【文章內(nèi)容簡介】 用。在 70 年代至 80 年代，上述充填幾乎被細(xì)砂膠結(jié)充填完全 取代。細(xì)砂膠結(jié)充填于 70 年代開始在凡口鉛鋅礦、招遠(yuǎn)金礦和焦家金礦等礦山獲得應(yīng)用。細(xì)砂膠結(jié)充填以尾礦、天然砂和棒磨砂等材料作為充填集料，膠結(jié)劑主要為水泥。集料與膠結(jié)劑通過攪拌制備成料漿后，以兩相流管輸方式輸入采場進(jìn)行充填。因細(xì)砂膠結(jié)充填兼有膠結(jié)強(qiáng)度和適于管道水力輸送的特點，因而于 80 年代得到廣泛推廣應(yīng)用。目前，以分級尾礦、天然砂和棒磨砂等材料作為集料的細(xì)砂膠結(jié)充填工藝與技術(shù)已日臻成熟，并已在二十多座礦山應(yīng)用細(xì)砂膠結(jié)充填技術(shù)。 第四階段： 20 世紀(jì) 80～ 90 年代，隨著采礦工業(yè)的發(fā)展，原充填工藝已不能滿足回采工藝的 要求和進(jìn)一步降低采礦成本或環(huán)境保護(hù)的需要，因而發(fā)展了高濃度充填技術(shù)、膏體充填、塊石砂漿膠結(jié)充填和全尾礦膠結(jié)充填等新技術(shù)。高濃度充填是指充填料到達(dá)采場后，雖有多余水分滲出，但其多余水分的滲透速度很低、濃度變化較慢的一種充填方式。制作高濃度的物料包括天然集料、破碎巖石料和選礦尾砂。對于天然砂和尾礦料6 的高濃度概念，一般是指重量濃度達(dá)到了 75%的充填料漿。所謂膏體充填則指充填料呈膏狀，在采場不脫水，其膠結(jié)充填體具有良好的強(qiáng)度特性。塊石砂漿膠結(jié)充填則指以塊石作為充填集料，以水泥漿或砂漿作為膠結(jié)介質(zhì)的一種在采場不脫水的 高質(zhì)量充填技術(shù)。全尾礦膠結(jié)充填則是指尾礦不分級，全部用作礦山充填料，這對于尾礦產(chǎn)率低和需要實現(xiàn)零排放目標(biāo)的礦山是十分有價值的。國外有澳大利亞的坎寧頓礦、加拿大的基德克里克礦、洛維考特礦、金巨人礦和奇莫太礦，德國的格隆德礦和奧地利的布萊堡礦，以及南非、美國和俄羅斯的一些地下礦山都在近年來應(yīng)用了這些新的充填工藝與技術(shù)。國內(nèi)則分別在凡口鉛鋅礦、濟(jì)南的張馬屯礦、湘西金礦等礦山投入應(yīng)用。 充填開采方法與技術(shù)的現(xiàn)狀 充填開采就是在井下或地面用矸石、砂、碎石等物料充填采空區(qū)，達(dá)到控制巖層運動及地表沉陷的目的。按充 填方式可分為水力充填、風(fēng)力充填、機(jī)械充填、矸石自溜充填等。按所采用充填材料和輸送方式的不同，將充填開采方法分為：用礦車、風(fēng)力或其它機(jī)械輸送干式充填料充填采空區(qū)的干式充填采礦法；用水力管道輸送選廠尾砂、山砂、河砂、爐渣、棒磨砂、碎石等充填料充填采空區(qū)的水力充填采礦法；用水泥及其代用品或其它膠凝材料與選廠尾砂等配制成具有膠結(jié)性質(zhì)的充填材料充填采空區(qū)的膠結(jié)充填采礦法。國外在重要建筑物下開采時，也曾采用混凝土充填。 