论固体废物充填

1、固体废物膏体充填不迁村采煤周华强1，侯朝炯1，孙希奎2,瞿群迪1，陈德俊3(1.中国矿业大学能源科学与工程学院，江苏徐州，221008；2.淄博矿业集团有限责任公司，山东淄博，255120；3.济宁矿业集团太平煤矿，山东济宁，273500)摘要：对比分析了村庄压煤采用传统迁村开采、条带开采存在的问题，以及采用固体废物膏体 充填不迁村采煤的技术优越性，阐明我国煤矿发展固体废物膏体充填的重要意义。提出五种不 迁村膏体充填采煤方法。分析煤矿膏体充填的特殊性，介绍了专门为煤矿膏体充填研究的二种 膏体胶结料，并指出了膏体充填不迁村采煤技术的研究方向。关键词：固体废物；膏体充填；不迁村采煤中图分类号：TD

2、823.7文献标识码：ASolid Waste Paste Filling forNone-village-relocation Coal ExtractionZHOU Hua-qiangi, HOU Chao-jiongi, SUN Xi-kui2, QU Qun-dii, CHEN De-jun3(l.College of Mineral and Energy Resources, CUMT, Xuzhou, Jiangsu 221008, P.R.China;2.Zibo Mining Group Co., Zibo, Shandong 255120, P.R.China;3.Taipi

3、ng Colliery, Jining Mining Group Co., Jining, Shandong 273500, P.R.China)Abstract: Compared with traditional strip mining and village-relocation mining, the advantage of using solid waste paste filling to realize none-village-relocation coal extraction is analyzed. The importance for China to develo

4、p solid waste paste filling technology in coal mine is clarified. Then, the related five methods of solid waste paste filling are put forward. The particularity of paste filling in coal mine is analyzed. The research results of two kinds of cementitious material for coal mine paste filling are intro

5、duced. At the end, the research direction of solid waste paste filling for none-village-relocation coal extraction is discussed.Key words: solid waste; paste filling; none-village-relocation coal extraction所谓固体废物膏体充填不迁村采煤，就是把煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、劣质 土、城市固体垃圾等在地面加工制作成不需要脱水处理的牙膏状浆体，采用充填泵或重力加压， 通过管道输送到井下，适

6、时充填采空区或离层区，形成以膏体充填体为主的上覆岩层支撑体系， 有效控制地表沉陷在建筑物允许值范围内，实现村庄不搬迁，安全开采建筑物下压煤，保护矿 区生态环境和地下水资源。固体废物膏体充填是煤矿绿色开采技术的重要组成部分1。膏体充填技术在国外金属矿山已经有20多年的发展历史。世界上首次膏体充填试验是1979 年在德国格伦德铅锌矿(Bed Grund Lead and Zinc Mine)进行的。试验成功以后，膏体充填技术 在澳大利亚、奥地利、加拿大、英国、摩洛哥、葡萄牙、俄罗斯、南非、美国等国家得到了推 广应用。国内金川有色金属公司二矿区、大冶有色金属公司铜绿山矿近年成功试验并应用了膏体充填技

7、术。但是，在我国煤炭系统，固体废物膏体充填技术目前还处于研究阶段，煤矿不迁 村膏体充填与金属矿山膏体充填相比，在充填材料、充填目的和充填要求等方面均不相同，本 文就煤矿膏体充填不迁村采煤技术的若干重大问题进行了分析研究，以期对此项技术的研究与 发展有所裨益。1固体废物膏体充填不迁村采煤的意义1.1我国急需发展新的不迁村采煤方法村庄等建筑物下采煤一直是困扰我国煤矿生产正常接续和持续发展的重大问题。特别是我 国东部地区，人口多，村庄密度大，村庄压煤尤为严重。以山东省为例，截止2001年底，山东 全省村庄等建筑物下压煤达44亿t，占可采煤量的53%（倪永康，2002）。前些年资源充足时， 一般都尽量

8、绕过村庄开采，现在资源越来越少，如果村庄压煤开采解决不好，许多矿井将难以 维持生产正常接续，面临过早停产报废的被动局面，影响地方经济健康稳定发展和矿区职工的 生产生活。长期以来，我国煤矿村庄压煤主要采用迁村或条带开采的方法进行开采，这两种方法已经 越来越难以满足村庄压煤开采的需要。采用迁村法开采村庄压煤，不需要改变采煤方法与工艺， 煤炭采出率较高，但是存在以下问题：其一，村庄搬迁成本不断上升，经济上使煤矿越来越难 以承受。如，迁村采煤在兖州矿区吨煤增加成本高者已达20元/t，将来还会更高。其二，迁村 需要新占大量土地，使本已严重的人多地少的矛盾更加突出。其三，开采过程中对上覆岩层及 地表造成严

