煤矿采场似膏体自流充填工艺及其使用的似膏体

摘要

一种煤矿采场似膏体自流充填工艺及其使用的似膏体，以煤矸石作为主要充填物，其特征在于该充填工艺包括：将水泥、粉煤灰搅拌混合后加水形成浆体，再加入煤矸石形成煤矸石悬浮似膏体，通过管道向井下充填区自流输送充填采场。该煤矿采场似膏体自流充填工艺利用煤矸石作为主要充填原料，采用自流充填工艺，充填质量高适应性强，充填成本低，可以用于城镇地下煤层的开采，并降低煤矸石对地上环境的污染和影响。该工艺所采用的似膏体的干料组分含量高，泌水率低，形成的充填体的强度高。本发明可以广泛的适用于各种煤矿的井下采场的充填处理工艺。

说明书

技术领域

本发明属地下矿产开采中对采区进行充填的技术领域，尤其涉及一种主要利用煤矸石做为骨料进行煤矿采场似膏体自流式充填工艺，以及该工艺所使用的似膏体。

背景技术

充填采矿法由于在确保安全的情况下兼具环境保护和提高矿石回收率的双重功效，在有色、黄金等矿山得到广泛的应用。我国早在20世纪50年代就采用了以处理废弃物为目的的废石干式充填工艺，1955年有色金属地下开采矿山中该方法应用比例高达54.8％。随着采矿技术的发展，废石干式充填因其效率低、生产能力小和劳动强度大等缺陷，已不能满足强采、强出、强充采矿生产的需要。1965年我国在锡矿山南矿为了控制大面积地压活动，首次采用了尾砂水利充填采空区工艺，有效减缓了地表下沉。由于非胶结充填体无自立能力，难以满足采矿工艺高回采率和低贫化率的需要，我国开始开发和应用尾砂胶结充填技术。该胶结充填为传统的混凝土充填，即完全按建筑混凝土的要求和工艺制备和输送胶结充填体，充填体的水泥单耗最低为200kg/m³。虽然尾砂胶结充填具有较高的生产能力和良好的管道运输性，但由于大量使用水泥作为胶结剂，使充填成本增加，而且受自流管道输送浓度限制，普通的尾砂胶结充填质量浓度均低于70％以下，充入采场后，大量的水分必须通过滤水设施排出，不仅增加了排水费用，污染了井下环境，而且降低了充填体的强度。  

传统的水力充填工艺，料浆浓度很难提高到70％以上，且通常需要对尾砂进行分级脱泥，其结果是充填尾砂的利用率低，充入采场后的充填体需脱水。脱水时会带走充填料中的水泥，造成水泥流失，削弱充填体的强度，其造成井下严重污染。膏体充填系统则可以利用全尾砂，充填体脱水量少，充填体强度高且水泥消耗量少，充填体易于接顶，有利于采矿作业安全。笔者研究上述充填工艺发现，在国内外充填采矿中，传统的低浓度胶结充填和近几十年出现的高浓度全尾砂充填、块石砂浆胶结充填和膏体泵压输送胶结充填，其胶结剂主要是普通硅酸盐水泥，这直接造成了充填成本过高。据统计，充填成本占采矿成本的1/3左右，充填成本中充填材料又占80％以上，而水泥在胶结充填成本中占80％以上，而水泥在胶结充填成本中占30～60％。昂贵的成本不仅给矿山造成很大的经济压力，而且严重制约了充填采矿技术的应用和发展。因此在不降低充填体强度的前提下，降低水泥单耗量或寻求水泥代用品，是充填技术研究的主要方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种充填成本低、充填工艺简单、可利用管道输送的煤矿采场似膏体自流充填工艺，解决了现有充填工艺成本高、工艺复杂、充填体强度低的缺陷。

