煤礦采礦中的充填工藝及充填材料

馬志國

（七臺(tái)河職業(yè)學(xué)院，黑龍江七臺(tái)河　154600）

煤礦采礦中的充填工藝及充填材料

馬志國

（七臺(tái)河職業(yè)學(xué)院，黑龍江七臺(tái)河154600）

充填是采用充填類采礦法的生產(chǎn)工序。煤礦充填是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及充填材料選擇、充填混合料配比優(yōu)化、充填料漿制備及輸送、充填工藝、充填質(zhì)量保證等諸多環(huán)節(jié)。如果任一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生問題，都會(huì)造成嚴(yán)重后果，造成資源浪費(fèi)，而且可能產(chǎn)生重大安全事故，影響煤礦可持續(xù)發(fā)展。本文主要闡述了礦山采礦的充填工藝、充填材料、基本參數(shù)等問題。

采礦充填工藝充填材料

充填是采用充填類采礦法礦山的生產(chǎn)工序。煤礦充填是復(fù)雜的系統(tǒng)工程，涉及充填材料選擇、充填混合料配比優(yōu)化、充填料漿制備及輸送、充填工藝、充填質(zhì)量保證等諸多環(huán)節(jié)。如果任一個(gè)環(huán)節(jié)發(fā)生問題，都會(huì)造成嚴(yán)重后果，造成資源浪費(fèi)，而且可能產(chǎn)生重大安全事故，影響煤礦可持續(xù)發(fā)展。

1　充填工藝

（1）干式充填。我國早在20世紀(jì)50年代就采用了以處理廢棄物為目的的廢石干式充填工藝。干式充填是將掘進(jìn)廢石等干充填料利用運(yùn)輸設(shè)備運(yùn)至待充填地點(diǎn)進(jìn)行充填的工藝，由于它的效率較低、生產(chǎn)能力較小和勞動(dòng)強(qiáng)度大，不能滿足強(qiáng)采、強(qiáng)出、強(qiáng)充的采礦生產(chǎn)的需要。后來，國內(nèi)干式充填法所占的比重逐年下降。

（2）水砂充填。水砂充填是將充填骨料加水制成質(zhì)量濃度較低的砂漿，利用管道、溜槽、鉆孔等自流輸送到待充填地點(diǎn)進(jìn)行充填的工藝。在水砂充填中水僅僅作為輸送物料的載體，充入采空區(qū)后，充填料留：采空區(qū)，水滲濾出去，沿巷道水溝流入水倉，通過排水和排泥設(shè)施將滲濾出的清水和隨清水流失的細(xì)泥排出地表。

（3）膠結(jié)充填。20世紀(jì)60-70年代，我國開始開發(fā)和應(yīng)用膠結(jié)充填技術(shù)。膠結(jié)充填是把膠凝材料（水泥）、骨料、水混合形成濃度較高的漿體，通過鉆孔或管道，自流或加壓輸送到待充填地點(diǎn)實(shí)施充填的工藝。充入采場的水泥砂漿經(jīng)過一定時(shí)間養(yǎng)護(hù)后，成為固化體控制地壓。在膠結(jié)充填中水是輸送物料的載體，充入采空區(qū)后，除一部分參與水泥反應(yīng)外，多余的水分通過脫濾水設(shè)施滲濾出去，沿巷道水溝流入水倉，通過排水和排泥設(shè)施將滲濾出的清水和睫清水流失的細(xì)泥排出地表。

2　充填材料

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，及國家可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略對環(huán)境同題的日益重視，礦山所用的充填材料已從傳統(tǒng)的山沙、河沙、海沙、細(xì)石等自然沙石或人工沙石向以粉煤灰、尾砂、爐渣等工業(yè)廢料過渡。

（1）充填骨料。在20世紀(jì)50年代廣泛應(yīng)用掘進(jìn)廢石作為充填料進(jìn)行干式充填， 20世紀(jì)60-70年代，發(fā)展應(yīng)用山沙、河沙等作為混凝土膠結(jié)充填料的骨料或以河沙、脫泥尾砂等細(xì)砂為充填料或充填骨料，以兩相流管道輸送方式進(jìn)行水砂非膠結(jié)充填或膠結(jié)充填；20世紀(jì)80年代以后，由于高濃度全尾砂膠結(jié)充填等新型充填技術(shù)成功，不進(jìn)行分級(jí)、脫泥處理的全尾砂已成為最具發(fā)展應(yīng)用前景的充填骨料。

