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1、高水充填材料的技术研究我国煤矿开采普遍采用自然垮落法管理顶板、处理采空区，已造成严重的环境问题，地表塌陷、建筑物压煤、地下水资源破坏、煤矸石环境污染等问题尤为突出。为适应可持续发展的要求，2003年，钱鸣高院士依据循环经济的思想，提出了“绿色开采”技术的概念，其基本内涵是防止或尽可能减轻煤炭开采对环境和其它资源的造成的不良影响，其目标是取得最佳的经济效益和社会效益，其中的主要内容就包括充填开采技术。一、 国内煤矿充填开采研究进展矿山充填有数百年的历史，但有计划的充填并作为一种技术发展在国外有近60年的历史，国内则是近40年的事，而且主要在金属矿发展的比较快和成熟。金属矿山充填经历了干式充填、水
2、砂充填、胶结充填和全尾砂胶结充填等四个发展阶段，国内煤矿的充填开采是在金属矿山充填开采的基础上发展而来的，分为膏体充填开采和高水充填开采。1、膏体充填开采国内投入较大，采用充填技术较早的是太平煤矿。该矿从2003年开始先后投入6000多万元，料浆制备和输送采用德国技术，以泗河河砂、电厂粉煤灰加专用胶结料和水配制成膏状料浆，泵送至井下充填空区。新矿集团的孙村煤矿则以破碎的陶化煤矸石经过粗碎和细碎后的新鲜煤矸石为主料，添加粉煤灰和早强剂配制成似膏体料浆，通过自流方式进行充填。河北邢台矿也进行了膏体充填的试验研究，充填主料为粉煤灰。该矿进行的另一项试验研究是半饱和矸石与粉煤灰充填。方法是将矸石与粉煤
3、灰以适当的比例混合后，通过投料系统、井下运输系统运至采煤工作面，再通过充填机充填到采空区，由捣实机进行捣实，达到解放建筑物下压煤并控制覆岩运动及地表沉陷的目的。从充填技术看，国内煤矿与金属矿有着显著的不同。一是大多选用膏体或似膏体充填，二是充填主料主要是煤矸石和粉煤灰。原因可能在于：一是膏体或似膏体充填在金属矿的应用比较成熟，二是煤矿充填区的挡墙制做和密封困难，膏体或似膏体充填的防渗堵漏压力小，一般的编织袋挡墙即可满足要求；三是煤矿没有金属矿的尾矿，但煤矸石排放量大，粉煤灰的资源不难获得。但这种充填方法存在三个突出问题：（1）充填料接顶困难，充填效果差。由于膏体或似膏体料浆流动性差，很难保证充
4、填均匀，尤其在部分顶板塌落后，充填效果更难保证。“接顶”本来就是充填的难题，对薄煤层空区充填，采充比自然偏大，难以达到控制地表沉陷的目的。（2）输送成本高。煤矿资源不像金属矿体那样相对集中在较小的范围，平面延展的范围通常很大，充填料需要长距离输送，不得不采用泵送方式的膏体或似膏体充填势必增加充填成本。（3）矸石破碎增加充填成本。为了满足制浆和输送要求，以矸石为充填主料的充填不得不采用破碎方式将矸石破碎或棒磨为碎细料，因而引起充填成本的提高。2、高水充填置换开采高水充填开采技术开始于20世纪 90年代，最初应用于国内的黄金矿，后不断推广应用在煤矿的高水巷旁充填支护。从20世纪 90年代开始，先后
5、在鹤壁、平顶山、开滦、淮北、邢台、峰峰等矿务局推广使用。由于高水充填巷旁支护速度快、施工方便、扩巷效果好、劳动强度低，曾给我国的巷旁支护技术带来了一场技术革命。 高水巷旁支护应用时，一般按水固比2.5：1制成甲、乙浆液，用灌浆泵双管路输送到采煤工作面后方，混合后进入保留巷道采空区一侧充填袋内，浆液在充填袋内凝结固化形成 0.71.0m宽巷旁充填支护带及时支护顶板、保护巷道。然而，这种高水材料生产及运输成本较高，其充填体强度还显略低，因此这项技术需进一步完善和提高。几乎同时，由徐州矿务局庞庄煤矿开发并应用的另一种高水充填材料则很好的解决了这一问题。该材料为高水灰渣充填材料，高水灰渣充填材料成本较
