矸石-粉煤灰废弃材料在采空区充填中的应用

刘恒祥 李小龙 李子煜 贾传洋

摘  要：煤矸石、粉煤灰为生活中常见的废弃物，为避免废弃物提升到地面集中堆放，减少对地面环境的影响，实现废弃材料合理利用的目标，通过优化充填材料配比与配合材料运输环节，完善充填系统与工艺，探索矸石-粉煤灰废弃材料充填新方法，最终实现“三下”压煤的充填置换开采，延长矿井服务年限，逐渐消灭矿井矸石山，达到绿色环保开采的总体目标。

关键词：矸石  粉煤灰  配合比  泵送  充填

中图分类号：TD265                           文献标识码：A                    文章编号：1674-098X（2020）11（c）-0018-03

Application of Gangue-fly Ash Waste Material in Goaf Filling

LIU Hengxiang1  LI Xiaolong2  LI Ziyu1  JIA Chuanyang1*

（1.College of Civil Engineering and Architecture， Linyi University， Linyi， Shandong Provnice， 276000 China;2.Shendong Ulan Mulun Coal Mine， Ordos， Inner Mongolia Autonomous Region， 017000 China）

Abstract： Coal gangue and fly ash are common wastes in daily life. In order to avoid the wastes being raised to the ground for centralized storage， reduce the impact on the ground environment， and achieve the goal of rational use of waste materials. By optimizing the proportion of filling materials and the transportation of matching materials， improving the filling system and technology， and explore new methods for filling gangue-fly ash waste materials. Finally， the ultimate realization of the three-underground mining filling and replacement mining， extend the service life of the mine， and the gradual elimination and cancellation of mine gangue hills to achieve the overall goal of green mining.

Key Words： Gangue; Fly ash; Mixing ratio; Pumping; Filling

我国是煤炭开采量和使用量大国，煤矸石是煤炭开采的主要废弃物[1-5]，煤矸石从井下运输到地面不仅造成矿井提升运力的紧张和浪费，煤矸石在地面堆积也影响地面矸石堆放区及其周围的生态环境，占用大量土地和污染土壤，如图1所示。同时，矿区三下（村庄下、水下、公路铁路下）压煤严重，影响采场接续，另外煤矸石大量的采出也造成采场空间的扩大，岩层移动和地表沉陷加剧，若能实施矸石充填采空区，用矸石置换煤，控制地表下沉，实现井下产生的矸石不上井，既是实现节能减排，创建资源节约型、环境友好性社会的需要，也是延长矿井开采寿命、有效利用资源、解决“三下”压煤开采难题及实现矿井持续发展的重要手段。

1  充填材料来源

1.1 煤矸石

煤矸石就地取材，煤矿开采过程中掘进率高，煤矸石排出量大，矸石的主要来源为半煤岩施工回采巷道及部分准备巷道。煤矸石以中细块为主，有少量大块。根据充填材料泵送要求，矸石粒度须小于30mm，煤矸石经碎石机破碎后，经筛板使粗细颗粒满足泵送条件，未达到要求的进行二次破碎。粒径配合比例为：细骨料（<10mm）占总骨料级配的70%，且细粉状（<0.1mm）比例大于20%，10～30mm占总骨料级配的30%。

1.2 粉煤灰

煤礦周边配有发电厂，粉煤灰来源充足，对于泵送充填材料，粉煤灰具有重要作用。粉煤灰的主要化学成分为SiO2、Al2O3及CaO，可替代部分水泥用量，降低充填成本，掺入粉煤灰使得不同粒径级配的煤矸石密实、滑润以及充填料更易胶结。不同电厂粉煤灰的质量差别较大，应选粒度细的粉煤灰，Ⅱ级以上的粉煤灰制成的矸石充填料质量较好，易泵送且胶结强度高。粉煤灰技术指标如表1所示。

