膏体充填

充填开采煤矿实践中的应用
摘要：
煤矿绿色开采的发展要求和村庄压煤开采的迫切性，提出了膏体充填不迁村采煤技术。

通过研制专用膏体充填胶结料和选择廉价的充填材料，大幅度降低了膏体充填成本，提出了满足煤矿开采适用的膏体材料的合理配比，提出了适合煤矿应用的膏体充填方法，以及系统介绍膏体充填在煤矿实践中的应用。

中国矿业大学钱鸣高院士最近提出了煤矿绿色开采技术，充填开采技术是绿色开采技术的重要组成部分，是解决煤矿开采环境问题的理想途径。

当前，研究解决村庄等建筑物下大量压煤开采，实现不迁村采煤更应受到重视。

我国村庄压煤具有量大面广的特点，人口密集的河南、河北、山东、安徽、江苏五省压煤的村庄达1094个，住户11万户，占我国村庄总压煤量的55%以上，仅兖州矿业集团109个村庄压煤就达5.5亿t。

村庄下压煤开采涉及到土地、环境保护、工农关系等社会各方面问题。

目前，从村庄下采出的煤量仅占其压煤可采储量的4 %，其中75%以上还是靠搬迁村庄之后采出来的，而村庄搬迁费、塌陷土地赔偿费已达到20万元/户，并且对矿区环境造成了严重破坏。

关键词：膏体充填；不迁村采煤；充填工艺；膏体材料配比；材料配置控制
1 充填采煤工艺的发展背景
1．1 传统的不迁村采煤方法
村庄等建筑物下的大量压煤不仅造成煤炭资源的巨大浪费，并且严重制约矿井的正常生产和接续。

通过几十年的努力，村庄下采煤技术的整体水平有了较大的提高。

目前，能实现不迁村采煤的主要方法是条带开采和充填开采，特别是两者的有机结合。

条带开采是控制地表移动和变形的最有效方法之一。

其最大优点是在不改变采煤工艺的前提下，较大幅度地减少地表沉降，在无法采取其它措施的条件下采出部分建筑物下压煤，最大缺点是采出率低，资源浪费严重，且生产效益较低。

充填开采是实现不迁村采煤、提高煤炭采出率的最有效途径，以水砂充填开采应用最多，效果也最好。

但水砂充填开采存在工艺复杂、不利于机械化生产、效率低、成本高等问题，近十多年来，国内几乎未用该技术来开采村庄下压煤[1]。

1.2膏体充填技术及其煤矿应用的可行性
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。

要解决煤矿开采对水资源、土地资源、建筑物等造成的破坏，特别是当前亟待解决的不迁村采煤问题，应用膏体充填技术是最理想的方法之一，但在煤矿应用膏体充填技术与金属矿山又有较大差别。

金属矿山工作面围岩较稳定，充填作业一般是在工作面回采结束后一次完成，且对充填体的早期强度无特别要求；另外，金属矿山膏体充填成本较高，煤矿难以承受的。

因此，只有降低膏体充填成本，膏体充填技术在煤矿才有生命力。

2 膏体充填材料特点及发展
2.1 膏体充填材料的特点
煤矿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大于75%，目前最高浓度达到88%；
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；
4）无临界流速最大颗粒料粒径达到25~35mm，流速小于1m/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）相同胶结料用量下膏体材料强度较高。

2.2 膏体充填对材料的要求
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，充填体费用需要控制在25~30元/m3，比金属矿山充填可接受的成本少一半以上；
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。

充填完成数小时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。

2.3 煤矿膏体充填材料的发展现状
鉴于煤矿膏体充填材料的特殊要求，最近研制了PL和SL两个系列复合膏
体充填胶结料，能够满足不同条件矿山膏体充填工程的需要，并具有以下显著特点：①能够与含泥量高的各种集料正常凝结固化，为最大限度地应用各种固体废弃物创造了十分有利的条件；②在极少用量条件下（胶结料含量一般2%~5%）就能使制作的膏体料浆形成所需强度的固化体，并且早期强度高，后期强度持续增长；③生产成本低。