本发明的另一目的是提供一种可用于煤矿采场似膏体自流充填工艺的似膏体，该膏体的原料和制作成本低、流动性强、含水量少，形成的充填体强度高，解决了现有充填体存在的水泥用量大、成本高，膏体自流时容易堵塞管道的缺陷。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种煤矿采场似膏体自流充填工艺，以煤矸石作为主要充填物，其特征在于该充填工艺包括：将水泥、粉煤灰搅拌混合后加水形成浆体，再加入煤矸石形成煤矸石悬浮似膏体，通过管道向井下充填区自流输送充填采场。

具体的讲，该充填工艺包括：将水泥、粉煤灰搅拌混合后加部分水形成浆体，再加入煤矸石和剩余部分水形成煤矸石悬浮似膏体，通过管道向井下充填区自流输送充填采场。

所述充填管路上接入压风或进水装置，似膏体通过管道输送充填前，先用水进行引流，然后向管道内输入似膏体。

似膏体通过管道输送充填前，先用水进行引流，然后向管道道内输入水泥、粉煤灰和水制成的浆体，再输入似膏体，所述管道通过水平巷道时，管道始终向下倾斜布设。

所述采场的采煤工作面与充填区间设置充填隔墙，充填隔墙与回采工作面间留有空间，该空区的跨度最大为9.6m，充填跨距为6.4m。

所述采场采用煤矸石作为充填隔墙，隔墙间充填似膏体。

所述似膏体充填完毕后，用清水进行管道清洗，清洗水排放入非充填区沉降。

一种煤矿采场似膏体自流充填工艺所使用的似膏体，其特征在于所述似膏体是由水泥、粉煤灰、煤矸石按如下质量比组成的含水量为25～28％的似膏体：水泥∶粉煤灰∶煤矸石＝1∶2～4∶15～16。

所述煤矸石是经过破碎或者细碎加工得到的粒度小于5mm的煤矸石颗粒，所述煤矸石包括陶化煤矸石和新鲜煤矸石。

所述的似膏体中还添加有减水剂，减水剂的添加量为水泥和粉煤灰干料总量之和的1.0～1.5％。

煤矸石是煤矿生产和加工过程中产生的固体废弃物，是无机质和少量有机质的混合物。煤矸石的主要化学成分是SiO₂、Al₂O₃和碳。煤矸石的化学成分不稳定，不同地区的煤矸石成分变化较大。每年的煤矸石排放量相当于煤炭产量的10％左右，是我国排放量最大的工业废渣。我国煤矸石的总积存量已达41亿吨，并每年以1亿吨的速度增长。煤矸石长期堆存，不仅占用大量土地，而且容易造成自燃，污染大气和地下水质。煤矸石所含有的残留煤、有机质及软岩等成分对其工程性能具有较大影响。氧化环境下软岩的风化崩解、残留煤的自燃、有机质的灰化或渗水后软岩的泥化，以及煤矸石成分的化学分解都会改变其密度和结构形态，这使煤矸石的工程应用范围受到很大限制。虽然煤矸石作为工程充填材料利用对防风化和防渗处理有较高的要求，但作为煤矿井下充填材料时，利用井下的潮湿及充填采场的相对封闭性，可以有效地防止煤矸石有灰化现象。发明人经过对粉碎后的煤矸石进行室内模拟直剪实验，在相同含水量的条件下，煤矸石的内摩擦角随密实程度的增大而增大，而内聚力却基本不变。另一方面煤矸石具有较高的运输磨损性，但通过在破碎或细碎的煤矸石中添加粉煤灰可以得到很大改善。煤矸石可以分为经过破碎厂细碎或破碎的陶化煤矸石和新鲜煤矸石，该两种煤矸石的粒度分布有很大的差异，但可以通过粉煤灰的加入，都可以适用于似膏体的制备。为保证似膏体的悬浮性和流动性，一般要求煤矸石的最大颗粒粒径即粒度不能超过5mm，通常的制备方法是对破碎或细碎加工后的煤矸石或陶化煤矸石进行筛选得到。