9、重破坏，破坏土地，甚至导致大量地下水流失。其四，迁村选址越来越困难，许多 矿井搬迁距离大于56 km，有的甚至达到10 km，超出了原来耕作半径，给农民带来许多生产 和生活的不便，农民不愿意搬迁，引发复杂的工农矛盾。其五，迁村过程耗费时间长，通常搬 迁一个村庄需要数年时间。采用条带开采，虽然能够实现不迁村采煤，但是煤炭采出率低，一 般条件下只有4060 %，在厚煤层、薄基岩条件下采用条带开采，采出率更低，如山东太平煤矿 在煤层厚度8 m，大部分基岩厚度小于40 m条件下，采用条带开采，采出率只有15 %左右，资 源浪费十分严重。所以，我国急需发展新的不迁村采煤方法。新的不迁村采煤方法应该具有高

10、产、高效、高 采出率、环保、安全的技术特征。1.2膏体充填的特点与技术优势与煤矿曾经采用过的普通水砂充填等比较，膏体充填材料具有以下特点：（1） 浓度高 一般膏体充填材料质量浓度75 %，目前最高浓度达到88 %。而普通水砂充 填材料浓度低于65 %，如，我国阜新矿区水砂充填水砂比，新平安矿为2.7:15.3:1，新邱一坑 为1.2:12.1:1，高德八坑为2:1，按照质量浓度小于50%。3（2）流动状态为柱塞结构流普通水砂充填料浆管道输送过程中呈典型的两相紊流特征， 管道横截面上浆体的流速为抛物线分布，从管道中心到管壁，流速逐渐由大减小为零，而膏体 充填料浆在管道中基本是整体平推运动，管道横

11、截面上的浆体基本上以相同的流速流动，称之 为柱塞结构流。（3）料浆基本不沉淀、不泌水、不离析膏体充填材料这个特点非常重要，可以降低凝结 前的隔离要求，使充填工作面不需要复杂的过滤排水设施，也避免或减少了充填水对工作面的 影响，充填密实程度高。而普通水砂充填，除大部分充填水需要过滤排走以外，常常还在排水 的同时带出大量的固体颗粒，其量高者达40 %，只在少数情况下低于15 %，产生繁重的沉淀清 理工作。4（4）无临界流速 最大颗粒料粒径达到2535 mm,流速小于1 m/s仍然能够正常输送， 所以，膏体充填所用的煤矸石等物料只要破碎加工即可，可降低材料加工费，低速输送能够减 少管道磨损。（5）相

12、同胶结料用量下强度较高可降低价格较贵的胶结料用量，降低材料成本。由于膏体充填材料具备上述特点，固体废物膏体不仅能够解决不迁村采煤，而且可以取得 比传统水砂充填开采更好的效果，一方面，不需要复杂的过滤排水设施，充填系统简单，维护 工程量少，另一方面，充填效率高，充填密实程度高，有利于提高控制覆岩沉降效果，再则膏 体充填工作面环境没有大量充填水滤排的影响，有利于采煤机械化的应用，还有采用固体废物 作充填料，固体废物膏体充填完全有条件发展成为高产、高效、高采出率、环保、安全的不迁 村采煤技术。1.3膏体充填为固体废物资源化利用开辟新途径长期以来，我国煤矿采用垮落法开采，开采的过程中除造成土地资源的沉

13、陷破坏外，还排 放大量的煤矸石等固体废物，对环境造成五个方面的危害，包括侵占土地、污染土壤、污染水 体、污染大气和影响环境卫生。5据统计，2002年全国工业固体废物产生量为9.5亿t，综合利 用率只有52.0 %，多年固体废物产大于用，已经累计堆积了近100亿t固体废物，占用和污染 了上100万ha的土地。固体废物膏体充填不迁村采煤试验成功以后，是一项固体废物需要量巨大的工程。以一个 年产30万t的工作面全部充填开采为例，年充填需要的固体废物相当于一个200万t矿井一年 的排矸量，这为固体废物资源化利用开辟一条新途径，对环境保护具有重要的意义。1.4膏体充填还可以解决许多其它开采环境与安全问题

