高水速凝材料在宁东矿区充填开采中的应用*

邹承君，关英林，康亚明

（1. 北方民族大学化学与化学工程学院，宁夏 银川 750021；2. 北方民族大学机电工程学院，宁夏 银川 750021）

1 引言

我国是一个富煤、贫油和少气的国家，煤炭资源占资源总量的70%左右[1］，虽然国家在大力发展光伏等绿色能源，但在将来很长一段时间，煤炭资源的消耗依然会保持在高位。我国煤炭产量逐年增多， 环境与经济问题随着煤炭开采愈加突出，如废水、废气、噪音、粉尘，还会出现诸多采空区。采空区的形态不稳定，不仅会出现结构失稳和强度降低等问题，还会出现地下水渗透、地表塌陷、建筑物沉降等问题。为了提高采空区的结构强度，通常会使用一定数量的煤柱支撑采空区。如此，便造成大量煤炭资源的浪费。宁东矿区地处西北半干旱地区，环境问题尤为突出，因此，我们要走符合我国国情的节约资源，保护环境的可持续发展之路[2］。

西北地区拥有悠久的采矿历史，矿山的采掘深度逐年加深，尤其是从20世纪80年代开始，环境与经济问题越来越突出。长此以往，不仅不利于西北地区经济的可持续发展，还会严重破坏当地的生态环境，例如水土流失、土地沙漠化等。因此，解决矿区的环境和经济问题，具有深远的历史意义和重要的现实意义[3-4］。

2 煤矿开采引起的环境及经济问题

2.1 废气以及粉尘的影响

煤炭废气指的是在煤矿开采过程中产生的大量甲烷和二氧化碳等温室气体的混合气体。这些气体会通过矿井通风、煤和煤研石地面堆存逸散等方式排入大气，造成温室效应[5］。根据国际气候变化委员会（IPCC）调查显示，煤矿排放的甲烷约占全球排放总量的8%～10%。但人们往往忽视了煤炭废气对于温室效应的影响。因此，我们应该重视全球范围内煤炭废气对环境所造成的危害，提高人们对煤炭废气的警惕性。

2.2 固体废弃物的影响

固体废弃物主要是指煤矸石。煤矿在开采过程中，顶底板的碎石与煤层中的夹矸会一同被采出，经过洗选分离后就是煤矸石。煤矸石在露天堆积时易风化成粉尘以及细小颗粒，在风的影响下进入周围的空气以及土壤中，造成空气污染以及土壤恶化、危害人体健康、阻碍植物健康生长、腐蚀周边建筑物等。

2.3 废弃水体的影响

矿区开采过程中，废弃水体对环境的影响主要分为两部分，一是对地下水位的影响，二是对地下水水质及地表的影响[6］。

（1）对地下水位的影响。地下水按照含水层埋藏深度可以分为浅层、中层和深层地下水，其中中层地下水是生活用水和工业用水的主要来源之一。随着采矿深度的增加，会出现越来越多的采空区，采空区的出现会导致矿区上层中垂向裂缝增多、增大，造成矿区上方的地下水和松散岩层地层中的水快速地向下渗透，进而减少浅、中层地下水的含量，影响周边居民的生活及安全。

（2）对地下水水质及地表的影响。疏排地下水是矿区的一项基本工作，矿井里的地下水并不都是无害的。当把含有有毒物质的地下水排到地表上时，会污染地表土壤以及浅层地下水。此外，矿井里的地下水在排放过程中，可能会改变地下水原有的物理化学性质，导致原本无害的地下水中含有有毒物质，进而对地表产生影响。

2.4 对经济效益的影响

在采空区，由于缺少支撑，矿井顶部应力过大，容易出现地表塌陷等问题，使得周边建筑物发生沉降、危害环境、加剧土地沙漠化。为了减少矿区顶部压力，一般会在采空区留下一定数量的煤柱来支撑采空区，使得我国煤炭资源开发利用率减少。

