膏體充填特點(diǎn)及其現(xiàn)狀分析

解飛翔　徐志遠(yuǎn)　劉春英

摘要:介紹了膏體充填采礦法在國(guó)內(nèi)外的發(fā)展現(xiàn)狀及技術(shù)上可行,經(jīng)濟(jì)上合理,安全上可靠和具有可持續(xù)發(fā)展的優(yōu)點(diǎn),概述了膏體充填的特點(diǎn)和各種充填法的比較。

關(guān)鍵詞:膏體充填技術(shù)工藝環(huán)保先進(jìn)

0 引言

綠色采礦是采礦發(fā)展的必然趨勢(shì)。采用無(wú)尾礦充填采礦法,可以提高礦物回采率,減少對(duì)地面土地的貧化率,充分利用資源,有效控制地壓,房屋和地表塌陷和可在“三下”開(kāi)采等優(yōu)點(diǎn),膏體充填工藝技術(shù)也在充填采礦法不斷改造與發(fā)展的過(guò)程中得到創(chuàng)新與發(fā)展。

1 膏體充填

所謂膏體充填就是把煤礦尾礦矸石山的煤矸石、劣質(zhì)土和電廠的尾料粉煤灰等固體廢物在地面加工成的膏狀漿體,利用高密度固體充填泵和重力的作用下通過(guò)管道泵送到井下工作面,適時(shí)充填采空區(qū)的采礦方法。膏體充填的關(guān)鍵是要在井下工作面采空區(qū)形成以膏體料漿為主的覆巖支控體系,實(shí)時(shí)而有效控制地表開(kāi)采沉陷在建筑物允許值范圍內(nèi),保護(hù)地下水體不受破壞,提高煤炭資源采出率,改善礦山安全生產(chǎn)條件的目的,此工藝技術(shù)上可行,經(jīng)濟(jì)上合理、安全上可靠,被譽(yù)為21世紀(jì)綠色開(kāi)采新技術(shù)。

2 膏體充填技術(shù)特點(diǎn)

2.1 濃度高 一般膏體充填材料質(zhì)量濃度>75%,目前最高濃度達(dá)到88%。而普通水砂充填材料濃度低于65%,如,我國(guó)阜新礦區(qū)水砂充填水砂比,新平安礦為2.7:1~5.3:1,新邱一坑為1.2:1~2.1:1,高德八坑為2:1,按照質(zhì)量濃度小于50%。

2.2 流動(dòng)狀態(tài)為柱塞結(jié)構(gòu)流。水砂充填料漿管道輸送過(guò)程中呈典型的兩相紊流特征,管道橫截面上漿體的流速為拋物線分布,從管道中心到管壁,流速逐漸由大減小為零,而膏體充填料漿在管道中基本是整體平推運(yùn)動(dòng),管道橫截面上的漿體基本上以相同的流速流動(dòng),稱之為柱塞結(jié)構(gòu)流。

2.3 料漿要求不沉淀、不泌水、不離析。膏體充填材料這個(gè)特點(diǎn)非常重要,而要達(dá)到這三個(gè)標(biāo)準(zhǔn),就必須時(shí)刻把握原料的所有參數(shù),要搞好充填泵送系統(tǒng)的過(guò)程控制,井上井下協(xié)調(diào)配合,積極應(yīng)對(duì)充填工藝中出現(xiàn)的各種問(wèn)題,才能達(dá)到料漿要求。

2.4 無(wú)臨界流速。最大顆粒料粒徑達(dá)到25mm,流速小于1m/s仍然能夠正常輸送。

2.5 膏體充填體壓縮率低。一般水砂充填材料(包括人造砂)壓縮率為10%左右,級(jí)配差的甚至達(dá)到20%,水砂充填地表沉陷控制程度相對(duì)較差,通常水砂充填地表沉陷系數(shù)為0.1~0.2(新汶礦區(qū)水砂充填地表沉陷系數(shù)為0.13~0.17),許多條件尚需要與條帶開(kāi)采結(jié)合,留設(shè)條帶煤柱才能夠達(dá)到保護(hù)地表建筑物的目的。而膏體充填材料中固體顆粒之間的空隙由膠結(jié)料和水充滿,一般壓縮率只有1%左右,控制地表開(kāi)采沉陷效果好,“三下一上”壓煤有條件得到最大限度的開(kāi)采出來(lái)。

