新柏煤矿770水仓煤泥填充采空区技术应用

文/冯家良 支永东 李银仁 李建文

煤泥是一种灰分高、水分多、粒度细、黏度大、商品价值低的低热值尾矿，不利于工业应用，且井下人工清理提升运输至地面矸石山堆放处理会造成环境污染。因此，煤矿探索运用井下煤泥作为填充材料，为采空区治理探索新的途径，对填充技术的发展具有重大意义。

煤矿井下水仓依据《煤矿安全规程》要求，每年雨季前应清理淤积煤泥。华亭煤业集团新柏煤矿针对井下770水仓煤泥清理问题，变更作业方式，优化工艺设计，由人工装车清理转变为人工配合矿用混凝土泵远程输送填充采空区的方式进行清理，从源头上减少了煤泥排放与污染，有效防止了采空区塌陷以及煤层自燃现象，降低了清理成本，实现了资源综合利用。

一、实施背景

1.矿井概况

新柏煤矿地处安新煤田中部，地质类型中等，水文地质条件简单，正常涌水量为100m3/h，属于低瓦斯矿井，当前回采煤层为5煤，原煤灰分值为14.56%，黏结指数为零。5煤的自燃倾向性为Ⅱ类自燃煤层，若不采取严格的综合防灭火措施或一旦措施失效，有可能引起煤炭自然发火。

2.实施条件

采空区填充技术逐渐成为治理采空区塌陷与煤炭复采的主要方法之一。填充的影响因素之一是填充材料，不同的填充材料所要求的工艺、系统、方式不同。当前我国煤矿充填开采技术主要分为四大类，分别是煤矿矸石充填开采技术、煤矿膏体充填开采技术、煤矿超高水充填开采技术以及煤矿高浓度胶结充填开采技术。这些填充方法为采空区治理提供了可行的途径，积累了实践经验，但是仍有不足，主要问题是：填充工艺复杂，投资高，固体类材料增加井下运输量，填充与开采互相影响，填充后密实度不高等。这些不足不同程度影响着采空区填充技术的推广与应用。

经取样测定，华亭煤业集团新柏煤矿井下煤泥经巷道流通至770水仓过程中，产生了大量高灰次生煤泥，770水仓两仓煤泥量预计为1274m3，其沉淀性、流动性、含水率和脱水性指标在理论上基本符合填充材料的要求。从安全角度分析，煤泥作为填充材料能够阻燃或抑燃；从煤泥水处理工艺分析，通过合理添加工艺，配比适当水煤泥作为填充材料具有可行性。

二、方案设计

1.总体方案

新柏煤矿采空区填充方案主要利用井下770水平水仓煤泥经潜水排沙泵及矿用混凝土泵加压，利用高压管路输送水煤泥至封闭采空区。煤泥填充工艺系统包括煤泥制浆、管道输送和采空区充填三部分。煤泥制浆系统利用水仓优势位置，自然流向水仓的井下水与沉淀煤泥混合，搅拌为浓度为40%～50%的水煤泥；输送系统由潜水排沙泵经管路输送至矿用混凝土泵混合后加压，经管路输送至采空区；采空区填充利用泥浆良好的流动性，自然流淌直至充满采空区。

2.工艺流程

（1）流向770水仓的井下水与水仓沉淀煤泥经搅拌混合为浓度为40%～50%的水煤泥，人工将BQS60-36-15型潜水排沙泵放置于水仓煤泥清淤点。

（2）利用潜水排沙泵运转抽排稀释的煤泥，通过管路进入HBMG15/6-22S型矿用混凝土泵料斗。

（3）通过矿用混凝土泵将煤泥浆输送至专用接通的管路，排入3513采空区。

（4）当班注浆结束后，及时用清水冲洗注浆管路以防管路内煤泥浆积存淤结，为下次注浆做好准备。

影响填充量较大的因素是管路的安全完好程度。由于管道内压力较大，管道磨损严重会造成爆管情况，因此，现场作业需要保证安全。

3.设计参数

填充采空区与770水平高差为80m，注浆管线长度为470m，770水仓两仓煤泥预计为1274m3。在加压输送安全可靠的情况下，管线采用φ125mm混凝土泵变头2m，潜水排沙电泵φ89mm高压软管120m，φ108mm环氧树脂复合涂层钢管350m。混凝土泵出料口与φ125mm管路相连接，φ125mm管路变头与φ108mm管路连接，在水仓通道管路连接处安装一组φ108mm闸阀，用于煤泥输送过程中停止作业时控制煤泥浆回流。