2  材料配比试验

2.1 配比设计要求

为了满足配合材料远距离输送要求，采用矿用矸石充填泵进行管道输送，为了达到充填材料泵送目的，充填材料需满足稳定性、可塑性、流动性及长距离可泵性，使矸石-粉煤灰配合材料顺利流过输送管道，矸石充填料不离析、不阻塞[6]。

2.2 配合比选择

根据充填用途不同，充填料可用矸石、水泥、粉煤灰、外加劑进行配比。结合相应工程施工经验，在不加减水剂的情况下，为满足矸石充填料泵送要求，水：粉煤灰配合比例须达到1：1以上。通过配合比试验研究，确定矸石-粉煤灰配合材料质量配合比，即水：粉煤灰：煤矸石=1：1：10或水∶粉煤灰∶煤矸石=1：1：9。

由于采空区充填距离较长，可增加充填材料坍落度，配合比设计应增加水及粉煤灰用量，同时减少煤矸石用量。同时若提高充填材料强度并早强，可适当添加水泥和早强剂，水泥添加量应结合配合材料强度要求进行调整。另外为了增加充填材料的流动性，可适当添加泵送剂。

3  工程实施

3.1 充填工艺

泵送充填工艺涵盖了矸石选取、破碎、运输，粉煤灰添加、配合料搅拌及泵送等工序，具体流程如图2所示。矸石由矿车运至翻笼处，经翻笼到达小矸石仓，矸石通过溜子输送，经过除铁器进入碎石机，按照矸石粒径级配设计满足要求后进入大矸石仓，大矸石仓下部设运矸皮带，矸石由运矸皮带运至搅拌机和充填泵处，矸石和粉煤灰加水经搅拌机搅拌后进入充填泵，充填泵通过管路将充填物运送至待充填工作面。

根据充填方案的回采工艺，工作面为对拉工作面布置，劳动组织为三八制作业，每小班组织一个正规循环，每循环进尺1.0m，回采工作面每天进尺3.0m，单面长120m，采高按0.9m，每单面产生的采空区空间为：3.0×120×0.9=324m3，根据矸石产出量及采空区面积，采取一工作面回采生产另一工作面进行采空区充填的方式，另外根据添加粉煤灰的比例为10：1，充填所需矸石量为300m3，另外矸石仓有240m3的缓冲能力，保证了充填的连续性，实现了产冲平衡。

3.2 设备选型

泵送充填主要设备包括煤矸石充填泵、煤矸石碎石机、煤矸石搅拌机、粉煤灰输送机等，具体参数如表2～表5所示。

4  结语

采用泵送矸石-粉煤灰混合材料充填技术充填采空区完成后，覆岩破坏与地表移动变形得到有效控制，保护了地面村庄与铁路等建筑物。同时充填技术工艺简单，易操作，劳动强度低，机械化程度高，避免了矸石上井的提升运输环节，减少煤矿安全隐患，降低了运输费用、设备购置费用，矸石充填技术的发展将为解放我国煤矿村庄等建筑物下压煤，实施以矸换煤工程，提高了煤炭回收率，是一种具有广阔应用前景的绿色开采技术，具有十分重要的经济、社会和环保意义。

参考文献

[1] 和正华.回采过程中矸石充填工艺的应用[J]. 能源技术与管理，2019，44（4）：105-107.

[2] 魏永启，周芳.井下煤矸分离及矸石充填技术研究[J].煤矿现代化，2020（5）： 27-29.

[3] 孙春宝，董红娟，张金山，等.矸石资源化利用途径及进展[J].矿产综合利用，2016（6）：1-7，12.

[4] 包志远.矸石充填开采技术在煤矿应用与技术研究[J].山东煤炭科技，2016（12）：35-36，38.

[5] 孙广京，王平，冯涛，等.深井矸石充填综采工作面覆岩活动规律研究[J].采矿与安全工程学报，2020，37（3）：562-570.

[6] 杨洪增.巷旁充填留巷矸石胶结材料配比试验研究[J].煤炭与化工，2020，43（4）：37-40.