根据金属矿山膏体充填的情况，充填胶结料和其它充填材料的成本分别要占充填总成本的60%和30%左右，因此，PL和SL两个系列复合胶结料为减少膏体充填胶结料用量、采用廉价的充填材料，从而大幅度降低膏体充填成本创造了有利的技术条件。

2.4 PL材料在煤矿应用中的技术发展
1）PL膏体胶结料在50 kg/m3左右的极少使用量条件下，能够使膏体充填材料快速凝结固化，在数小时内达到一定的强度，可以满足膏体充填不迁村采煤工程的需要；
2）PL膏体充填材料与其它充填材料比较，弹性模量较大，抗变形能力强，有利于提高充填控制开采沉陷的效果；
3）PL膏体充填材料在低围压下即能够表现出突出的塑性强化特征，实践中可充分利用这个特性，适当降低充填材料的强度要求，降低充填成本。

2.5 充填材料物理化学组成
1）胶结料：试验采用的胶结料是以普通硅酸盐水泥为基材，与石膏、石灰和多种外加剂等科学配制的复合材料，简称PL膏体胶结料，该材料具有速凝、早强和后期强度持续增长的特点。

2）煤矸石：粗骨料矸石的级配、粒径对膏体的可泵性影响很大，最大粒径取决于输送管的尺寸。

根据煤矿膏体充填的需要和煤矸石破碎后外形尖锐扁平的特点，同时参考粗骨料最大粒径与输送管径的关系确定煤矸石加工破碎到直径小于25 mm，进行筛分以后按混凝土的颗粒级配曲线进行级配。

根据宝钢的泵送混凝土施工经验，集料最大尺寸25 mm有外加剂的混凝土碎石的砂率为44 %。

用于不迁村采煤充填的固体废物膏体与泵送混凝土在很大程度上相似。

所以用于不迁村采煤充填的固体废物膏体的砂率取44 %。

3）粉煤灰：粉煤灰在充填材料中主要发挥细集料作用，粉煤灰能显著提高混凝土拌合物的合易性，充分发挥粉煤灰球形颗粒的润滑滚珠效果，提高混凝土流动性，减少泌水防止混凝土离析，提高可泵性。

3 膏体材料物理化学性状影响因素分析
3.1 抗压强度影响因素分析
粉煤灰的加量对1d充填体抗压强度的影响不是很显著。

而胶结料有显著的影响。

质量分数的影响次之，最后是细粒级矸石的加量。

在3d强度的影响因素中，粉煤灰的加量对充填体抗压强度的影响不显著，而其他3个因素与粉煤灰的影响作用相差不大，质量浓度的影响最大。

在7d强度的影响因素中，细粒级矸石的加量对强度的影响最显著，而后是胶结料的加量，然后是粉煤灰的加量。

影响作用最不显著的是质量浓度。

因此综合起来可以看出，胶结料的加量对充填体
强度有显著的影响。

尤其对充填体早期强度的影响最为显著。

1）细粒级矸石量：细粒级矸石量对强度的影响随着时间而逐渐增强，它对长期强度有显著影响。

主要是因为后期在胶结料和粉煤灰的胶凝作用下，煤矸石的整体性得到提高，从而使得充填体整体后期强度得以增强。

2）胶结料加量：胶结料对强度的影响在早期和后期相对显著，同时随着胶结料加量的增加呈增长趋势。

3）粉煤灰加量：粉煤灰对强度的影响作用在前期硬化中不显著，粉煤灰在这时发挥微集料作用，在硬化后期，粉煤灰开始表现出类似水泥的胶凝作用，金属矿山的尾砂充填也已证明此点。

4）膏体质量分数：膏体质量分数的增加对强度的影响是先增强后减弱，因为在早期质量分数的增大可在很大程度上提高膏体的早期强度，但随着充填材料的内部化学反应和胶凝作用的加快，质量分数的影响作用开始减弱。