3 充填技术在煤矿中的应用

3.1 国内外充填开采技术的发展现状

20世纪初，国外就已采用充填技术对矿区进行开采，先后用水砂、废石、胶结料浆等作为充填介质进行试验，到了20世纪80～90年代出现了高质量分数料浆胶结充填技术和充填工艺[7］。国内充填开采技术起步较晚，在20世纪中叶才开始对矿山开采充填等工艺进行试验。在“十一五”期间，我国的充填开采技术取得较大突破[8］。

3.2 充填开采技术的分类

充填开采技术按照充填材料的不同可以分为水砂充填、矸石充填、膏体充填和高水充填。水砂充填是利用水力将砂子、碎石或炉渣等充填材料输送到采空区进行充填的充填技术。矸石充填是采用煤矸石或固体废料加粉煤灰、黄土等材料作为充填材料的一种充填技术[9］。膏体充填的充填材料则采用煤矸石[10］，同时加入混合粉煤灰等固体废弃物并添加胶结料[11］。高水充填是将高水速凝材料作为充填材料充填到采空区的一种充填开采方法[7］。除此之外，充填开采技术还可以根据充填量、充填动力、充填位置进行分类，如图1所示。

图1 充填开采方法分类

3.3 充填开采技术的设施

充填开采的设施分为输送设备和液压支架。输送设备主要包括防砸缓冲装置、物料输送配给站、转载机及带式输送机等。对于膏体或高水充填，输送设备还包括离心泵站、搅拌站（制浆系统）及输送管路等。其中，液压支架选型除了满足煤层的赋存条件、开采方式和支护要求外，还要满足采空区的充填工作。因此，液压支架关系到充填开采的成败与充填效果[7］。为展现充填开采技术的不同，对矸石充填、膏体充填、高水充填三种充填方式进行对比，如表1所示。

表1 矸石、膏体、高水充填技术对比表

3.4 充填开采技术的制约因素

矿区采用充填开采的方式可以保护地表环境，并在对环境造成最小影响的前提下获取煤炭资源，对于地表沉陷和环境破坏有十分有效的约束作用，但充填开采并不适用于所有矿区。主要有以下三点原因：一是充填开采投资大、建设周期长，充填开采技术应用需要一定的资金投入和建设周期，制约了充填技术的推广和发展。二是充填开采使原煤生产成本加大，除开采矿石的成本之外，还需要增加充填成本，对于煤质差的矿井来说，充填开采使得原本就少的利润更少。三是充填开采技术推广宣传不够深入。

3.5 充填开采技术的发展前景

充填开采技术能够较好地实现无煤柱护巷，减少煤炭资源的损失，拥有更好的发展趋势和经济前景。我国自20世纪中叶首次采用充填开采方法以后，充填开采技术就一直倍受煤矿企业与科研部门的重视和关注。

4 高水速凝材料的特点及应用

高水速凝材料是英国于20世纪80年代初期开发成功的一种新型胶凝材料。1985年，孙恒虎教授对高水材料开展研究，于1989年研究出中国第一代高水材料。当高水材料正式投入生产使用后，广泛应用于煤矿开采区的回填、巷道支护、喷锚支护，有效解决了我国采矿业长期存在的煤矿沿空留巷支护和金属矿胶结充填采矿等若干问题。高水材料在我国煤矿开采区中的应用是采矿工艺的重大技术变革，具有巨大的经济效益和社会效益[12］。

4.1 高水速凝材料的制备及凝结特性

高水速凝材料是由甲、乙两种料浆按一定比例调配而成。其中，甲料以特种水泥熟料为基料，与悬浮剂和复合超缓凝剂加水搅拌制成，乙料由石灰、石膏、悬浮剂和复合速凝剂等加水搅拌制成。高水速凝材料具有良好的流动性能，甲、乙两种料浆输送或单独放置可达24h以上不凝固，非常适合机械化泵送。同时，高水材料具有高含水特性，相比传统混凝土，高含水性是较突出的特性。高水材料凝结时间有速凝和可调的特点，可通过配以不同的添加剂来调节凝固成结石体的时间。此外，高水速凝材料具有较高的早期强度。

