煤矿新型膏体充填材料性能及其应用探讨

[摘 要] 经过调研论证，结合刘庄煤矿的实际情况从防治承压水的角度进行分析，刘庄煤矿选择了使用新型膏体充填材料开采技术方案。

[关键词] 煤矸石； 似膏体； 充填开采； 流体

刘矿于1970年投产，预计生产能力60万吨/年，核定生产能力为120万吨/年，刘庄井田地质条件复杂。截至2010年年底的煤矿剩余可采储量3140万吨，其中受到的水威胁煤矿蕴藏量达2555万吨，占矿井可采储量的81%。随着地下开采水平的延伸和服务年限的延长，受水威胁的煤量比例逐年增加。现有的控水措施已不适应深部复杂的水文地质条件。在这方面，组织人员考察采空区充填技术解决矿压对底板的破坏及坚硬顶板的放顶问题。在调研基础上，在2001年底完成了项目的可行性研究，2012年第一季度开工建设，2012年7月开始试充填，现已完成超过10万立方米的充填灌装。

1 似膏体充填开采技术

1.1 工程实施的必要性

2004年3月27日，刘矿81004工作面奥灰突水，标高-360米，最大突水量-490M造成-480m延深巷道被淹。2008年四季度回采91002工作面时，前面的多点渗水，造成采空区出水，最终出水达到120立方米/ h，回采标高-330米。2010年一季度回采10102工作面时，出现91002工作面相似的工作面出水，并最终出水达到80立方米/小时，标高-360米。三个面出水时的五灰突水系数都在0.05mP/m以下。总结和分析其主要原因，矿压对底板扰动破坏深度大，且与采深成正比关系。特别是8煤顶板为岩石第四层石灰岩，厚度约5米，采后不易冒落，即便是采取人工强制放顶措施，也很难将四灰全部斩断，易造成大面积的悬顶，在初压划问受矿压的影响，对底板的扰动破坏裂隙直接与含水层的原始导升裂隙沟通，局部地段有可能达到五灰的含水层，直接导致突水。并且由于五灰奥灰间距小，抵抗不了高压水头，一旦五灰突水就很可能导致奥灰突水，对矿井有很大的威胁。即使采取了注浆的改造措施，但仍可能存在薄弱地段，突水性仍然存在。现实警示我们，必须采取充填开采技术，控制顶板的下沉，预防矿压对底板的扰动破坏深度，降低突水的概率，是势在必行。

（1）看资源储存，刘庄煤矿截止2008年底矿井可采储量为2140万t，其中受水威胁储量为1555万t，占72.6%。按矿井40%的回采率，可采出煤量为630万t，服务年限6年。

（2）建（构）筑物下压煤开采的需要。实践已经证明，采用流体充填技术，可以有效控制顶板岩层移动，很大程度上减少由于地表岩层移动造成建（韵）筑物的损坏，降低赔偿，提高效益。目前刘庄矿有建（构）筑物下压煤357万t，按40%回采率，可采出煤炭140万t。

（3）当今环保的需要。实施该方案，可以减少矸石的排放，降低空气污染和地下水污染，并且杜绝了矸石山爆炸的危险。

1.2 充填开采技术方案选择

经过统一调研论证，结合刘庄实际情况进行分析，最终选择流体充填开采技术方案。其优点：

（1）工作面充填不附加任何设备，只充填管路。

（2）充填体强度足够支撑顶板8小时，可以有效控制顶板下沉。

（3）效果好，减少矿压对底版破坏，有利于防底版承压水。

（4）实现无煤柱开采。沿空留巷，降低回采掘进率。

（5）材料充足，有些材料还可以就地取材，运输成本低。

缺点：

（1）吨煤成本要比矸石充填高。

（2）地面建站投资大。

（3）充填开采只能尽量减小矿压对底版深度的破坏，不能根治。

（4）没有外加输送动力，只能靠势能自流，存在堵管路的可能。对浆液配比有着严格的规格。

1.3 流体充填工艺

刘庄煤矿第一个充填工作面选择的是一个8层煤工作面（81006工作面），高档普采，煤层平均厚1.80m，f=1.5，上部含一层平均0.24m厚的炭质细砂岩夹石，f=6，为复杂结构、稳定的厚煤层。工作面回采标高：-371～-440m，仰斜布置。采高1.8m，设计面长86m，储量9.0万吨。