6、低，相对强度较高，抗风化性能较好。最近，这一技术由淄博王庄煤矿进行了改良，已成功得到应用。王庄煤矿开发的高水充填材料以粉煤灰为主料，以水泥、生石灰、石膏的混合物为固化剂，两者加水混合做成加气混凝土，利用自重输送到充填工作面。这一材料因具有膨胀功能，可实现自动接顶，特别适合于薄煤层充填。二、淄矿集团充填开采的研究情况淄矿集团现在的主采煤区处于城市周边，人口稠密，地表沉陷、村庄和城市建设压煤问题突出，严重制约了公司煤炭产能的扩大和效益的提升，另外，地下水污染和煤矸石堆放所带来的环境问题也很明显。淄矿集团非常重视村庄压煤开采问题，从2007年开始，淄矿集团在岱庄煤矿进行试点，开发了固体废物膏体充填开
7、采技术，一方面希望通过膏体充填开采技术实现岱庄煤矿条件下能够在不迁村、少赔偿的前提下安全、高效、高采出率地回收传统条带开采不能解决的条带煤柱，保证矿井可持续发展；另一方面希望通过膏体充填开采技术的实施，对于新采区不再采用条带开采，而直接采用长壁工作面膏体充填无煤柱不迁村开采，既可靠保证地面村庄建筑物，又最大量地采出煤炭资源。2009年，淄矿集团埠村煤矿对高水充填开采技术进行了研究，主要目的一是解决村庄及地面建筑物的压煤、回收煤柱问题，二是解决受承压水威胁煤层安全开采问题，从而延长矿井服务年限。埠村煤矿地处济东煤田中南部，现有可采煤层6层，其中9、10层煤炭资源量为5354.4万吨，占全矿保有资
8、源量的86%，然而，这两层煤层受承压水威胁严重，如何安全开采出这些煤炭资源成为制约矿井发展的一大难题。由于煤层平均厚度仅为1m左右，又有一定倾角，很难采用膏体充填开采技术。集团公司和埠村煤矿经过先期的调研和论证，认为采用高水充填置换开采技术可以解决这一问题，并认为可以首先在911采区先行先试，待技术成熟后再大面积推广。高水充填置换开采技术中最重要的问题是充填材料，本研究的目的就是制备适合高水充填开采工艺所要求的充填材料。三、开展研究的工作面情况911采区位于埠村煤矿西区9-1煤首采区。地面位于山后寨以南，危山北麓，对应的地表建筑主要为圣井广场、圣井镇、山后寨村、309国道。地势南高北低，标高9
9、7.1121.47m。采区上限标高-240m,下限标高-384m。采区走向1200m、倾斜宽750m，面积900000m2。煤层直接顶为五灰，厚2.3m，灰色致密，含海百合茎化石，其上为沙质页岩，厚6.64m，为灰黑色，含砂少，垂直节理发育。煤层直接底为细砂岩，厚2.43m，深灰色，石英长石质砂岩，水平层理，老底为细砂岩，厚5.99m，灰色长石英砂岩，矽泥质胶结。西区911采区共布置8个回采工作面，2004年7月首采面9110工作面采用走向条带（工作面倾斜长度40m）进行试采，7月31日13时该工作面推采33m时初次来压，后部顶板跨落，工作面发生突水，水量达334.8m3/h。后进行了注浆封堵
10、，于2005年8月恢复生产，并改用倾向小条带进行开采，根据工作面水文地质条件确定采留比（工作面里段采6 m留10 m、外段采15 m留25 m），2006年3月该面安全回采结束。采区其他回采工作面采用倾向小条带开采，采留比分别为采6 m 留10、采15m留25 m、采15 m 留20m、采20 m留20 m，已于2009年8月安全回采结束。采区共计采出原煤59.16万吨，尚有36万吨煤柱储量。四、高水充填材料的性能要求高水充填材料必须具备良好的性能，才能用于煤矿充填置换开采，具体来说应具备以下基本性能：1、强度煤层开采后留下采空区，若不充填任何物质，地压则会显现，出现突水和地面塌陷。充填材料必
11、须具有适当的抗压强度和抗变形能力才可控制和适应围岩变形。一般来讲，充填材料固化后若能达到煤的自身强度，则能较好地堵水和抵抗地层压力。不同煤种的抗压强度不同，一般在2MPa左右，因此，固化后的充填材料的抗压强度应超过2MPa。2、输送能力好的充填材料还必须使用方便，采煤工作面都在井下几百米，充填材料必须具有良好的流动能力，才能满足长距离输送要求。更好的是，不采用外加设备，利用材料自身重力自流输送。这样，要求材料有高的输送倍线，好的材料要有10以上的输送倍线。3、合适的固化特性所谓的固化特性主要是指材料的初凝时间和终凝时间。我们知道，较高的输送能力必然要求输送时材料的粘度不大。在操作时，输送过程是