目前礦山應(yīng)用的充填開采方法與技術(shù)主要如下： （ 1）膠結(jié)充填采礦法 膠結(jié)充填始于 20 世紀(jì) 50 年代的加拿 大，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，高濃度的膠結(jié)充填技術(shù)現(xiàn)在已經(jīng)被應(yīng)用于實踐。例如：似膏體充填、膏體充填等。膠結(jié)充填材料包括包括膠結(jié)劑、充填骨料和水。一般地講，膠結(jié)劑應(yīng)滿足以下兩個條件：第一，形成的膠結(jié)充填體達(dá)到控制巖層移動和地表變形所需的強(qiáng)度；第二，膠結(jié)劑和對應(yīng)的充填材料成本低廉。新型的材料主要有全砂材料與高水速凝材料。前者所固結(jié)的砂土中含泥量可達(dá) 50%甚至更高，而水泥一般在 20%左右；后者能將 9 倍于自身體積的水凝結(jié)成固體，具有速凝早強(qiáng)的特性。 （ 2）覆巖離層注漿充填法 覆巖離層注漿充填法是利用礦層開采后覆巖開裂過程中 形成的離層空間，借助高壓注漿泵，從地面通過鉆孔向離層空間注入充填材料，占據(jù)空間、減少采出空間向上的傳遞，支撐離層上位巖層、減緩巖層的進(jìn)一步彎曲下沉，從而達(dá)到減緩地表下沉的目的。 7 該充填法近年來才開發(fā)研究的。研究認(rèn)為采場離層帶的產(chǎn)生是有一定條件的，即在煤層上覆巖層中存在硬度明顯不同且具有一定厚度的巖層。且通過試驗表明，在工作面前后方 15～ 20 m處離層發(fā)展最為充分。我國自 20 世紀(jì) 80 年代后期先后在大屯徐莊煤礦、新汶華豐煤礦、兗州東灘煤礦等進(jìn)行了離層注漿試驗，不 同程度地減緩了地表沉陷，取得了一定的實踐經(jīng)驗和效果 ， 但對離層注漿的減沉效果尚存在爭論。 （ 3）冒落矸石空隙注漿膠結(jié)充填減沉法 該技術(shù)利用冒落帶巖石的碎脹性注入膠結(jié)材料對采空區(qū)矸石進(jìn)行固結(jié)，現(xiàn)在尚處于實驗階段。此充填法有以下特點：第一，漿液充填至采空區(qū)冒落矸石的空隙；第二，漿液凝固后有膠結(jié)性能及一定的強(qiáng)度；第三，充填漿液凝固后無水析出，克服了水砂充填排濾水的難題；第四，充填與采煤平行作業(yè)。 （ 4）煤矸石充填采煤法 在煤礦山，煤炭生產(chǎn)中伴隨產(chǎn)生的固體廢物矸石在 15～ 25%，我國歷年累計堆放的煤矸石約 45 億 t，而且堆積量每年還以 ～ 億 t 的速度增加。美國 年產(chǎn)矸石量也在 億 t，經(jīng)洗選產(chǎn)生的入選煤量的 30%做為矸石直接排放于矸石山。相關(guān)專家學(xué)者普遍認(rèn)為，煤礦排矸帶來的問題，可以通過煤矸石作為充填材料充填在井下得以解決。 合理的矸石充填技術(shù)能夠置換出更多的煤炭資源，從而提高煤炭資源的采出率。矸石充填技術(shù)在 19 世紀(jì) 50 年代的歐洲煤炭行業(yè)中應(yīng)用較為普遍。美國在長壁工作面以及近距離煤層開采中，也采用了矸石充填技術(shù)。同時認(rèn)為矸石充填技術(shù)一方面能控制地表的下沉而達(dá)到加強(qiáng)礦井通風(fēng)的管理、防止井下煤炭自燃的目的。風(fēng)流經(jīng)過井下通風(fēng)系統(tǒng)中的風(fēng)墻、風(fēng)橋等時會出現(xiàn)漏風(fēng)的狀況，這些 都是由于地表運動產(chǎn)生裂隙引起的，充填可以解決上述問題。 