（1）工艺流程

（2）充填所需材料。矸石：附近矸石山的矸石破碎后即可使用，粒度为5毫米。

粉煤灰：刘矿集团各电厂粉煤灰

胶固料：由莱芜海易胶固材料有限公司定点生产的胶固料。

水：泵房所排的矿井水。

（3）充填材料配比。

2 应用效果

（1）该技术利用固体废料煤矸石作为骨料，解决了煤矸石地面堆放严重污染环境的难题，又限制了岩层的移动，减少矿压对底板的破坏，提高资源回收率，各类效益显著。

（2）胶结充填体到采空区，解决了采空区自然发火和造成有害气体等隐患。

（3）整个系统从物料的添加、混合、搅拌到输送采用自动化控制，用人少、充填速度快、操作简单、运行可靠，效果好。

（4）该项技术成功后可以解放我矿的受水威胁煤层，为集团公司老区各矿摸索一条可持续发展的新方法。

3 结论与展望研究

3.1 主要结论

膏体充填开采是解决煤矿开采造成的环境问题，控制沉陷，实现村庄等建筑物不搬迁条件下的煤炭资源的开采、提高采出率以及提高开采上限等技术难题的有效技术途径，是固体废物无害化、减量化、资源化，处理与处置的行之有效的一种手段，是绿色开采体系的一个重要组成部分。煤矿膏体充填不迁村开采在全国，乃至全世界属于首次，是一项开创性的、极富挑战性的工作。关于膏体充填材料，金属矿山科技工作者已进行了大量研究，取得了一定成果，但煤矿与金属矿山有许多不同之处，如充填原材料、充填成本、材料性能要求及充填工艺等。因此，作为膏体充填开采技术的重要组成部分，对煤矿膏体充填材料进行系统的研究具有重要的理论意义与适用价值。

3.2 展望研究

膏体充填开采是绿色开采技术的重要组成部分，是解决煤矿开采环境问题的理想途径，是解决村庄等建筑物下大量压煤开采问题的迫切需要。煤矿膏体充填开采技术在我国还刚起步，随着煤矿膏体充填开采技术推广应用，还有大量问题期待研究解决。

（1）煤矿膏体充填开采时，以大量固体废弃物作为充填原材料，固体废弃物排放对环境及地下水造成的污染已经进行了大量的研究，也取得了一定的成果，但这些固体废弃物用胶结材料固化用于煤矿充填，充填体对地下水环境影响研究却很少，因此，需进行深入研究。

（2）膏体充填材料用于井下充填，充填体长期处于承载状态，为了保证充填体长期稳定性，需进一步研究膏体充填材料承载条件下的力学特性，包括蠕变特性。

（3）膏体充填材料硬化体稳定性研究，主要指其抗碳化性，耐酸、碱及盐侵蚀性能。

[参考文献]

[1] 周国铨，崔继宪，刘广容等.建筑物下采煤[M].北京：煤炭工业出版社，1983.

[2] 吴立新，王金庄，刘延安等.建（构）筑物下压煤条带开采理论与实践[M].徐州：中国矿业大学出版社，1994.

[3] 徐法奎，李凤明.我国“三下”压煤及开采中若干问题浅析[J].煤炭经济研究，2005，（5）：26-27.

[4] 黄乐亭.我国村庄下采煤的现状与发展重点[J].矿山测量，1999，（4）：3-5.

[5] 李凤明，耿德庸.我国村庄下采煤的研究现状、存在问题及发展趋势[J].煤炭科学技术，1999，27（1）：10-13.