膏体充填开采技术

• 相同胶结材料用量下强度较高
可降低价格较高的胶结材料用量，降低材料成本。
• 膏体充填体压缩率低
膏体充填材料中固体颗粒之 间的空隙由细料和水充满，一般 压缩率只有1% 左右，控制地表 开采沉陷效果好，“三下一上” 压煤有条件得到最大限度的开采 。
• 早强性好，初凝可控
膏体早强性好，充填数小时 以后膏体充填体就具有一定强度 ，实现自稳，满足脱模条件，并 对顶板有适当的支撑作用；膏体 初凝时间可通过调整材料配比进 行适当调整，以适应各种充填方 法的要求。
3 ·2、矸石级配优化
破碎矸石颗粒级配将直接影响膏体的流动性 能，对充填体的强度产生影响。因此煤矸石的级 配优化主要考虑以下两个方面：一是矸石膏体的 流动性能要好，能够满足管道输送要求；二是在 其它物料相同条件下，矸石膏体的早期强度（早 强性）和最终龄期强度高。 矸石作为膏体充填的粗骨料，一般为防止堵 管和充填密实，最大粒径≯25mm。
3 ·1、膏体充填材料基本性能
膏体充填材料具有稳定性、可塑性和流动性三 大基本特性：
• 稳定性指它具有抵抗分层和离析的能力，是材料泵送 的关键。体现在实践中，就是膏体在密闭的管道中停留数小 时不沉淀、不分层、不离析，能顺利地进行输送。 • 可塑性是指膏体充填材料在输送或充填过程中发生变 形后，其基本结构仍保持不变的能力。 • 流动性是指它能流动，产生的实质是膏体的物料构成 中有15%以上的20μ m细粒级含量。细粒级有很强的饱水能力 ，使水量能够填满膏体微细颗粒之间的空隙，起到颗粒之间 的润滑作用。在实践中流动性体现为在其重力作用下能在充 填空间中流动。
3 ·3、胶结材料选择
胶结料和普通硅酸盐水泥的性能对比实验结果如下图：
通过对比实验发现：胶结料早期强度高的特性明
显，在60kg/m3时膏体8h龄期强度0.22MPa；胶结料用量 150kg/m3 时， 8h龄期膏体强度 1.27MPa ；同样条件下使 用普通硅酸盐水泥，8h龄期膏体没有强度。 胶结料用量在60～150kg/m3范围内，1d龄期膏体强 度为同量水泥膏体的 5 ～ 8 倍， 3d 龄期强度为同量水泥 膏体的2～3倍，7d龄期强度为同量水泥膏体的1倍以上 ，用量越少，早强性能越明显。胶结料膏体的早强性 对维护顶板完整，减小充填区顶板下沉量十分有利。
粉煤灰1
100 100
表3· 5· 1 膏体充填材料配比初步试验结果
用矸石发电厂粉煤灰作细集料，对照膏体充填材料技术 要求，配比如下。 （1）质量浓度控制在72%左右，配比要求： 胶结料 150kg/m3；粉煤灰 400kg/m3； 煤矸石 723kg/m3；水 494kg/m3。 （2）当质量浓度控制在81%左右时，配比要求： 胶结料 100kg/m3； 粉煤灰 400kg/m3； 煤矸石 1084kg/m3； 水 372kg/m3。 需要说明是不同电厂粉煤灰及煤矿矸石其矿物成分含量 不同，对膏体材料固结强度影响较大，因此必须进行配比试验 确定。
煤矸石自然粒径级配变化大，对膏体的配比 和流动性影响较大，因此需对煤矸石进行破碎。 在满足膏体配比的前提下，破碎煤矸石的粒径级 配考虑了两种规格： 一是﹤5mm煤矸石； 二是5～25mm煤矸石。 通过对两种规格的煤矸石进行实验室优化配 比，初步确定出两种煤矸石的配比关系。
﹤5mm破碎煤矸石的含量在30%～50%之间时 ，其膏体坍落度均在20～25cm，能够满足膏体 管道泵送的需要，说明两种规格的矸石级配具 有较大的选择空间。 从强度实验结果看，实验范围内﹤5mm矸 石的含量在30%～50%时强度变化不大，相对而 言﹤5mm破碎煤矸石的含量33%～40%左右，膏 体充填材料早期强度和后期强度都相对较高。
8h
1d
7d
28d
100 120 150
粉煤灰2 粉煤灰3
400 400 400 400 400
770 751 723 1086 1086
494 494 494 372 372
72 72 72 81 81
0.00 0.11 0.28 0.54 0.12 0.12 0.43 0.73 0.14 0.17 0.62 1.16 0.29 0.31 0.84 1.17 0.20 0.21 0.47 0.66
