煤矿采空区膏体充填相关技术研究

段圆圆 李绪萍 刘艳青 徐荣斌

（内蒙古科技大学矿业研究院）

目前，我国遗留有大量各类矿山采空区。对于历史相对久远、无序开采时期遗留的大量未知采空区来说，其构成了矿区的重大安全隐患。随着时间的推延，这些采空区或塌陷、或火灾、或发生突水事故等，不仅影响后续正常的开采，而且矿山工作人员的生命安全备受威胁，同时还会污染土地资源和周边环境。采空区大量存在的同时，有色、冶金矿山的开采与冶炼还伴随着大量固体废弃物排出，这些固废的地表堆存严重污染外部环境。

要解决上述问题，科学地、统筹地进行充填，不仅可以充分利用矿山固体废弃物，减少土地资源占用和环境污染，还可以达到安全回采、控制地压避免塌陷的作用。

1 采空区膏体充填技术与充填机理［1-21］

1.1 采空区膏体充填技术

煤矿充填开采，顾名思义就是在开采结束后，人为地将一种或数种材料加工成混合体，并把它们输送到需要的地方，这样来保证安全开采，达到生态保护的作用。充填开采技术将开采沉陷与固体废物利用高效结合起来，实现了开采的安全与科学发展，保证了安全。

采空区的膏体充填技术是一种新型充填技术，在整个填充阶段，采用废弃的煤矸石、粉煤灰、矿渣或炉渣等，通过一定手段制作成用于充填的膏状。在填充时，主要利用膏体自身的重力进入采空区，在进行实际操作施工时，要注意把控好采空区宽度，使其在可控范围内，膏体填充状态也需要进行实时观测，确保稳定性，使得工作人员的自身安全得到保证。

众多实践表明，膏体充填技术对于采空区的处理效果好，可对排放出的多种固体废弃物进行循环利用，使得矿产资源得到有效综合利用，使地表沉陷得到有效抑制，实现绿色安全开采。

1.2 充填作用机理

一直以来，国内外众多学者、研究员从未停止对充填体与围岩的作用机理研究。研究表明，相比围岩，充填体具有密度较低、孔隙率较大的特点，能实现应力吸收和转移作用及应力隔离作用、共同支撑作用。此外，由于采场采矿方法、围岩的力学性质、选用充填材料的力学性能等不同，使得充填体对采场顶板、底板岩层及周围矿柱的作用机理存在明显差异，因此，在进行充填时需具体情况具体分析。

2 采空区的充填材料、配比及输送性能

在传统充填技术中，充填材料为人工砂石，成本高，最终的充填效果也达不到预期。随着工业发展，工业废弃物也随之增多，不仅占用土地资源，还污染环境。利用固体废弃物代替人工砂石，不仅降低了成本，还可以保护环境，因此充填材料的选择原则：生产要安全、成本要低廉、来源要多元、不能破坏环境。从保护环境、节约资源、经济有效的角度出发，就地就近取材，固体废弃物为首选。

2.1 充填材料

2.1.1 胶凝材料

胶凝材料也称胶结料，在特定的物理化学作用下，可实现固液转化，即将粉末、散粒、块状材料作用成整块或是直接使得浆液状态直接凝结成为可用的固状体。依据化学成分的差异，胶凝材料又分为两大类：有机胶凝材料，如沥青、橡胶等；无机胶凝材料，如水泥、石膏、石灰等。

2.1.2 充填骨料

充填骨料主要是指煤矸石、废弃石块等，需要满足一定条件，其化学成分也要进行检测，确保其中不含有有毒有害物质，在配置与施工过程中性质稳定不突变，也需要测定沉降速度与饱和浓度。

2.1.3 外加剂

外加剂是搅拌混凝土过程中的加入物，主要包括缓凝剂、早强剂等，外加剂可以一定程度上改善混凝土的抗碳化性，也会很大程度上对其抗冻性产生影响。还可以对充填料浆的性能进行加强，使得料浆不容易泌水或发生分离，更加方便运输，并使得充填体的物理力学性质得到大的提升。

2.2 配比

制备充填料浆要以强度的相关要求为基础，选择适合量的充填材料，通过优化配比试验，确定水灰比和灰砂比，依此来对充填料浆最终凝结后的强度做出判断，也可以为最后的设计方案提供相关数据支持。根据测试的相关要求，做成边长为7 cm的立方体试件块，分别进行7 d、14 d和28 d的自然养护，养护后通过抗压试验机进行单轴抗压强度测试等。与此同时，还要对充填浆料的流动性、浆料的浓度等指标进行测定，可通过扩散度试验和坍落度试验得到充填料浆流动性的数据，操作方便，应用广泛。

2.3 充填料浆的输送性

在管道输送过程中，流动性极好的浆料不易堵塞或膨胀，可实现低压流动。填充体的稳定性是确保其正常运行的先决条件。如果将填充浆料通过管道输送到采空区，则管道中的浆料不会离析，采空区不会有大量的水，即充填料浆具有优异的稳定性。一般从泌水率、坍落度和可泵时间3个指标来判定充填料浆的输送性能。

2.3.1 泌水率

管道输送中浆料输送性能的主要指标之一是渗漏率。当浆液渗出率高时，在运输过程中容易离析和沉降，导致运输缓慢甚至堵塞，于运输不利。而且，高渗水率会影响填充体的性能，不利于填充体顶部充实，降低填充率，不能有效控制覆岩的运动和变形。为了确保填充浆料中的聚集物在管道运输过程中不沉降，通常情况下充填料浆静置泌水率应不超过5%。

2.3.2 坍落度

坍落度是充填材料流动性能的表征，与流动性成正比。当浆料的坍落度很低时，浆料的流动性差并且在运输过程中将经受很大的摩擦阻力，这就需要更高的泵送压力。当坍落度过高时，摩擦阻力小，但容易发生严重的泌水与离析，影响充填作业。通常情况下，坍落度为10 cm时泵送效果较好，高浓度胶结充填所需的料浆坍落度为20～25 cm流动性最优。

2.3.3 可泵时间

充填料浆可泵时间需控制在一定范围内。若时间太长，将很难在指定的时间内使其稳定，若时间太短，则会在管道中固化，进而难以运输。因此，在制备浆料时，必须严格分析影响可泵时间的种种因素。通过相关人员的大量研究，得出充填料浆的可泵时间一般以2～4 h为佳。

3 结 论

煤矿采空区的膏体充填法是安全绿色的开采方法，可以提高资源的开采率，消除地表塌陷隐患，提高开采效率，从而显著提高煤矿企业的经济效益和社会效益，有很强的推广使用价值。