14、固体废物膏体充填除能够实现不迁村采煤以外，还可用以解决以下开采环境与安全问题：（1）铁路下、水体下、水体上采煤；（2）提高开采上限，防治顶板透水和溃砂事故；（3）防止采空区上方含水层破坏，实现保水采煤；（4）坚硬顶板煤层开采安全；（5）深井开采，防治冲击地压。2不迁村采煤固体废物膏体充填方法村庄等建筑物不搬迁安全采煤的原则是：受开采影响后大部分建筑物不维修或小修，少部 分建筑物经中修和个别经大修能满足安全使用要求，开采引起的地表变形控制在下列范围内： 水平变形2.0 mm/m，曲率K0.2x10-3/m，倾斜i 3.0mm/m。6煤层厚度、开采深度、覆岩条 件和表土层厚度等开采条件不同，达到上

15、述村庄等建筑物不搬迁安全采煤所要求的开采下沉系 数不尽相同，对固体废物膏体充填的要求也不一样，可以选择不同的充填方法。根据采煤工作面采空区膏体充填程度、充填地点和工作面布置方式的不同，不迁村采煤固 体废物膏体充填可归纳为以下5种方法：（1）全采全充法 在村庄压煤范围内每一个回采工作面都采用膏体充填开采，随着回采工 作面向前推进，在直接顶板尚未垮落之前，即用胶结性固体废物膏体材料把工作面后方的采空 区全部充填起来。全采全充法控制覆岩及地表变形效果最好，充填量大，一般适用于村庄下厚 煤层分层开采，或同时要求提高开采上限等条件。（2）短壁间隔充填法在村庄压煤范围内，采煤工作面布置成短壁条带工作面开采

16、，每两 个短壁开采条带安排一个工作面后方全部采用胶结性固体废物膏体充填，另外一个工作面采用 一般的垮落法管理顶板。短壁开采条带之间保留窄煤柱，形成一个以膏体充填体、关键孱、窄 煤柱构成的支撑体系，控制覆岩和地表变形，达到保护村庄等建筑物的目的。短壁间隔充填法 是一种部分充填的方法，充填量较少，有利于降低充填成本，一般适用于基岩较厚的薄及中厚 煤层条件。（3）长壁间隔充填法该方法指在村庄压煤范围内，采用长壁工作面开采，随着工作面推 进，在工作面后方用胶结性的固体废物膏体材料构筑数个沿工作面推进方向的充填条带，充填 条带之间的空间不充填或部分充填。长壁间隔充填法也是一种部分充填方法，支撑体系为充填

17、 体、关键层，适用条件与短壁间隔充填法类似。（4）冒落区充填法该方法把充填管道布置到采煤工作面冒落区底板，充填管随工作面推 进拖动前移，在顶板冒落矸石未压实之前把非胶结性固体废物膏体料浆压入矸石空隙，达到减 少覆岩和地表变形、保护村庄等建筑物的目的。冒落区充填法不需要隔离措施，也不需要胶结 料，有利于降低充填材料成本，德国Wallsum、Monopol等数个煤矿曾经在薄煤层回采工作面 后方冒落矸石还未压实之前向采空区充填固体废物膏体，这种方法减沉效果有限，地表下沉系 数为0.300.40。同9所以，冒落区充填法一般适用于采深较大的薄及中厚煤层条件。（5）离层区膏体充填法 该方法是把非胶结性的固

18、体废物膏体料浆通过钻孔充填到回采工 作面上方离层区，达到减少覆岩和地表变形，保护村庄等建筑物的目的。与目前普通粉煤灰离 层区注浆比较，采用离层区膏体充填方法将大幅度减少浆体中水的流失，充填量少，减沉效果 明显改善。离层区膏体充填法一般实用于覆岩有厚层关键层，采深较大的薄及中厚煤层。3关于固体废物膏体充填不迁村采煤的研究与发展固体废物膏体充填不迁村采煤技术主要由三部分组成，即膏体充填材料、充填设备与工艺、 采动岩层充填控制理论。由于固体废物膏体充填在我国煤矿还处于发展的初期阶段，有关作用 的认识需要进一步提高，所以充填采矿经济环境评价方法也是一个重要的方面。3.1煤矿固体废物膏体充填材料国内外金

