煤矿充填体材料的性能及应用

煤矿充填体材料的性能及应用

Summary：本文回顾了煤矿表土倾倒材料在榆林地区煤矿深层开采产生的地下空洞中回填的应用。回填，通常称为堆填，通过防止地面沉降、减少矿井火灾和通过增加煤柱开采来提高煤炭产量，从而提供地面稳定性。不同的材料已用于回填地下矿山孔隙，如河砂、粉煤灰、矿山尾矿和铸造废砂。近几十年来，由于一些新的采矿立法及其对基础设施发展的巨大需求，榆林的煤炭开采行业面临着河砂稀缺的问题。现有的煤矿表土堆放场可能是砂的良好替代品，并提供可持续的采矿实践。需要进行岩土工程和物理化学表征，以评估充填体材料作为河砂替代品的适用性。Keys：充填体，煤矿，可持续，地面沉降一、前言2022年夏天持续的高温为电力行业提出了严峻的挑战，尤其是在干旱的条件下如何通过火电来补充水电资源的不足。因此需要大规模生产煤炭，以满足我国的能源需求。煤层位于沉积岩体表面之下或非常靠近表面。露天矿（爆破和挖掘）用于开采较浅的煤层，而较深的煤层则通过地下开采实践进行开采。露天采矿是一种占主导地位的采矿过程，会产生大量的岩石废料和有价值的矿物[1]。采矿过程中产生的废石材料称为矿山覆盖层。一般来说，露天开采而非地下开采的废石量更大。倾倒或管理这些矿山垃圾是采矿业面临的一大环境问题。这些废物大多在地表处置，这不可避免地需要进行广泛的规划和控制，以尽量减少采矿对环境的影响。露天采矿是一种发展性活动，它必然会受到多种采矿活动的破坏。在露天采矿过程中，上覆土壤被清除，破碎的岩石以覆盖层垃圾堆的形式堆积。倾倒废物垃圾场被认为是造成生态和环境退化的主要因素，如土壤侵蚀和环境污染[2]。目前，大多数倾倒废物材料都是在有价值的地块上临时处置的，这不可避免地需要进行广泛的规划和控制，以减少其对环境的影响。它还导致土地的非生产性使用和大气污染。与有价矿物一起生成的倾倒废物显示了一个称为剥采比的特定比率。随着地形的变化，它可能因地而异。地下开采过程中产生的矿山空隙应予以填充，否则可能会因上部地层塌陷而引起地面沉降。因此，为了提供地面支持，最大限度地减少地面沉降问题和矿山安全问题，回填是采矿的宝贵部分。河砂被广泛使用，因为它很容易获得且经济可行，最重要的是它的岩土特性。另一方面，过度开采可能会对河流生态系统以及附近土地的生产力产生负面影响[3]。这样，采矿业就面临着寻找其他材料替代河砂回填的挑战。二、回填技术的选择根据其物理和岩土特性，选择用于地下矿山空隙回填的替代材料。开发了不同的回填技术，如膏体回填、岩石回填和水力回填。据报道，泥浆回填和膏体回填的矿山循环时间周期存在明显差异[4]。不同的技术已在世界范围内成功地应用于矿山充填。以下是一些重要的技术。（1）机械回填机械回填技术涉及将输送机引入地下采矿作业，已用于废石回填和填充墙施工，且工作量较小，允许在地下快速放置材料。（2）气动回填气动回填技术涉及在空气压力下通过管道运输材料，并最终将材料倾倒在矿井空隙中。用于气动回填的材料必须干燥且自由流动。气动回填技术严格要求在目的地使用气压泵送材料。（3）膏体回填膏体回填是一种回填技术，固体含量高；这通常是在固体密度为75-88%（按重量计）的情况下进行的。这项技术的最佳部分是将大约100%的尾矿放在矿山空隙中。显著减少尾矿废料和降低修复成本是膏体回填的其他一些重要优势。矿山尾矿含有不同类型的矿物，如硫化物和黄铁矿，在空气和水的存在下不稳定，造成环境问题。Aref等人提出了设计高密度膏体回填系统的概念模型，该模型显示了回填材料的主要方面，以确定其来源、运输和放置要求，并应进行协调，以满足回填质量和进度要求。地下胶结膏体回填（CPB）是用于地下采场开采的膏体回填的重要组成部分。它不仅为矿柱和墙壁提供地面支撑，而且有助于防止坍塌和顶板坠落，并提高矿柱回收率，从而最终提高生产率。自支撑应力控制着回填设计，传统设计是要求单轴抗压强度（UCS）等于充填采场底部覆岩应力的独立墙。然而，在许多情况下，相邻岩壁实际上可以通过边界剪切和拱效应来支撑填土，而边界剪切和拱形效应相互支撑回填和岩壁。在回填采场中，当发生拱起时，由于水平压力传递，充填采场底部的垂直压力（类似于活板门）小于上覆填土的重量。