根据原状矸石堆积情况，要求装运矸石期 间发现大块颗粒比较集中时，要与附近的颗粒 较小的矸石搭配使用，为控制矸石粒级创造更 好条件；如果矸石中粒径＜25mm比重大，在 进入破碎机前先用振动筛进行筛分，避免已经 满足要求的矸石进行不必要的破碎，也有利于 降低破碎加工成本。
4 ·2、配比搅拌系统
制作膏体料浆采用周期式双卧轴混凝土强制搅拌机，国 内最大一次可以搅拌6m3的混凝土，技术成熟，设备长时间 连工作可靠性高。 配比搅拌系统由相同的两套设备组成，主要包括2台间 隙式强制双卧轴混凝土搅拌机、矸石配料仓及其气动卸料闸 门、皮带秤、胶结料仓、粉煤灰仓、胶结料螺旋给料机、粉 煤灰螺旋给料机、供水泵、矸石缓冲仓、胶结料称量斗、粉 煤灰称量斗、称水斗、收尘袋和料浆缓冲斗等。
含有细粒料的原状矸石十分必要。
③运输：矸石山原状矸石可选择移动装载机加固定胶带 输送机联合运输至喂料斗
4.1.3 破碎加工工艺
矸石破碎要求。作为膏体充填骨料的矸石，需要有合 理的粒级组成，才能够使膏体充填材料有良好的流动性能 和较高的强度性能，破碎加工以后要能够满足上述要求： . 最大粒径＜25mm；.粒径＜5mm颗粒所占比例38%左 右，最少≮30%，最高≯50%。 精确制备是按照粒径＜5mm和粒径在5～25mm之间两 种规格分级、分储，然后再按设计比例配合使用。 考虑到充填材料允许矸石粒径变化范围较大，为简化 矸石破碎系统，节省投资，矸石可按＜25mm一种规格加 工，通过调节破碎机出料口大小来实现控制粒径＜5mm比 例。
膏体充填开采技术
国家能源充填采煤技术重点实验室副主任 膏体充填采煤技术研究示范基地副主任 峰峰集团副总工程师
张步勤
1、膏体充填开采技术简介
• 膏体充填开采技术是指：将煤矿附近的 煤矸石、粉煤灰、炉渣、劣质土、城市固体 垃圾等加工成一定级配的骨料，并按一定比 例与胶结材料、水混合成为无临界流速、不 需脱水的膏状浆液（膏体），在外加力（充 填泵泵压）及膏体自身重力作用下通过管道 输送到井下，实时充填采空区的采矿方法。
4 ·2 ·2 配料精度要求
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，以及煤矸石、粉煤灰、胶结料的比例准确制备充 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。根据材料配比实验，要使材料流动性能稳定，充 填料浆的质量浓度变化幅度要求控制在0.5%范围内。 针对煤矸石、干粉煤灰、专用胶结料等配制充填材料方案 中，导致充填料浆质量浓度波动主要有两方面原因，一是各种 物料的计量误差，二是煤矸石水分检测误差。对此，进行了系 统的分析，图4· 2· 3是质量浓度波动范围为0.5%时的物料计量 允许误差与设计质量浓度之间的关系； 图4· 2· 4则是不同质量 浓度波动下煤矸石水分检测允许误差与设计浓度之间的关系。
强制双卧轴混凝土搅拌机
4 ·2 ·1 配比搅拌子系统能力
配比搅拌系统设计制备膏体能力160m3/h，每台搅 拌机搅拌能力为80m3/h，生产混凝土时一般搅拌机每 小时可以完成50~60罐，因为膏体充填材料中胶结料 用量少，需要长距离管道输送，对搅拌质量的要求更 高，设计搅拌时间从普通混凝土的30s提高到50s， 设计小时搅拌能力40罐，故要求搅拌周期为90s，每 次搅拌2m3。
100 80
相对产量/%
60 40 20 0 0 10 20 出料口宽度/mm 30 40
矸石破碎系统 反击式破碎机 与强力振动筛 实物图
②振动筛。振动筛需要对充填所需要的矸石全量处理， 根据充填材料用量的计算，筛分能力不低于设计要求。
根据矸石的特点，选择QLS1560型强力振动筛。QLS型
强力振动筛振幅大、振动强度大、较低频率和弹性筛面 的特点，是一种适合潮湿难筛物料的筛分设备，这对于
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膏体充填技术要解决这几个问题： 1、要什么样的充填膏体 2、怎样制备成你需要的膏体 3、怎样按需要的量输送到需要的地点 4、怎样快速形成充填所需的封闭空间 5、怎样提高生产能力和效率 6、怎样降低充填成本
2、膏体适于充填的优良特性
• 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%，而普通水砂材料浓度低于65%。
3 ·4膏体配比优化