4.2 高水速凝材料的内部结构特点

材料内部的矿物成分及结构是影响材料力学性质的主要因素。由于高水材料是通过不同原料配制后发生化学反应而形成，其内部成分及结构与原材料相比可能会发生变化。高水材料内部结构主要以针状或柱状的钙矾石为主，伴有纤维状的水化硅酸凝胶，随着凝结时间延长，还会产生六方片状的低硫型水化硫铝酸钙、绒球状或片层状的铝胶和立方状的水石榴石。

4.3 高水速凝材料的应力-应变曲线特点

单轴压缩是材料强度测试的基本方法，该方法具有速度快、数据准确、变形特征明显等优点。通过单轴压缩实验对高水速凝材料进行强度测试，材料在单轴轴向荷载的作用下，其轴向变形程度会随荷载的增加而增加；与轴向垂直的横向变形也会随之增大。当轴向荷载增加到试件承受荷载极限时，试件发生破坏。在此过程中，通过数据采集，可得到轴向荷载、轴向变形和横向变形三组数据，对这三组数据计算处理后可以得到应力-应变关系曲线，如图2所示。

图2 高水速凝材料单轴压缩应力-应变关系曲线

4.4 高水速凝材料的应用

由于高水速凝材料具有良好的流动性、可泵性，且强度增长快、早期强度高，适用于矿山工程的充填和支护工作，因此高水速凝材料能较好地取代普通混凝土在矿山开采上的作用。目前，高水速凝材料已用于采空区的回填、巷道支护等工程；同时，在煤炭、黄金、有色金属系统中也得到推广应用，并在石油工程、软土地基加固、堵水防漏、地质灾害防治等工程方向也有广泛的应用前景。

5 高水速凝材料在宁东矿区的应用建议

5.1 宁东矿区现状

宁东矿区地处毛乌苏沙漠，是宁夏的一号工程。由于宁夏地理气候条件较为特殊，宁东矿区的生态环境破坏严重，土地出现沙漠化。主要原因有两点：一是矿区开采过程中地表会沉陷，导致地表形态发生变化，加剧水土流失，引起土地沙漠化；二是矿区开采过程中“三废”排放，影响区域生态平衡，导致区域生态功能和生态环境质量下降。因此，矿区开采不仅会产生环境问题，还会影响宁夏经济的可持续发展，加快绿色矿区建设势在必行。

5.2 高水材料在宁东矿区的应用

宁东矿区地处半荒漠化的干旱带，地表自然植被脆弱，实施充填开采不仅能提高煤炭资源的回采率，还能保护生态环境，践行“既要金山银山，也要绿水青山”的理念。将高水速凝材料用于宁东矿区充填开采，也是煤炭资源绿色转型的一种形式。

（1）高水速凝材料的制备因地制宜。宁东矿区分布有大量坑口电厂，产生了大量脱硫石膏固废，将脱硫石膏烘干粉碎后掺入到高水速凝材料中，可以实现固废的资源化利用。

（2）宁东矿区靠近半荒漠化地带，具有丰富的沙漠砂资源，将沙漠砂作为细骨料混入到高水速凝材料中，可以减少水泥等固结材料的使用量。

（3）宁东矿区分布有大量煤化工企业，煤化工企业生产过程中会产生大量非常类固废，若对其进行地下填充会对水资源造成污染，可以将部分没有危害性的粉尘类固废掺入到高水速凝材料中，实现固废的资源化利用。

6 结束语

煤炭是不可再生能源，在储量逐渐降低、生产利用成本加大、环境污染加剧的今天，采用煤炭绿色开采技术，对矿井绿色生产有重要意义。高水充填开采是煤矿绿色开采技术之一，利用高水材料置换永久损失煤柱，提高了矿产资源的回采率；对采空区进行充填开采时也能有效控制煤层顶板覆岩变形、减小地表变形量、减少地表沉降。总之，高水充填开采是煤矿可持续发展的必由之路，可以实现经济效益、环境效益和社会效益三赢，形成开采与环境协调发展的新局面。