矿山尾矿中的硫含量可能会导致酸性矿山排水（AMD），因此将矿山尾矿用作回填材料可以减少问题。膏体回填的优缺点优点有：由于早期开发了更高的抗压强度，因此采矿周期更短；减少了对同等或更好的浆体回填强度的粘合剂需求；高尾矿利用率，从而减少地表处置需求。其缺点主要有：需要优越的脱水设施和更高的技术精度以及管道压力增加。（4）液压回填（液压充填）液压充填或回填涉及使用泥浆或流体密度填充矿坑空隙，固体重量在55-75%之间，排水会损失多达30%的初始填充总量。水力填砂（HSS）是用于地下矿山空隙回填的最常用的矿山充填技术之一。砂浆从地面运输到地下矿山孔隙是液压充填的重要阶段之一。成功的泥浆运输取决于泥浆的物理和岩土特性数量。液压积载主要采用泵式运输和重力运输。重力运输是一种广泛使用的技术，它基于重力系统，通过垂直或倾斜斜槽、钻孔或管道向下移动材料。三、回填材料的选择在煤矿中，采用不同的材料作为矿山填充或回填材料。这主要包括粉煤灰、底灰、WFS、河砂、矿山尾矿等。回填材料必须具有某些特定的岩土和物理特性，以满足填筑要求，并且应具有经济效益（1）废铸造砂（WFS）作为回填材料废铸造砂是另一种用于矿山充填的河砂的良好替代品。早期，WFS已在不同部门实施，涉及基础设施工程和修复工程，如公路路堤施工和地基改良；所有这些废物的替代和有益利用既经济又环保。（2）粉煤灰作为回填材料火力发电厂产生大量粉煤灰。倾倒在灰池、附近的地块或河流中，对水质造成负面影响，并破坏附近的土地肥力。通常，它被用于土壤稳定、路堤材料、结构填料和灌浆。在地下矿山填土中使用粉煤灰可以提供地面沉降控制，从而有效稳定煤柱，并将沉降风险降至最低，以改善地层控制。通过膏体回填技术，60-70%的煤燃烧副产物（CCB）和煤加工废物可以注入地下矿山。粉煤灰与添加剂（如石灰和石膏）的混合物（按重量计，分别为15%–20%和0%–5%）可作为矿山空隙回填的良好替代材料。（3）矿山垃圾或废石作为回填材料。基于煤矿表土堆作为矿山回填材料的可能性，已经开展了多项研究。用矿山覆盖层或废石材料回填可替代河砂。利用这些附近的矿山覆盖层垃圾场作为地下矿山空隙中的回填材料可能是河砂的良好替代品。用倾倒废物材料回填地下矿洞不仅对环境恢复和采矿条件有重要意义，而且有利于处理采矿过程中产生的倾倒废物或废石。用矿山垃圾和废石回填还包括消除与地表处置相关的环境、健康、安全和社会问题但是，利用废弃材料作为填充，有许多需要注意的问题。主要有3.1材料的理化分析材料的物理化学性质在不同的方式中有其重要性，例如由于废弃材料中存在不同的元素而发生反应，废弃材料同时燃烧。氮（N）、磷（P）、硫（S）等的存在会对环境产生不同的化学反应。废弃材料材料中存在的各种元素可能会导致可用水源发生不同类型的化学变化，并导致可能因同时燃烧而造成一些大气污染。3.2物理和岩土特性需要测试许多岩土和物理特性，以检查任何材料在地下矿山空隙中回填的适用性。压实分析对于确定垃圾材料的含水量非常重要，这将达到以给定压实力压实的材料的最大干密度。它可以分析积载材料的潜力。对于两种不同的土壤样品，它可以提供一个指示，说明在通过任何方式压实后，哪种材料可以达到更高的密度，包括通过破坏矿顶和矿柱。四、总结本文简要概述了地下煤矿空洞回填的重要性。简要讨论了不同材料的优缺点和可能的替代材料。许多材料已被用于地下煤矿空洞的回填，以减少采矿问题，如沉降、冒顶、矿井火灾等。河砂是矿山充填中广泛使用的材料，但由于其在建筑部门的高需求，资源正在减少。因此，可以找到一种合适的材料，作为河砂的替代品，这种材料应该是生态友好和经济高效的。由于缺乏适当的管理，采矿活动中产生的废物长期临时倾倒在宝贵的土地上，并造成各种环境问题。这种倾倒材料可能是河砂的良好替代品。然而，在将废弃材料用于回填之前，需要对其重金属含量进行评估，以减少地下水中的浸出影响。因此，将废物用作回填材料将取代河砂，减少采砂对河流生态系统的负面影响，并确保可持续的采砂方法。Reference[1]王榕康.露天采矿矿山地质环境问题与治理研究[J].矿业装备,2