3 膏體充填的研究現(xiàn)狀

膏體充填最初來(lái)源于金屬礦山,是1979年德國(guó)在格倫德鉛鋅礦首先發(fā)展起來(lái)的第四代先進(jìn)充填技術(shù)。

世界上記載有計(jì)劃的礦山充填已經(jīng)有近百年的發(fā)展歷史,經(jīng)歷了廢石干式充填、水砂充填、低濃度膠結(jié)充填、高濃度充填/膏體充填等四個(gè)發(fā)展階段:

第一個(gè)階段,20世紀(jì)40年代以前,以廢石干式充填為代表,充填的目的是處理廢棄物。如澳大利亞塔斯馬尼亞芒特萊爾礦和北萊爾礦在20世紀(jì)初進(jìn)行的廢石干式充填;中國(guó)20世紀(jì)50年代初期廢石干式充填成為金屬礦山的主要采礦方法之一,1955年在地下開(kāi)采的有色金屬礦山中廢石干式充填占38.2%,

第二階段,20世紀(jì)40~50年代,以水砂充填為代表。澳洲一些地下金屬礦山,以水力充填取代了早期使用的干式充填。1969年澳大利亞科學(xué)與工業(yè)研究院開(kāi)展了機(jī)械落礦充填采礦法的相關(guān)問(wèn)題研究,10余年后在水力充填等領(lǐng)域取得了顯著成績(jī)。水砂充填在國(guó)內(nèi)外煤礦一度作為解決地表開(kāi)采沉陷,保護(hù)建(構(gòu))筑物的主要方法,曾經(jīng)得到比較廣泛的應(yīng)用。世界上水砂充填最先進(jìn)、應(yīng)用最好的是波蘭。1967年波蘭水砂充填法采煤占到總產(chǎn)量的50.2 %,波蘭吳杰克煤礦(Wujek)是歐洲最大的水砂充填礦井,年產(chǎn)量220萬(wàn)t/a,水砂充填產(chǎn)煤量占70 %,充填管線最長(zhǎng)達(dá)4.5 km,1952年以后水砂充填逐漸在撫順、扎賚諾爾等地推廣應(yīng)用。目前山東濟(jì)寧的太平煤礦用水沙充填。

第三階段,20世紀(jì)60~70年代,以低濃度尾砂膠結(jié)充填為代表。代表礦有澳大利亞芒特艾薩礦,該礦在20世紀(jì)60年代采用低濃度尾砂膠結(jié)充填工藝回采底柱。1977年芒特艾薩礦與新南威爾士大學(xué)礦業(yè)學(xué)院合作研究出了低成本膠結(jié)充填技術(shù)。由于非膠結(jié)的水砂充填體不能自穩(wěn),難以滿足采礦工藝高回采率和低貧化率的需要,在水砂充填工藝得以發(fā)展和推廣應(yīng)用以后,開(kāi)始發(fā)展采用尾砂膠結(jié)充填技術(shù)。20世紀(jì)70年代中國(guó)凡口鉛鋅礦、招遠(yuǎn)金礦和焦家金礦率先應(yīng)用細(xì)砂膠結(jié)充填。目前,中國(guó)有20多座金屬礦山應(yīng)用細(xì)砂膠結(jié)充填。