4.配套设施

为使煤泥填充采空区安全可靠地运行且不影响开采，在施工中应当注意密闭溃水溃浆。根据实践经验，浇筑密闭使用的混凝土在将水泥、石子、沙子按配比拌料后使用振动棒进行充分混合，使浇筑密闭墙体更加密实。

5.煤泥处理工艺改进

770水仓水煤泥直接加压输送至3513采空区后，水煤泥存在泥水分离分层现象，因此，煤泥浆中需添加悬浮剂、胶凝剂等添加剂，加强煤泥填充的效果。添加悬浮剂的煤泥浆，具有较好的流动性，可以减少浆液在注浆管路中堵塞，便于注浆管路运输；添加胶凝剂后，煤泥浆快速胶凝的特性，可以使煤泥浆到达灌浆地点后，在较短时间内失去流动性而附着在采空区内部，增加保水性。综上分析，煤泥浆具有保水率高、热稳定性好、便于管道输送、能够快速胶凝的特点，材料来源于矿井内部，是一种性能良好的灌浆材料，能够用于井下防火作业，实现废物利用。

三、应用效果及效益分析

1.应用效果

770水仓煤泥中混合黏土、粉碎的页岩等固体悬浮物，与水混合、搅拌，配制成浓度为40%～50%的浆液，借助注浆管路注入采空区。煤泥填充采空区后，浆液充分覆盖在采空区内部，通过在密闭处进行监测，没有出现大量水析出现象，煤泥填充作业有效防止了采空区自燃，填充效果良好。煤泥再利用技术符合经济发展趋势，能够减少资源浪费，实现综合利用，化害为利，保护环境。

2.环境效益

如果井下煤泥从770水仓装车，经轨道运输至地面矸石山，大量堆积存放时，形态极不稳定，遇水流失，风干飞扬，不仅会浪费煤炭资源，而且会造成严重的环境污染。而煤泥填充采空区在节省人力物力的前提下，煤泥不用提升至矸石山堆存，减少地面煤泥污染以及附带的不良影响，实现废物利用。实际作业中，结合770水仓现场自流水环境，不需再往混凝土泵料斗中加水即可得到所需浓度的水煤泥；采空区填充后，达到了预防采空区自然发火的目的，减少了采空区塌陷对地表的影响。

3.经济效益

比照人工清运井下煤泥的烦琐流程（见表1），煤泥填充采空区的工艺大大节省了成本，经济效益显著。

表1 煤泥填充与人力清运对照表

人力方面：实际煤泥充填操作中，每班4人作业，每班作业时间内平均清理煤泥20m3，相较此前人工清理煤泥每班人工装车30车总计12m3，煤泥充填单班作业效率提高了67%，整体工期缩短了60%；单班工资支出减少了65%。

物料方面：煤泥填充采空区，短距高压管路的敷设及作业期间的维护，相较于人工清运煤泥附加有轨道运输的人力以及矿车供应、提升运输等相关设备保障，成本明显减少。同时，煤泥填充工艺设备安装简单，利用预先敷设的管路，提升了井下设施的利用率。

四、结论

新柏煤矿770水仓煤泥填充采空区工艺，有效缩短了工期，节省了成本支出，整体工艺从源头减少了煤泥对环境的污染，防止了采空区自燃，降低了采空区塌陷对地表的影响，实验性工程收效良好，为井下煤泥清理、填充采空区的实践积累了经验。环保收益大于预期，煤泥清理与采空区治理置于同一体系内，因地制宜，优劣互补。今后，在探究实践的基础上，针对水煤泥的保水率、流动性、胶凝性、填充效果等需要进一步优化完善。