续搅拌混合间断搅拌的方法进行，不仅可以采用分批供料，而且搅拌工艺还可通过人工控制来实现。在进行定量给料搅拌过程中，环境因素会对其产生直接影响，搅拌过程中一些干粉物会在输送加工、搅拌过程中产生扬尘，比如砂石、水泥、飞灰等，影响料浆质量及稳定性，因此要通过除尘装置将环境因素的影响降至最低，并及时排除污水。

4 结 论

总之，煤矿开采会带来诸多的环境问题，其中煤矿开采沉陷区即为重要表现之一，因此煤矿开采沉陷区的回填处理是保护生态环境、维持生态平衡的重要途径。充填开采技术是绿色开采技术的重要组成部分，也是解决建筑物下大量压煤开采的重要途径。其中膏体充填技术与钱鸣高院士提出的绿色开采理论相符，可有效防止采空区的塌陷，提高开采安全，能够有效控制开采过程中顶板的稳定性，防止溃砂溃水和顶板事故，防止矿井重特大事故的发生。并能延长矿井服务年限，不仅可提高煤矿企业的经济效益，还具有良好的社会效益。

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