19、属矿山膏体充填材料一般使用普通水泥为胶结料，利用尾砂作集料，有的还掺加 部分粉煤灰改善充填材料性能。如，金川二矿区膏体充填材料由普通水泥、粉煤灰、棒磨砂、 尾砂和水组成，水泥用量200220 kg/m3，质量浓度8083 %，充填成本为84.8元/m3，其中材 料总费用占91.6 %，胶结料费用占59.0 %。与金属矿膏体充填比较，煤矿膏体充填对材料的 要求具有以下特点：（1）成本要求更低。目前煤矿可以接受的充填开采的吨煤增加成本在20元/t左右，如果 全部充填，每立方米充填体费用需要控制在2530元/m3，比金属矿山充填可接受的成本低一半 以上。（2）煤矿膏体充填没有如金属矿山那样有质量比较

20、稳定的尾砂作集料，煤矿附近能够用作 充填的原材料常常是煤矸石、粉煤灰等固体废物，物料成分复杂、变化大。（3）早期强度要求高。全采全充法、短壁间隔充填法、长壁间隔充填法都是紧随回采工作 面边采边充填，充填数小时以后膏体充填体必须有一定强度，达到脱模条件，保持自稳，并能 够对顶板有适当的支撑作用。要满足上述要求，必须研究成本低、性能好、能够在掺量极少的条件下正常固结各种含泥 量的煤矸石等固体废物的专用膏体胶结料，使固体废物只需适当破碎加工即能够应用，这是发 展固体废物膏体充填不迁村采煤技术的前提。作者所在的研究小组针对煤矿固体废物膏体充填的需要，初步研制出了PL、SL两个系列膏 体胶结料，其中，P

21、L是为满足没有生产胶结料所需炉渣原料的煤矿充填需要而研制的，它是以普通水泥或普通水泥熟料为基材的一类复合材料，而SL则是以炉渣为基材的一类材料。PL、SL 两个系列膏体胶结料配制原理上是一致的，充分利用了中国矿业大学“七五”、“八五”期间 高水充填材料的研究基础，通过科学配制，使PL、SL两个系列膏体胶结料加水混合以后，在凝 结的初期快速水化生成适当量细针状的高结晶水水化物一钙矶石，从而达到速凝、早强的效果; 在凝结的中期和后期，充分激发和利用炉渣等材料的火山灰活性，水化生产硅酸钙凝胶等胶凝 物质，克服了高水充填材料后期强度增长不大的不足，具有后期强度持续增长的特点，保证后 期强度的需要。以太

22、平煤矿为例，该矿六北采区开采3下煤层，煤层厚度7.49.0 m，平均倾角7.4。，埋深 160220m，覆岩基岩薄，多数基岩厚度小于40m，地表有四个村庄，共有村民1000多户，同时 存在村庄下采煤和提高开采上限问题，针对此情况，作者提出采用PL或SL膏体胶结料和泗河 特细砂进行厚煤层不迁村分层膏体充填，PL或SL膏体胶结料仅用50 kg/m3,粉煤灰用量250 kg/m3,充填材料凝结数小时即有强度，28天固结体强度可以达到1.41.7MPa，预计充填成本为 27元/m3左右，技术上和经济上均能够满足不迁村采煤工程的需要。3.2膏体充填设备与工艺斜皮带斜皮带散装车散装车6mm, |煤矿不迁村

23、采煤固体废物膏体充填工艺流程包括物料准备、膏体拌制、膏体泵送和采场充 填等四大部分，图1是作者为某矿设计的膏体充填系统工艺流程。料浆斗一破机水池料仓料仓料仓料仓水泵支带机皮带机螺旋机螺旋机称量斗称量斗称量斗称量斗称量斗搅拌机图1煤矿膏体充填工艺流程Fig.1 Process flowsheet of paste filling in coal mine刘同有等（2001）总结了国内外金属矿山膏体充填工艺。与金属矿山膏体充填工艺比较， 煤矿没有尾砂，一般采用长壁或短壁等壁式开采方法，为了有效控制开采沉陷，煤矿对采场充 填的要求也不同于金属矿山，所以金属矿山膏体充填工艺并不能直接应用于煤矿，发展煤

24、矿膏 体充填不迁村采煤技术，在充分借鉴国内外金属矿山膏体充填工艺技术的同时，必须根据煤矿 原材料的特点、井下采煤工作面布置方式、以及不迁村采煤对覆岩沉陷控制要求进行创新，逐 渐形成适合煤矿特点的膏体充填工艺。在发展煤矿膏体充填工艺方面，除学习国内外金属矿山的经验外，还应该充分借鉴国内外 商品混凝土搅拌站（楼）技术。金属矿山膏体充填所用的泵送设备与一般的商品混凝土泵结构 原理是一致的，主要区别是充填泵的泵送部分一般与液压动力部分是分开的，充填泵的活塞直 径较大、行程较长，更适应长期长时运行。国内目前还没有成熟的适合矿山膏体充填的泵送设 备，但是，经过多年的引进与开发，我国商品混凝土搅拌与泵送设备