矸石充填的方法一般根據(jù)充填料充填采空區(qū)的方式來確定，包括人工充填、機(jī)械充填、風(fēng)力充填、水力充填。不同的充填系統(tǒng)的充填料一般由新掘進(jìn)矸石、矸石山矸石、砂子、采石場碎石等，并且一般加入膠結(jié)料或其它添加劑。 考慮到煤礦矸石成分中含有大量的摩擦系數(shù)小的礦物成分（粘土），矸石充填體沒有足夠的支撐力適用所有需保護(hù)地表的井下充填。因此，在矸石中添加適當(dāng)?shù)哪z結(jié)材料，可提高充填矸石的強(qiáng)度和剛度。但膠結(jié)材料與矸石混合后含有大量的影響充填體強(qiáng)度的物質(zhì)（粘土、煤、黃鐵礦）。相 關(guān)研究表明：粉煤與易膨脹的粘土暴露在充填體表面，有可能吸水膨脹導(dǎo)致充填體內(nèi)層暴露并被氧化；黃鐵礦暴露在充填體的表面，很容易在水和空氣的作用下被氧化，形成硫酸亞鐵及酸性水，硫酸亞鐵被進(jìn)一步氧化成硫酸鐵。隨8 著與堿土金屬物（粘土礦物）的混合，黃鐵礦被氧化后，大多數(shù)硫酸鹽離子逐漸成為自由狀態(tài)，形成硫酸鈣、硫酸鎂、硫酸鈉以及硫酸鉀等。硫酸鹽與硅酸鹽水泥中的成分發(fā)生反應(yīng)，形成新的不溶解混合物。這種混合物的形成過程中分子體積增大，引起膠結(jié)體體積膨脹甚至崩解。硫酸鎂、硫酸鈉以及硫酸鉀比硫酸鈣更易溶于水，所以對膠結(jié)充填體的影 響更大。 針對以上膠結(jié)矸石充填帶來的問題，研究認(rèn)為煤礦矸石并不是好的充填骨料，膠結(jié)充填體也不一定是煤礦好的充填體。未膠結(jié)的煤矸石充 填體將有足夠支撐強(qiáng)度控制上覆巖層，尤其是在殘留的煤柱被動支護(hù)中，且認(rèn)為研究未膠結(jié)煤矸石作為充填材料 是煤礦充填技術(shù)發(fā)展的方向。 由以上論述可知，國內(nèi)外對矸石井下充填進(jìn)行了一定的研究，但一般把矸石做為充填骨料，添加其它添加劑等進(jìn)行充填，且認(rèn)為矸石膠結(jié)充填不適合煤礦充填，矸石直接充填是煤礦充填技術(shù)發(fā)展方向。因此，研發(fā)適合煤礦山開采的矸石與粉煤灰直接充填技術(shù)是煤炭企業(yè)的急需的充填開采技術(shù) 。 國內(nèi)同類項目成功案例 （ 1）邢臺礦 工作面散料充填 案例 邢臺礦 7606 充填工作面對應(yīng)地面位置位于邢臺礦工業(yè)廣場西北部。礦區(qū)專用鐵路線和南三環(huán)公路 從工作面上方穿過。工作面正上方是礦機(jī)修廠電器車間，以南分別是礦住宿樓、機(jī)修車間、地面注漿站，距工作面水平距離最近點在 80～ 140 m之間 。 邢臺礦 7606 工作面采用 走向綜合機(jī)械化采煤工藝回收煤炭和架后矸石散料充填工藝開采 ，每年可回收煤炭資源約 36 萬 噸 ，處理井上矸石約 萬 噸 ，處理粉煤灰 萬 噸 ，不僅開創(chuàng)了綜采面充填采煤技術(shù)的新局面，填補(bǔ)了煤礦高效機(jī)械化 充填采煤技術(shù)的技術(shù)空白，而且為我國類似條件下的 “三下 ”壓煤合理回收開創(chuàng)了一條新的技術(shù)途徑。 （ 2） 小屯 礦 “三下 ”矸石膏體充填 案例 小屯 礦設(shè)計開采三下煤層位于南旺村下，該村隸屬峰峰礦區(qū)大社鎮(zhèn)，地處小屯礦井田西北角，離小屯礦工業(yè)廣場 4km左右，壓煤量 萬 噸 。據(jù)統(tǒng)計，南旺村占地 公頃（合 畝），村莊建筑面積約 90000m2，現(xiàn)有居民約 450 戶，居民 1700 余人。房屋 建筑多為平房磚木或磚混結(jié)構(gòu)， 如果采用普通方法回采會對村莊建筑物造成極大的破壞。 經(jīng)研究 ： 小屯礦采用綜合機(jī)械化采煤、架后注漿充填采 空區(qū)的方法回收煤炭，并研9 制專門的充填支架，工作面采煤區(qū)的支護(hù)、充填區(qū)的支護(hù)、充填料漿的隔離都由充填支架實現(xiàn)，為工作面年產(chǎn) 30 萬 噸 的能力提供了強(qiáng)有力的保障。膏體充填綜采技術(shù)為小屯礦大幅度提高煤炭資源采出率、延長礦井服務(wù)年限、保護(hù)地表村莊等建筑物提供了一種先進(jìn)可靠的技術(shù)方法。 （ 3） 孫村礦 似膏體充填案例 孫村煤礦開采深度已達(dá) 1300m，是國內(nèi)開采最深的礦井。該礦地質(zhì)條件差，煤層復(fù)雜，煤矸石排放量大，目前堆放 200 余萬立方的煤矸石占用耕地 200 多畝，而且每年還以 20 萬噸的速度遞增。為處理這些煤矸石，孫村煤礦每年要 花掉近 400 萬元。 目前，孫村煤礦在 400m的綜采工作面進(jìn)行 似膏體矸石 充填，該范圍所處新汶礦區(qū)城區(qū)內(nèi)，屬于典型的建筑物下開采。該區(qū)域的主要煤層為 13 和 15 層，可采優(yōu)質(zhì)保安煤柱儲量 160 萬噸，采煤工作面長達(dá) 160m，實現(xiàn)全長度充填，不僅使煤炭回采率提高至95%以上，為礦增加產(chǎn)值 6 億元，還可保證新汶礦區(qū)地表環(huán)境及礦井主要井巷的安全。 矸石做為主要充填材料的意義 煤矸石是煤礦的主要固體廢棄排放物，目前主要堆放在地面，形成矸石山，不僅占用大量土地，還污染環(huán)境，峰峰集團(tuán)部分矸石山還發(fā)生自燃，排放大量的煙塵 ，更加重了矸石山對環(huán)境的污染。以煤矸石為充填原料，將固體廢物資源化利用與解決煤礦開采沉陷有機(jī)地結(jié)合起來，減少煤矸石堆放占用土地，甚至消滅矸石山，有利于減少土地占用量，減少矸石對環(huán)境的污染，是一項利國、利礦、利民的事，符合國家可持續(xù)發(fā)展和環(huán)境保護(hù)方針政策 。10 3 建下壓煤 充填 開采 方案 新三礦村莊下壓煤開采的必要性 村莊下壓煤情況 趙莊、吝家溝及西河村村莊分別位于礦井村莊保護(hù)煤柱線范圍內(nèi)，地表建筑物以民房為主。壓煤塊段工業(yè)儲量如下表 31 所示。 表 31 壓煤塊段煤層工業(yè)儲量統(tǒng)計表 塊段號 面積 （平方米） 傾角（ 176。） 斜面積 （平方米） 煤厚 （米） 容重 工業(yè)儲量（噸） 162114 5 162116 91641 10 162118 10 162702 53241 7 162704 94852 12 276998 162409 9 19992 162411 9 162415 8 162505 7 小計 根據(jù)原地質(zhì)資料分析，該區(qū)為 D 級儲量。