粉煤灰基胶结充填采煤技术及应用

在如今高度发展的社会，资源也在不断消耗。山西作为中国采煤基地，拥有极丰富的煤炭资源，但随着近些年开采，现在已呈现疲态。山西晋煤集团泽州天安煤业有限公司是山西境内的煤炭企业，近年随着煤炭资源呈现疲态，可持续发展道路遇到瓶颈，在煤炭开采中存在很多问题，如上覆岩层就是煤炭开采过程中的一大难题。如何保证采煤过程中上覆岩层不受破坏、地表不被开采影响，这就需要一项新技术——胶结充填开采技术。这项技术主要针对开采难的滞留煤矿，通过先进技术来加长矿井使用年限，是一项能使老矿区走上可持续发展道路的重要技术手段。

1 原材料介绍

1.1 粉煤灰基胶结材料

粉煤灰基胶结材料是充填采煤技术的使用材料，是由黑龙江一所大学的研究所通过深入分析和研究矿区资源开采条件，经多次实验得出的一种新型充填材料。这种材料在使用中具有可泵送等诸多优点，而且这种充填材料制作的原材料是矿区内的粉煤灰和矿井水等废弃物，不但成本低，同时解决了这些废弃物，可以说是一项十分适用在老矿区内的环保技术。粉煤灰基胶结材料是用粉煤灰、矸石等一些废弃物品，再结合矿区矿井水，通过添加一些专业活化剂，经过充分反应后，还要加入按比例配好的缓凝剂和速凝剂，然后制出材料。充填液水要按一定比例，大概处于0.9～1.2中间为宜，要保证流动性强，输送到指定地点后开始胶结、固化。在8 h内单轴抗压强度要上升到1.2 MPa左右，1 d内强度要达到3.45 MPa，3 d抗压强度要升至4.2 MPa。

1.2 浆料特性

粉煤灰基胶结材料在经过激活潜质活性后，加入水泥等材料，结合外加剂制成的材料就是粉煤灰基胶结充填材料，这中材料具有很多特点：

a) 具有很好的流动性能，制成后经过1.5 h后就可以自流输送;

b) 具有一定的膨胀性能，浆料经过1.5 h后就会凝固，当浆料停止凝固后，这种充填材料不会发生收缩现象，随着养护时间加长，还会渐渐产生膨胀;

c) 具有很好的稳定性能，制作这种材料的原材料中有大量粉煤灰，粉煤灰经过兑水后不断产生反应，水化产物会越来越多，材料内部会随着时间加长越来越密实、结构更加稳定;

d) 具有很好的抗压性，在材料停止凝固后，这种充填材料在8h后抗压强度会达到0.85 MPa～1.2 MPa左右，1 d内上升到1.6 MPa～3.1 MPa左右，3 d后可达2.1 MPa～4.05 MPa，经过1个月使其强度达到7 MPa。

2 系统和工艺手法

2.1 充填系统

充填系统是由多个系统共同协调工作组成，其中包括材料储存系统、运输系统、调制系统、计数系统等十个系统之多[1]。这些复杂的系统组合在一起，需要很多设备配合。灰浆罐是主要用于搅拌，容积要达到规定的50 m3～250 m3，在供应灰浆时达到40 m3/h～230 m3/h左右，位置要固定在矿井上，主要用来将粉煤灰等材料进行活化处理。胶结浆罐主要用来将水泥和其它添加剂制备成胶结浆体，容积要达到55 m3～105 m3左右，上料能力要达到30 m3/h，位置要至于矿井上。搅拌器主要是用来将灰浆还有胶结浆聚集在一起加工制成充填浆料，容积要求16 m3，放在矿井上面和下面都可以。