25、已经成熟，在煤矿膏体充 填的发展初期，可以先利用国内现有商品混凝土搅拌机和拖式混凝土泵进行试验，把主要精力 放在解决其它技术问题方面，待膏体充填不迁村采煤试验成功以后，再逐渐发展适合煤矿充填 的专用设备，以进一步提高充填效率、减少充填运行费用。当前，煤矿膏体充填工艺研究的重点是膏体浆液泵送性能试验和采场充填方法。采场充填 方法方面主要需要研究的是充填模板、充填支架、工作面充填管道布料、管道系统冲洗技术等。3.3采动岩层充填控制理论采动岩层充填控制理论研究是正确选择充填方法、充填材料性能要求的基础与依据，也是 最大限度降低充填费用的一个重要方面。通过采动岩层充填控制理论的研究，充分利用上覆岩 层

26、关键层的作用，在保证不迁村，保护地表建筑物安全的前提下，在有条件的地方尽量采用部 分充填，通过减少充填量降低充填成本。采动岩层充填控制理论研究的是有充填体参与作用条件下的采空区上覆岩层与地表变形破 坏与采矿活动和充填活动的关系规律，区别于传统垮落法开采的岩层控制问题。虽然充填开采， 特别是水砂充填，在国内外煤矿已经有几十年的历史，但是，关于采动岩层充填控制理论研究 还是比较缺乏，发展固体废物膏体充填不迁村采煤，需要深入开展以下内容的研究：（1）不同膏体充填条件下，采场围岩受力环境与变形破坏过程规律；（2）膏体充填工作面支架受力特征及其随工作面推进的变化规律；（3）不同膏体充填条件下，充填工作面

27、上覆岩层与地表变形破坏规律及其预测；（4）充填体、窄煤柱、关键层支撑体系承载能力及其长期稳定性；（5）膏体充填体压实后的抗压入能力；（6）膏体充填材料力学性能；（7）膏体充填参数选择设计方法。3.4充填采矿经济环境评价充填采矿的经济环境效益评价是固体废物不迁村采煤技术体系中一个重要方面。虽然，环 境保护、矿产资源的充分利用在我国得到越来越多的重视，但是，目前有关的政策还是不够完 备，调控开采环境的保护、矿产资源的破坏与浪费的政策力度还不够，煤矿往往不需要为资源 的过多耗费，以及开采对当地土地资源、地下水资源和生态环境得长期不良影响付出足够的成 本，这些不利于旨在提高煤炭资源采出率、保护地表村庄

28、及生态环境不受采动破坏的固体废物 不迁村采煤技术的发展。所以，当前，强调充填采矿经济环境研究尤为重要，通过有关研究， 可以向政府相关部门提出有关矿产资源开采费、土地占用与补偿收费、污水排放收费、固体废 物排放收费等政策的科学建议，营造必要的政策环境，推动固体废物膏体充填不迁村采煤技术 的发展，促进煤炭资源绿色开采。充填采矿经济环境评价首先是全认识充填采矿的全面作用。煤矿采用固体废物膏体充填实现不迁村采煤，需要投入的费用包括膏体充填系统建设费用、膏体充填材料费用、膏体充填运 行费用和少量的地面村庄房屋的维修费用，而获益方面不仅是节省了村庄搬迁费用，还体现在 以下方面：提高煤炭资源采出率，减少排水费用，减少巷道与工作面维护费用，减少固体废物 排放费用，减少采空区防灭火工程费用。有冲击地压发生危险得矿井，采用膏体充填以后，明 显降低采场周围集中应力，对防治冲击地压十分有利。4结束语固体废物膏体充填不迁村采煤是解决我国东部地区村庄压煤开采问题的新技术发展方向， 也是解决我国西部缺水地区保水采煤的重要技术途径。虽然，膏体充填技术在国内外金属矿山 已经有多年的应用历史，但是，在我国煤矿还没有试验膏体充填的先例。与金属矿山膏体充填 相比，因为充填成本要求更低、对地表开采沉陷的控制要求高，所以技术难度大，非常具有挑 战性、风险性和开