為探明該區(qū)煤層賦存條件，新三礦已投入了大量的人力和物力進(jìn)行勘探工作。由現(xiàn)掌握的地質(zhì)資料分析，可采出部分村下壓煤。村莊下壓 煤為優(yōu)質(zhì) 焦 煤，不進(jìn)行村下壓煤開采，會縮短礦井服務(wù)年限，造成礦井生產(chǎn)接替緊張，影響礦井投資效益的實現(xiàn)，不利于國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)和企業(yè)發(fā)展。 村莊下壓煤開采技術(shù)方法 冀中能源峰峰集團(tuán)新三礦建筑物下壓煤多，經(jīng)過多年的開采后，后備煤炭資源儲量已經(jīng)出現(xiàn)不足。因此，需要對用傳統(tǒng)技術(shù)無法開采的 “三下 ”（建筑物下、鐵路下、水體下）壓煤進(jìn)行開采，保證礦井正常生產(chǎn)。 井下采空區(qū)充填技術(shù)優(yōu)點： ① 減少礦山壓力及井巷建筑的破壞； ② 厚煤層分層開采充填 采空區(qū)，有利于下分層再生頂板的形成，并防止采空區(qū)殘煤的自燃； ③ 減少了地面矸石的堆積 量； ④ 通過充填，減輕了地面塌陷以及對地面建筑物、耕地的破壞。 本技術(shù)方案擬對于趙莊、吝家溝及西河村村莊保護(hù)煤柱進(jìn)行矸石充填開采，最終實11 現(xiàn)充填開采后地面沉降不會對村莊民房等建筑物造成影響，充填開采后地表沉陷變形控制在一級破壞之內(nèi)，保證地面建筑正常使用。 （ 1） 條帶開采 開采煤層的深厚比在 100120 左右時，采用長壁垮落法全采后預(yù)計地表變形值大于Ⅱ 級損壞，多數(shù)建筑物出現(xiàn)中度及以上損壞，這種條件下，我國多采用條帶采煤法開采。 條帶法開采是大面積建筑物下采煤常用的方法，這種開采方法能十分有效地減小地表沉陷，其費用 少，工藝較簡單，因此多年來條帶法開采應(yīng)用較多。實踐經(jīng)驗表明，在一般地質(zhì)采礦條件下，回采率取決于對民房保護(hù)的要求程度。 所謂條帶開采，是指在開采范圍內(nèi)沿一定的方向劃分為比較正規(guī)的條帶形狀，采一條留一條，使留下的煤柱能支撐上覆巖層的載荷，從而使地表產(chǎn)生較小移動和變形的一種特殊開采方法。實踐證明，正規(guī)的條帶開采引起的地表移動變形值是很小的，其原因是所采煤層上覆巖層受到了所留煤柱的支撐。此時，煤柱本身未被壓垮，只產(chǎn)生彈性變形，其地表產(chǎn)生的移動和變形主要是由煤層和頂?shù)装宓膹椥詨嚎s引起的。但如果煤柱的尺寸太小，或者因某 種人為的或自然的因素破壞了煤柱，導(dǎo)致上覆巖層失掉了支撐，這時地表的移動變形值將達(dá)到或接近全部垮落法開采時的地表移動和變形值，并且使地表產(chǎn)生急劇的變形，對建筑物保護(hù)不利。 通常，條帶垮落法在開采單一煤層條件下效果較好，但如果采深過大，所留煤柱尺寸應(yīng)逐步加大，很大程度上影響了煤炭的采出率。在實際操作中，因地質(zhì)構(gòu)造影響，可以充分利用斷層煤柱來作為條帶保留煤柱，以期提高采出率。 根據(jù)一般經(jīng)驗，條帶垮落法開采條件下地表下沉系數(shù)隨采出率的增加而增加，其關(guān)系如表 32 所示。即在相同條件下，采出率是決定地表移動變形