第四階段,20世紀(jì)80~90年代,以高濃度、膏體充填為代表。1979年德國(guó)在格倫德鉛鋅礦為了克服低濃度膠結(jié)充填泌水嚴(yán)重等,在世界上首次試驗(yàn)成功膏體充填技術(shù)。膏體充填技術(shù)在德國(guó)試驗(yàn)成功以后,逐漸在南非、英國(guó)、美國(guó)、摩洛哥、俄羅斯、加拿大、澳大利亞、葡萄牙、坦桑尼亞、土爾其等世界主要采礦國(guó)家的金屬礦山得到發(fā)展和應(yīng)用。1991年德國(guó)礦冶技術(shù)公司與魯爾煤炭公司合作,把膏體材料充填技術(shù)應(yīng)用到沃爾薩姆煤礦,試驗(yàn)工作面煤層厚度1.5m,采深1000m,所用膏體充填材料由粉煤灰、浮選矸石、破碎巖粉等制成,無(wú)膠結(jié)料,物料的最大粒徑小于5mm,質(zhì)量濃度達(dá)到76%~84%。中國(guó)1994年在金川有色金屬公司二礦區(qū)建成第一條膏體泵送充填系統(tǒng),以后有銅綠山銅礦、湖田鋁土礦、咯拉通克銅礦等也建設(shè)了膏體充填泵送系統(tǒng)。

4 國(guó)內(nèi)的成功地案例

現(xiàn)在山東濟(jì)寧太平煤礦設(shè)計(jì)了中國(guó)煤礦第一個(gè)膏體充填系統(tǒng),主要是水沙充填。該膏體充填系統(tǒng)于2006年5月正式投入使用,膏體充填開(kāi)采技術(shù),煤層布置分層長(zhǎng)壁工作面開(kāi)采,開(kāi)采過(guò)程中沿空留巷,工作面之間無(wú)煤柱,采出率提高到90%以上。截止到2007年10月太平煤礦充填量累計(jì)20多萬(wàn)m3,安全采出煤炭30多萬(wàn)t,2007年11月通過(guò)了山東省科技廳組織的專家論證。

冀中能源峰峰集團(tuán)小屯煤礦膏體充填工業(yè)性試驗(yàn),主要骨料是矸石料是選擇在該礦14259頂分層工作面。該首試工作面傾斜長(zhǎng)度120m,推進(jìn)長(zhǎng)度500余m,以平均采高2.8m計(jì)算,已經(jīng)采出煤量約40萬(wàn)噸。

在建的山東濟(jì)寧岱莊煤礦膏體充填系統(tǒng),能力更強(qiáng),壓力更大,充填泵送系統(tǒng)的輸送能力達(dá)到150m3,最大輸送壓力達(dá)到14Mp是迄今為止我國(guó)最大的泵送系統(tǒng)。本項(xiàng)目研究成功以后,不僅為解決岱莊煤礦及濟(jì)北礦區(qū)不遷村開(kāi)采難題,最大限度地采出煤炭資源,延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限,更重要的是為解放我國(guó)煤礦大量村莊等建筑物占?jí)旱拿簩影l(fā)展、形成一套 “高采出率、環(huán)境協(xié)調(diào)、高效安全”的新型不遷村膏體充填開(kāi)采技術(shù),這是一項(xiàng)具有十分重要的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)和環(huán)保意義的極富挑戰(zhàn)性的開(kāi)創(chuàng)性工作。

5 結(jié)語(yǔ)

我國(guó)是一個(gè)能源豐富的國(guó)家,采礦是擔(dān)負(fù)著極其艱巨的任務(wù),而在煤炭采煤的過(guò)程中,觀念和理念也在逐步地發(fā)生變化,煤礦開(kāi)采從最初的追求產(chǎn)量到保護(hù)性開(kāi)采,再到綠色開(kāi)采,先進(jìn)技術(shù)的進(jìn)入和自動(dòng)化程度的升高是煤礦實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的動(dòng)力和基礎(chǔ),再次基礎(chǔ)上的先進(jìn)開(kāi)采技術(shù)也在經(jīng)歷著前所未有的革命,也必將為我國(guó)的開(kāi)采技術(shù)積累大量的資料,對(duì)完成煤礦開(kāi)采的技術(shù)儲(chǔ)備起到積極的作用,而膏體充填也將是一朵奇葩,在21世紀(jì)嬌艷地綻放。