12、在充填材料初凝前完成的，这就要求充填材料具有较长的初凝时间，以便于输送过程的控制。材料充填后，输送过程完成，这时，则需要材料快速凝结固化，产生强度，以满足控制承压水和支撑顶底板的需要，这样就要求材料的终凝时间尽可能的短。4、较低的成本合适的充填材料不仅施工简单，性能优越，还应当具有较低的成本，与采煤成本相比，应具有明显的优势，这样充填开采在经济上才是可行的。5、较高的安全性和稳定性充填材料的具有压裂后再胶结性能和良好的抗风化性能是保证充填体长期发挥作用的前提，因此，研究并掌握高水充填材料的基本性能非常重要，是成功应用高水充填材料所必须的。 五、高水充填材料的主要原料粉煤灰高水充填材料的主要原料
13、为粉煤灰、水泥、生石灰、石膏、发泡剂和水等。原料种类、原料来源和品质决定了材料制备的配方和工艺，也决定了充填材料的基本性能，因而，原料对充填材料至关重要。现对主要原料及其作用进行简单论述。1、粉煤灰粉煤灰是煤粉或含煤矸石经高温燃烧后形成的一种似火山灰质混合材料。粉煤灰本身略有或没有水硬胶凝性能，但当其以粉状并有水存在时，能在常温，特别是在水热处理(蒸汽养护)条件下，与氢氧化钙或其他碱土金属氢氧化物发生化学反应，生成具有水硬胶凝性能的化合物，成为一种增加强度和耐久性的材料。粉煤灰的活性与它的化学组成和物理状态有关。粉煤灰的化学组成与粘土质相似，主要成分是SiO2和Al2O3，还含有少量的FeO、
14、Fe2O3、CaO、TiO2、MgO、K2O、 Na2O、SO3、MnO2等氧化物成分。SiO2、TiO2来自黏土或岩页；Fe2O3主要来自黄铁矿；MgO和CaO来自与其相应的碳酸盐和硫酸盐。其主要化学组成见下表。表1 我国粉煤灰的化学组成成分SiO2Al2O3Fe2O3CaOMgOSO3Na2OK2O烧失量范围,%34.365.7614.5940.121.5 16.220.446.800.23.720.006.000.104.230.022.140.6329.97均值50.828.16.23.71.20.81.20.67.9粉煤灰的活性主要来自活性SiO2(玻璃体SiO2)和活性A12O3
15、(玻璃体A12O3)在一定碱性条件下的水化作用，因此，粉煤灰中活性SiO2、活性A12O3和f-CaO(游离氧化钙)都是活性的有利成分。S在粉煤灰中一部分以可溶性石膏(CaSO4)的形式存在，它对粉煤灰早期强度的发挥有一定作用，因此，粉煤灰中的硫对粉煤灰活性也是有利组成。粉煤灰中的钙含量在3%左右，它对胶凝体的形成是有利的。国外把CaO含量超过10%的粉煤灰称为C类灰，而低于10%的粉煤灰称为F类灰。C类灰其本身具有一定的水硬性，可作水泥混合材，F类灰常作混凝土掺和料，它比C类灰使用时的水化热要低。粉煤灰中少量的MgO、Na2O、K2O等生成较多玻璃体，在水化反应中会促进碱硅反应。但MgO含量过高时，对安定性带来不利影响。粉煤灰中的未燃炭粒疏松多孔，是一种惰性物质不仅对粉煤灰的活性有害，而且对粉煤灰的压实也不利。过量的Fe2O3对粉煤灰的活性也不利。表2 粉煤灰的基本物理特性项 目密度/（g/cm3）堆积密度/（g/cm3）比表面积（cm2/g）原灰标准稠度/%需水量/%28d抗压强度比/%氮吸附法透气法范 围1.92.90.5311.261800195001180653027.366.7891303785均 值2.10.7803400330048.010666粉煤灰的物理性质中，细度和粒度是比较