3.2 可泵性影响因素分析
膏体充填料的可泵性，就是膏体充填料在管道泵送过程中的工作性，主要包括流动性、可塑性和稳定性。

流动性取决于膏体充填料的浓度及粒度级配，反映其固相与液相的相互关系和比率；可泵性是膏体充填料泵送的一个综合性指标，一般用坍落度来判别。

坍落度影响因素主要取决于充填物料的成分与比重，粒级组成和浓度。

从试验数据可看出膏体材料的坍落度均在20cm 以上，膏体在井下经泵送后坍落度会降低，但还是能满足要求。

骨料中细矸石的加量对坍落度的影响最显著，质量分数次之，胶结料和粉煤灰的影响基本相当。

1）试验研究表明煤矸石可作为固体废物膏体充填骨料与粉煤灰、胶结料进行膏体充填。

为保证膏体的正常泵送，要严格控制矸石粗细颗粒的比重，砂率一般控制在44 %左右。

充填骨料良好的粒级组成可使颗粒间孔隙减小，颗粒不易下沉。

2）膏体充填材料中煤矸石，胶结料对充填体强度影响显著。

胶结料对早期强度的影响最明显。

煤矸石对后期强度影响较明显。

提高充填体强度的有效途径是提高胶结料和矸石含量，但提高胶结料含量对控制成本不利，提高矸石含量对控制坍落度和膏体的可泵性不利。

因此在实际生产中要合理控制二者含量，保证膏体满足强度和可泵性的要求。

3）煤矸石在加工破碎为直径小于25 mm 后，在胶结充填中作为骨料的煤
矸石还需进一步分级。

矸石粗颗粒的最大粒径与充填管径之比应控制在1：4或更小。

4）膏体中矸石细颗粒对材料的坍落度影响作用较粗颗粒显著，质量浓度的提高对膏体的坍落度不利。

在膏体材料中添加优质粉煤灰能够提高和易性，可充分发挥粉煤灰的润滑效果，降低坍落度损失，提高膏体的可泵性。

4 煤矿膏体充填工艺
4.1 膏体充填流程
煤矿膏体充填就是把煤矿就近的煤矸石、粉煤灰、工业炉渣等固体废弃物制
作成不需脱水的膏状浆体，通过泵压或重力作用，经过管道输送到井下，适时充
填采空区的方法。

煤矿膏体充填工艺流程分为材料准备、配料制浆、管道泵送、
工作面充填等四大部分。

图1为华东某矿设计的膏体充填系统工艺流程。

4.2 材料准备
煤矿膏体充填材料主要为煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、城市固体垃圾、劣质砂等固体废弃物。

对于粒度较小的材料经过简单处理（筛除大于20 mm的块料及线状杂物等）就可进入料仓备用，当采用煤矸石等大块材料时，还需对其进行适当的破碎处理。

为了降低胶结料用量，还可以对部分粉煤灰采用机械磨细和碱性激发等手段激发粉煤灰的化学活性。

膏体充填胶结料通过风力输送到胶结料仓备用，充填用水由水泵从水池或水井泵送至搅拌机。

4.3 配料制浆
煤矿膏体充填材料中胶结料掺量极少，按照一般混凝土的概念，是一种“极
贫”混凝土，必须按照设计的浓度，以及各种材料的配比准确制备充填浆体，并
充分混合均匀，才能够保证充填材料流动性能、凝结固化性能，井下回采工作面
充填才能够达到预期的地表沉陷控制目标。

根据材料配比实验，要使材料流动性能稳定，充填料浆的重量浓度变化范围
必须控制在0.5%以内，这要求物料称量的误差小于±2 %。

为保证充填料浆的配
置质量，采取了以下技术措施：①批次配料，每种材料在静态条件下称重计量；
②采用先进、稳定性能好的高精度称重传感器；③配料系统采用工控微机和PLC
可编程控制器控制，配料过程实现程序化、自动化。