粉煤灰是燃煤电厂主要的固体废料，年排放量超过7000万吨。粉煤灰加入到混凝土中能降低水泥浆体中Ca(OH)₂结晶指数，对混凝土的界面结构有改善作用，同时在充填似膏体中加入粉煤灰可以改善管道输送浆体的流动性能和充填骨料的悬浮性能，有效提高充填体的后期强度，降低水泥单耗和充填体材料成本。

本发明中的似膏体采用水泥、煤矸石和粉煤灰作为干料组分，干料组分的质量浓度控制在70％以上，该似膏体体系的水化反应是一个分阶段、多层次的水化反应过程。首先是水泥水化期，分为两个层次，第一是体系加水成浆到浆体失去流动性，约3天的时间，第二是浆体终凝后10天左右的时间，水泥基本上都形成了氢氧化钙胶体或晶体。其次是水硬期，包括硅化和扩散期，时间大约14～30天左右。硅化是指粉煤灰颗粒受碱性包围层的侵蚀，其中的硅酸根负离子团和钙离子开始结合，在颗粒表层生成C-S-H凝胶。扩散期是粉煤灰表面形成的凝胶中的钙离子向粉煤灰内部扩散，形成一定的C-S-H过渡层。最后是强度期，包括胶化和稳定期，胶化期是C-S-H形成的主要时期，强度增加较大，大约为第30～90天。稳定期是指90天以后的时期，此时充填体的强度增加较慢，主要是各种水化物之间的相互影响和转化。该似膏体在流变特性方面类似于膏体结构流，所以称之为似膏体。该似膏体胶结充填除了具有膏体充填固有的高悬浮性、低脱水率、低管道摩损等优点外，还具有良好的流动性能，完全满足管道自流输送要求。

为了改善似膏体的浆体和易性，提高其质量浓度和充填后的强度，降低管道磨损，在似膏体中可以加入碱水剂，该碱水剂可以是常规普通混凝土减水剂，如木质素磺酸盐、碱木素、磺化腐殖酸钠等，还可以是高效减水剂，如甲基萘磺酸盐、萘磺酸盐、多萘磺酸盐、β-萘磺酸甲醛缩合物钠盐、古玛隆-茚树脂、磺化三聚氰胺甲醛树脂等。

在煤矿采场似膏体自流充填过程中，虽然粉煤灰能够有效抑制骨料沉淀，明显改善浆体流动性能，减少泌水率，但是在实际充填过程中，由于充填各组分在搅拌桶内搅拌的时间较短，煤矸石比重相对较大，如果水泥、粉煤灰、煤矸石同时加入搅拌桶，在混合料搅拌均匀之前，煤矸石实际已经先行沉淀，粉煤灰的悬浮作用不能得到充分发挥。为此，可以通过调整各充填组分的下料顺序，达到降低煤矸石沉降速度的目的。具体而言，首先要添加粉煤灰、水泥和水，待形成稳定的高粘度细粒浆体后，再添加煤矸石，由于此时煤矸石是在高粘度、高体积浓度、高密度的浆体内沉降，其沉降速度明显得到抑制。在管道自流输送过程中，也可以完全保证煤矸石颗粒处于悬浮状态，实现自流充填。

由于煤矿的开采步距为一定的，因此在进行采场似膏体充填中，如果采用采一充一，充填次数增多，不仅充填效率和开采效率降低，如果引流或洗管时需要大量的引流水和洗管水引入井下，影响充填体固化，增加排水负担。因此在保证安全的条件下，使开采工作面与充填体间为最大允许空区跨度。一般该空区的跨度最大为9.6m，合理充填跨距为6.4m。另外，在采场进行似膏体充填时利用井下煤矸石进行非胶结干式筑墙隔离，和似膏体管道自流充填交替进行，既减少了煤矸石出窿量，降低了煤矸石的提升费用和充填成本，又简化了采场滤水墙的构筑工艺。