2.2 充填料的工艺手法

在制备浆料时可以根据输送浆料的距离来判断，结合施工经验，一般疏松距离不超过3 km时可以在矿井上面制备浆料，超过3 km时可以在矿井下面制备浆料。在具体施工过程中，a) 将粉煤灰、矿井水等原材料输送至灰浆罐内，搅拌十几分钟后，便可以制成灰浆，放置时间不超过20 h以上，在放置过程中每隔1 h～2 h要搅拌一次，每次时间为5 min;b) 把水和其它缓凝剂、早强剂按顺序传送至胶结浆罐中，搅拌十几分就可以制成胶结浆料[2];c) 将前面制好的灰浆和胶结浆料共同输送至搅拌器里，加入粒径在20 mm以下的碎石块，搅拌后就可以制成充填料，通过输送工具将料送至采空区域即可。

2.3 充采工艺手法

a) 长壁充采工艺。这种工艺要通过三班作业，其中两班采煤、一班充填料，经过1 d就可完成一个循环过程。这种工艺在施工过程中一般要在工作面制作一个模具，在里面挂上充填袋，最后将灰浆输进去，凝固后拆下模具【3】;

b) 房柱式充采工艺。这种工艺是两班充填、一班采煤，在充填时两个相邻回采地域，开采它们之间的煤柱。需要用三个煤炭开采班组和一个充填班组，单独作业。在工作面上要采用一个挡面板，设在两个煤柱中间，待浆液凝固后拆卸。

3 充填采煤技术应用

3.1 地表变形分析

充填采煤是一项成熟的高难度采煤技术，是在地表许可的变形条件下，利用现有条件技术开采煤炭。这种技术不仅可以保证采煤时的效率和工作规模，而且可以保证采煤地区的地表最低限度的变形程度[3]，使地表上的建筑物完整保存下来[4]。采煤地区的建筑物规定的损坏程度是I级，在这个范围内，地表变形很小，对于该地区的居民或工厂影响程度几乎可以忽略不计，可以最大程度保证经济效益和社会效益。开采地区建筑物受损程度一般和开采地区的变形大小与建筑物自身抵抗能力有很大关系。本文介绍的几种充填方式对建筑物的影响都达到规定损害范围内，在充填范围内，效果十分显著。

3.2 投资资金估算

通过分析各个企业初期投资情况，几种充填方式都需要建造大量地面设备，例如制备站、打钻孔等，在前期投资需要的资金大概都会高于2 000×104元，基建工程建设非常复杂，需要大量设备，所以投入非常大。

3.3 充填采煤技术的特点

充填采煤技术有极其独特的特点，矿井选择上要根据实际情况分析，要追求利益最大化，在充填采煤技术中，用到的原材料是大量粉煤灰[4]、煤矸石等废弃物，胶结材料是用矿井水和炉渣等废料，这些在矿井上都是没有任何作用的废渣，利用起来正好可以废物利用。

3.4 充填采煤的社会效益

充填采煤技术在煤炭开采技术方面是一场革命性的创新，对社会发展也产生深远意义。利用这项技术可以解决很多以前所不能解决的问题，如将采空区回填、超前压力应用等[5]。这项技术的应用对煤炭开采工人的施工作业环境也起到很大的安全作用，填充后的地表将以充填物为主，形成覆岩支控体系，它能够最大程度保证地表变形在固定范围内，明显提高高难度地区的采煤效率，不用拆迁就可以将煤炭开采出来，充分利用铁路、城镇等公众设施下的煤炭资源，同时又利用工业产生的大量废弃物，减少环境污染，有效改善煤炭工业的可持续发展。

4 结语

粉煤灰基胶结材料在如今煤炭资源呈现疲态的情况下，有积极作用，这项技术可以有效地解放高难度开采地区的煤炭资源，并且充填料原材料选择范围非常广泛，而且制作成本非常低，其充填后能够迅速凝固和高强的特点可以有效阻止地表下陷，该项技术在整个操作环节使用的操作人员很少，有很高的推广价值。

原标题：粉煤灰基胶结充填采煤技术及应用