另外，受充填成本的限制，
不可能对充填材料进行脱泥、脱水等处理，不同地点、不同时间所取充填材料的
含泥量、含水量不可避免有较大的变化和波动，这些变化将影响充填料浆的重量
浓度。

为了保证膏体充填材料流动性能、强度性能稳定，需要快速、准确测定河砂、粉煤灰的质量变化，并及时调整配比。

根据煤矿膏体充填材料的特点，选择周期式混凝土搅拌机强制搅拌，加料、搅拌、出料按周期进行循环作业，因而易于控制配比和搅拌质量。

4.4 管道泵送
膏体充填料浆采用混凝土泵加压管道输送。

搅拌机搅拌好的料浆先进入浆体缓冲斗，再靠浆体自重向充填泵进料斗加料，经充填泵加压后的膏体料浆通过充填管，经过充填站附近的充填钻孔下井，再沿在巷道布设的充填管输送到充填工作面，在充填工作面采用液压转换阀控制采空区充填顺序。

充填泵和充填管的选择应根据充填能力、充填管线长度、膏体料浆特性、流速等综合确定。

膏体充填料浆在管道输送中的一个重要特点是无临界流速，可以在很低的流速条件下长距离输送。

流速过高，料浆流动需要克服的水力坡降大，管道磨损速度也大，对泵送压力的要求也高；流速过小，则充填能力不能满足生产需要。

一般膏体充填系统设计流速0.7~ 1.0 m/s。

4.5 工作面充填
膏体充填系统与煤矿开采系统的协调是煤矿膏体充填开采必须解决的关键问题，由于采用膏体充填开采解决不迁村采煤在国内外还属首次，如采用综采膏体充填工艺需要设计专门的液压支架，项目的投资及风险都较大，因此在试验初期采用普采膏体充填工艺为宜。

普采工作面进行膏体充填，首先必须在工作面控顶区与待充填区之间构筑一道隔离墙，形成一个“封闭”的待充填空间，为实现这一目标提出了塑料编织布隔离、组合式钢质模板隔离二个方案。

塑料编织布隔离与传统水砂充填的设置砂门子相似，国外波兰胶结水砂充填也采用塑料编织布作隔离墙，此方案可以进一步减少项目的初期投资。

专门设计的组合式钢质模板及其与单体液压支柱、金属铰接顶梁的连接件可以和单体液压支柱、金属铰接顶梁配合形成具有隔离充填料浆、高度和倾斜调节功能、拆装方便的隔离墙。

钢质模板具有足够的刚度和强度，能重复使用，也可以降低膏体充填体的构筑成本。

图2为普采膏体充填工作面布置示意图。

图2普采膏体充填工作面布置
组合式钢质模板安装完成后，通过沿工作面按一定间隔布置与工作面充填管路相连的布料管向待充填空间充入膏体充填料浆。

工作面正常充填程序
如下：
（1）检查准备，确保系统正常、设备完好。

在前一充填循环完成以后，管道内应该保持充满清水，新的充填循环应该在这种条件下正常开展工作，否则，必须先泵送清水，直到输送管道内充满清水以后，才能够进入正常充填作业程序。

（2）实施“浆推水”。

在泵送膏体料浆前，先利用清管器在充填管道中装入清洗球，然后开动充填泵，使清洗球前面是清水，后面是浆体，清水通过泵压经充填管路排到采区巷道的排水沟内，当清洗球出管后，利用液压转换阀使充填料浆经工作面充填管路充入待充填空间。

（3）轮流充填。

充填管路内清水排尽后，充填料浆通过工作面充填布料管按一定间隔时间轮流充填待充填空间，直到充填完毕，充填管切换的间隔时间应根据膏体料浆可泵时间、充填点有效范围内浆体充满程度等综合考虑。