充填倍线对采场区管道的出口似膏体的压力影响较大，充填倍线过小时，出口浆体压力过大，管道磨损严重，采场充填难度加大，此时应适当降低充填流量；倍线过大，似膏体流速降低，煤矸石颗粒容易沉淀，造成管道堵塞，此时应适当提高似膏体流量。另外为防止似膏体在管道内反向输送和充填，管道在通过水平巷道时，布设应最好保证有一定的下向坡度。

本发明的有益效果在于，该煤矿采场似膏体自流充填工艺利用煤矸石作为主要充填原料，采用自流充填工艺，充填质量高适应性强，充填成本低，可以用于城镇地下煤层的开采，并降低煤矸石对地上环境的污染和影响。该工艺所采用的似膏体的干料组分含量高，泌水率低，形成的充填体的强度高。本发明可以广泛的适用于各种煤矿的井下采场的充填处理。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的阐述。

图1是本发明实施例中该充填工艺的流程图。

具体实施方式

实施例1以普通硅酸盐水泥、粉煤灰和煤矸石作为似膏体的干组分进行似膏体的配制，其中煤矸石分别采用破碎后经筛选的粒度小于5mm的陶化煤矸石(简称陶矸)，以及经过粗碎和细碎后筛选的粒度小于5mm的新鲜煤矸石(简称新矸1和新矸2)，三种煤矸石和粉煤灰的粒级组成见表1，其主要物理力学测定结果见表2。

表1不同填料组分的粒径百分比组成

 填料 名称   5～2    mm  2～0.5    mm    0.5～0.25       mm   0.25～0.075       mm  0.075～0.05      mm   0.05～0.005       mm ＜0.005    mm 陶矸   12.0   33.0     15.0     20.0     5.0     13.5   1.5 新矸1   77.0   10.0     2.0     1.0     2.0     7.5   0.5 新矸2   16.0   31.5     13.5     16.5     5.5     16.5   0.5 粉煤灰    -    -       -       -     11.0     87.0   2.0

表2不同填料组分的物理力学性能

  填料组分    名称   密度  吨/m³    渗透系数      cm/s 最小松散容重     g/cm³   水上  休止角     水下    休止角  陶矸   2.74   2.01×10^-3     1.16   35.0°    29.2°  新矸1   2.59   0.05     1.22   37.2°    34.9°  新矸2   2.65   7.62×10^-3     1.41   38.6°    31.5°  粉煤灰   2.44   4.82×10^-4     0.52   45.0°    26.5

测定结果表明，破碎后的新鲜煤矸石(简称新矸1)的粒级较粗，不均匀系数高达50以上，应当存在充填管道输送特性较差的影响。新矸2和陶矸的粒度相对较细，但不均匀系数也较高，虽然管道输送特性要高于新矸1，但破碎成本相对较高。新矸1的渗透系数明显高于新矸2和陶矸，有利于似膏体的脱水和快速硬化，但如果输送浓度达到70％以上并添加粉煤灰，新矸2和陶矸也能满足要求。粉煤灰粒径细，渗透系数小，并且其氧化硅和氧化铝的含量较高，具有一定的潜在胶结性能，可作为水泥的代用品替代部分水泥，提高似膏体的后期强度。

总体而言，经破碎或细碎后的陶矸和新鲜煤矸石的粒级组成虽然有很大差异，但利用粉煤灰进行添加改良后，其流动性能将大大提高，都能满足制备似膏体的需要。

在常温下用上述煤矸石、粉煤灰和普通硅酸盐水泥制备似膏体，制浆水采用地下水，其原料配比情况见表3。其中碱水剂选用磺化腐植酸钠，减水剂用量为干料组分总量的质量百分比。