• 胶结料主要原料采用钢厂水淬渣，矸石作粗骨 料，细集料采用不同矸石电厂粉煤灰，在统一 坍落度为25010mm条件下，初步配比实验得 到的典型结果如表3· 5· 1（膏体充填材料配比 初步实验结果）。
粉煤灰 种类
配比（kg/m3）
胶结料
粉煤灰
煤矸石
水
质量浓度 （%）
单轴抗压强度（MPa）
1-充填矸石称料斗及收尘器；2-液压动力包及电机 ；3-胶带输送机 ；4- 搅 拌装置；5-胶结料添加装置 ；6- 添加计量控制装置；7-充填管路；8-充填泵 图四· 2· 1 膏体充填站主要设备布置总图（三层）
图4· 2· 2 充填站外观图
4 ·1、矸石破碎系统
4.1.1系统构成 为了方便系统管理，破碎系统也单独运行，在不需要充填的 时候也可以安排破碎加工矸石，这时所加工出来的矸石存放在成 品堆料场备用。设备种类如下： ①装载机； ②振动给料机； ③从振动给料机到振动筛固定通用胶带输送机； ④强力振动筛； ⑤筛下物固定通用胶带输送机； ⑥移动胶带输送机； ⑦向矸石配料仓输送矸石的覆带式胶带输送机； ⑧从成品矸石喂料斗向矸石配料仓输送矸石的覆带式胶带输送机。
3、膏体充填材料
充填材料应因地制宜，就地取材。峰峰 集团具有百年开采历史，历史形成 18 座矸石 山，堆积矸石 5000 余万吨，每年产矸石量为 380 万吨，另有五座自备电厂年产生120万吨 粉煤灰，因此，峰峰集团主要以煤矿矸石为 膏体充填材料，将电厂粉煤灰等按一定比例 与其混合，并加入特定胶结材料、添加剂而 加工成的一种膏状浆体材料。
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为高效输送矸石膏体充填材料和对覆岩有效控制，对 矸石膏体充填材料有如下要求： 流动性能要求：膏体料浆的坍落度﹥180mm。 可泵送时间：不小于4h，即从加水混合以后，静置4h ，仍能正常泵送，料浆无明显分层，坍落度保持在 150mm以上。 静置泌水率：3%～5%。 单轴抗压强度：8～10h达到0.1～0.2 MPa， 28d达到10～15MPa。 矸石最大粒径小于25mm，其中小于等于5mm部分占 35%～45%。
• 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（见下帧图）。
Байду номын сангаас
1、柱塞流；2、水泥浆润滑层；3、水膜层；4、管壁；5、速 度分布线；6、润滑层；D、管道直径；L、单位管道长度；A1、 A2管道两断面；τ 0、起始切应力；P1、P2为A1、A2断面的应力
4.1.2 设备选择 ①破碎机。矸石从最大粒径300mm破碎加工到最大粒径 ﹤25mm以下，一般需要破碎机的破碎比达到12以上，如 果考虑破碎机调节粒径＜5mm颗粒与5～25mm颗粒比例 需要，破碎比将达到20左右。 反击式破碎机的破碎比大，一般能够达到10～30， 甚至达到50，可采用一级破碎，没有篦条，对湿度较大 或含粘土的物料有较好的适应性，因此首选反击式破碎 机。
• 料浆基本不沉淀、不泌水、不离析
不需要复杂的过滤排水设施，减少了胶结材料的流失， 也降低凝结前对隔离装置要求，使充填工作面其他工作不受 影响，充填密实度高。
• 无临界流速
最大颗粒粒径达到25 ~ 35 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，低速输送能够减小管道磨损。
矸石膏体注 入时、初凝和7天 龄期的凝固状态
4、膏体充填系统
膏体充填系统由六部分组成： 1、矸石破碎系统、 2、配比搅拌系统、 3、膏体泵送及管路输送系统、 4、风水清洗系统、 5、充填系统过程控制与方案、 6、工作面充填工艺
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充填站分为快装式充填站和固定式充 填站，快装式充填站适用于生产能力50万 t/a以下充填系统，其设备能力较小，组成 相对简单，其最大优势在于它的易搬移性 、快装性，充填站由一系列模块组成，这 些组成模块各成一体，便于拆装、便于搬 移，能够快速建站，除少量基础外，其余 部分皆可重复利用； • 固定式充填站适用于生产能力大于50 万t/a的充填系统，其设备能力较大，基础 设施较复杂，拆装较困难。