（4）实施“水推浆”。

在充填量达到设计充填量之前，为备用泵准备好清水，达到设计充填量后，先利用清管器装入清洗球，然后切换到备用泵管路，停止充填泵，启动备用泵，实施水推浆。

充填管内的料浆继续充入待充填空间，清洗水排到采区排水沟内，管路冲洗干净后，转换阀切换到截止状态，使管路内充满清水。

（5）结束充填工作。

地面充填站要彻底清洗搅拌机、膏体充填泵，井下充填工作面，则需要收集清洗球，送到地面充填站，备以后再用。

4.6 膏体充填料浆浓度的自动化监测
目前煤矿膏体充填的整个充填工艺流程可以划分为矸石破碎、配比搅拌、管道泵送、充填体构筑等四个基本环节。

其中，配比搅拌在工业化试验阶段由于是大批量、连续、动态的过程不同于实验室小批量静态的试验，这就要求对搅拌机内膏体的配比质量浓度进行实时监测显得尤为重要。

监测原理和技术电流传感器工作原理如图下图所示。

通过电流传感器把主控室搅拌机主回路电流转化为4~20 mA模拟量信号传送给PLC，然后PLC通过循环中断500 ms实时采集数据，通过数据处理得出不同浓度下电流变化曲线。

系统自动补水的算法实现：在膏体充填工程实践过程中，膏体充填材料的质量浓度一般要求控制在一定的合理的质量浓度范围内，这样系统才能有更大的适
应性而不至于质量浓度的稍微波动就给充填系统料将在管路输送过程中带来较
大的影响，鉴于此，分别在灰浆和矸石浆合理的质量浓度内设置浓度的搅拌电流上下阀值（考虑到上述影响因素，取一定的富裕系数k=1.4）,当系统采集到的搅拌电流均值超过阀值上限时（料浆质量浓度较大超过合理范围的最大质量浓度）系统自动补水，反之系统自动补灰但是由于监测到的电流值会受到许多扰动的影响，所以得到的电流值不是一个精确值。

例如在搅拌过程中，叶片碰到的阻力，从而造成电流值的突起，以及矸石粒径的大小变化都会影响电流值的变化。

因此就需要多次的调节，但实践证明当搅拌机多次搅拌后，经过此过程的反复调整我们可以使膏体的质量浓度控制在合理的设计范围内，特别是在控制膏体质量浓度过大方面起到重要的作用，避免了因膏体质量浓度过大造成的堵管事件的发生，取得了较好的经济效益。

针对膏体充填过程中膏体质量浓度在搅拌过程中存在的难监测性、难观察性、易受外界因素的干扰等特点，采用了实时采集电流信号监测控制膏体质量浓度系统。

特别对影响因素进行了研究分析，建立了补水、补灰的隶属函数形式，使膏体充填体质量浓度逐步逼近到我们设计的质量浓度范围内，做到对膏体质量浓度的自动控制。

通过上述数据分析研究，对膏体质量浓度的控制方便实用，控制精度较高，能够及时了解掌握搅拌机内膏体质量浓度的变化，系统安全可靠，应用效果良好[5]。

5 充填方法研究
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ε≤2.0mm/m，曲率K≤0.2×10-3·m-1，倾斜i≤3.0 mm/m。

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，但充填量大，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，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、关键层、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，这种方法减沉效果限，地表下沉系数为0.30~0.40。

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[2]。

6 充填开采的矿压规律
6.1 充填采场控顶影响因素
充填开采中矿压显现不明显，基本没有初次来压和周期来压，但是在充填采场中，至关重要的就是控制顶板下沉量。

如果充填前的顶板下沉量过大，那么会相应的造成地表沉陷过大，充填效果差。

所以充填前下沉量的大小是衡量充填采场控顶好坏的标准。

除了煤岩和围岩的性质外，充填体的强度、充填率、充填步距和支架的性能是影响充填前下沉量的最重要的因素，并且这些是可以人为控制的。

因此充填采场控制主要是围绕这些因素来进行。

1）充填体强度的影响对于充填采矿，充填体强度直接影响围岩和充填体的稳定性，尤其是材料初始强度，如果材料强度不足以承载直接顶施加的压力，就会造成顶板的下沉量加大。