表3不同似膏体制备的物料配比情况

  样品  编号 水泥∶粉煤灰∶     煤矸石 煤矸石类型  质量浓度    ％ 减水剂用量     ％   1   1∶2∶16   新矸1    72    0   2   1∶2∶20   新矸1    75    1.5   3   1∶2∶20   新矸2    72    0   4   1∶2∶20   陶矸    72    0   5   1∶3∶25   新矸1    72    0   6   1∶4∶15   新矸1    72    0   7   1∶4∶15   陶矸    75    1.5   8   1∶4∶15   新矸2    75    1.5   9   1∶10∶30   新矸1    72    1.5   10   0∶1∶3   陶矸    72    1.5

用似高体制备出试验模型，试验模具采用7.07×7.07×7.07cm标准三联试模，每一样品制成9个试块，脱模后常温养护，并在养护第7天、第28天和第60天测试其单轴抗压强度。主要测定结果平均值情况见表4。

表4不同似膏体的试样测定结果

  样品编号  第7天强度     Mpa  第28天强度、     Mpa 第60天强度    Mpa  泌水率    ％    1    0.57    0.74    1.10    1.2    2    0.42    0.50    0.75    2.9    3    0.44    0.67    1.00    2.7    4    0.65    0.70    1.16    2.3    5    0.13    0.20    0.24     -    6    0.28    0.43    0.88    2.4    7    1.15    1.41    2.42     -    8    1.11    1.33    2.02     -    9     -    0.11    0.24    15    10     -    0.15    0.30    6.25

根据上表中测定的各试样的强度特性，综合考虑经济和技术两方面，得出如下结论：

陶化煤矸石作为骨料的充填体早期强度明显高于新鲜煤矸石作为骨料的充填体，而细粒新鲜煤矸石(新矸2)优于粗粒新鲜煤矸石(新矸1)。煤矸石陶化后具有一定的胶凝特性，而同为新鲜煤矸石的新矸1和新矸2由于粒径较细，充填体更容易密实。总而言之，上述三种煤矸石都可适用于充填似膏体的制备和管道输送自流充填。

添加粉煤灰后可以有效抑制骨料沉淀，明显改善浆体流动性能，减少泌水率；添加减水剂可明显改善浆体和易性，有利于提高充填体质量浓度和强度，还可降低管道磨损。不添加水泥的试块在早期难以自立。

发明人又绘制了胶结充填体的应力-应变曲线并进行分析，发现充填体具有较高的残余强度，即充填体最大强度极限后仍能维持一定的承载性能，说明该充填体的性能比较优越。

实施例2应用实施例1制备的似膏体进行管道直流充填试验，管道选用75mm内径的陶瓷复合管，管道通过水平巷道时，管道始终向下倾斜布设。采煤工作面与充填区间设置充填隔墙，充填隔墙与回采工作面间留有空间，该空区的跨度最大为9.6m，充填跨距为6.4m。充填体积为80m³。充填浆体的流速为2.5m/s，充填能力为24m³/h。充填物料各组分用量为水泥7吨，煤矸石105吨，粉煤灰28吨，减水剂350kg，水(含引流和清洗管路用水)80吨。

如图1，配置似膏体时，先将水泥和粉煤灰分别用星形给料机和螺旋输送机连续给料，在输送管道的下料口上端设置两个搅拌桶，第一搅拌桶内按比例连续加入水泥、粉煤灰、部分水和减水剂，搅拌混合形成浆体，然后输送到第二搅拌桶，第二搅拌桶内连续加入煤矸石颗粒和剩下的水，煤矸石由圆盘给料机给料，皮带输送机运输送入第二搅拌桶内，搅拌混合形成煤矸石悬浮体注入输送管道，向井下自流输送。

充填前，先由清水引流，待管路下端的出浆口流出清水后，再开始下料，充填结束后用清水洗管。

经观测，充填过程中似膏流动性能较好，充填结束后充填体在短时间内即可自立，承载能力优异，完全符合采场充填各项性能指标的要求。