充填材料應(yīng)是惰性材料，不含揮發(fā)有害氣體，含硫不應(yīng)超過5%～8%。水砂充填，膠結(jié)充填骨料要求化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定，顆粒本身要有一定的強(qiáng)度，具有較好的滲透性能。山沙、河沙以及爐渣等的粒徑較尾砂要大得多，在輸送時(shí)最大粒徑要小于管徑的三分之一，且接近管徑三分之一的顆粒不宜超過15%。①廢石。大多數(shù)礦山對廢石（含煤矸石）的應(yīng)用盡可能地在井下就近處理，直接回填于采空區(qū)。破碎廢右依各礦山的不同需要。②工業(yè)固體廢料如磷石膏等作為充填骨料回填井下，能解決礦山充填骨料來源問題，同時(shí)可以解決固體廢料地面堆放帶來的環(huán)境污染，經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益巨大；但固體廢料能否用作充填骨料以及作為充填骨料時(shí)的充填配比，必須通過試驗(yàn)研究加以確認(rèn)。

（2）膠凝材料及替代品。應(yīng)用最廣泛的充填膠凝材料為普通硅酸鹽水泥，此外還有一些水泥代用材料如爐渣、粉煤灰等。①水泥硅酸鹽水泥。在膠結(jié)充填體內(nèi)，水泥發(fā)生水化反應(yīng)，將骨料膠結(jié)在一起，形成固化體。②粉煤灰粉煤灰是從燃煤粉的熱電廠鍋爐煙氣中收集到的細(xì)粉末，其成分與高鋁黏土相近，主要以玻璃體狀態(tài)存在。③水淬爐渣金屬礦山企業(yè)的冶煉廠，其工業(yè)廢料爐渣珂常是在冶煉銅、鋅、鉛等金屬的生產(chǎn)過程中，在高溫條件下從爐內(nèi)排出的廢碴，并通過水淬使之急劇冷卻而成粒狀，即可作為水泥代用品使用。

3　基本參數(shù)

管道輸送的水砂充填或膠結(jié)充填料漿是典型的固渡兩相流，影響兩相流輸送特性和充填質(zhì)量的基本參數(shù)包括充填倍線、充填物料和充填漿體的物理力學(xué)性質(zhì)、充填配比、流動(dòng)性能等。

3.1流量和流速

充填系統(tǒng)生產(chǎn)能力可用漿體流量來表示。流量是單位時(shí)間內(nèi)充填系統(tǒng)所能輸送的漿體的體積。流量大小取決于充填料配比、管道直徑、充填倍線等指標(biāo)。流速是充填管道中漿體的流動(dòng)速度。管道輸送充填漿體，流速如果太低，固體顆粒容易沉底，造成管道堵塞。為維持充填料漿輸送過程中固料處于懸浮狀態(tài)，避免堵管，流速必須大于一臨界值，該臨界值稱為臨界流速。在臨界流速下，管道水力損失最小，固體顆粒能夠保持懸浮狀態(tài)。管道自流輸送充填漿體流速一般為3～4m/s。

3.2水力坡度

漿體在管道中的流動(dòng)必須克服與管壁產(chǎn)生的摩擦阻力和產(chǎn)生湍流時(shí)的層間阻力，統(tǒng)稱摩擦阻力損失，即水力坡度。充填料漿水力坡度的計(jì)算，在水力輸送固體物料工程中占據(jù)極其重要的地位。在深井充填中，它關(guān)系到管道直徑的選擇、輸送速度的確定，降壓措施及滿管輸送措施的選擇、耐磨管型的選取等關(guān)鍵參數(shù)，因此其作用尤為突出。

4　充填料漿制備與輸送系統(tǒng)

充填料漿一般在地面充填制備站制備，然后通過輸送系統(tǒng)輸送到待充地點(diǎn)進(jìn)行充填。充填料漿制備與輸送系統(tǒng)一般包括充填物料儲(chǔ)存與輸送系統(tǒng)、充填料漿攪拌系統(tǒng)、充填料漿輸送系統(tǒng)和充填過程控制系統(tǒng)四部分組成。

5　工作面充填工藝

所有充填準(zhǔn)備工作完成后，即可進(jìn)行采場充填，采場充填應(yīng)做到：（1）按地表充填料漿制備站充填材料儲(chǔ)備情況，確定能連續(xù)充填的時(shí)間，以確定每次連續(xù)充填的地點(diǎn)與高度；（2）充填開始時(shí)，先下清水進(jìn)行引流，待采場充填管道出口見到清水后，再開啟充填固料輸送裝置，攪拌形成漿體，進(jìn)行正式充填：（3）為提高充填體質(zhì)量，減少采場泄水量，應(yīng)盡可能提高充填料漿濃度；（4）充填結(jié)束時(shí)，在停止固料添加的同時(shí)，加大供水量進(jìn)行洗管；待采場充填管道出口見不到固料顆粒后，停止供水，結(jié)束充填工作；（5）膠結(jié)充填時(shí)，要待充填體養(yǎng)護(hù)一定時(shí)間，達(dá)到作業(yè)要求時(shí)，才能進(jìn)行下一分層的回采作業(yè)。

馬志國（1959—），男，漢族，黑龍江勃利人，七臺(tái)河職業(yè)學(xué)院 副教授，從事采礦教學(xué)與研究工作。