膏体充填

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。
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。
（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。
（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 煤矿膏体充填工艺论述
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。下图为一般流程：
4.2材料准备
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 膏体材料散体力学特性研究
3.1充填材料的物理力学性质
3.1.1充填材料的密度和堆密度
充填材料的密度定义为：单位体积的充填材料在密实状态下的质量（与同体积的水在4℃时的质量之比）。国际标准单位为kg/ ，工程上常用的单位t/ 。
ε=
充填材料的孔隙比和孔隙率时一个表示充填料质量的重要参数，其数值的大小反应的充填体的密实程度。对胶结充填材料来说，则进一步反映了充填体的强度特性。
3.1.3充填材料的渗透参数
根据达西定律，多孔介质的森头型定义为：
K=
试中K---多孔介质的渗透性， ;
Q---通过多孔介质渗透出来的流体流量， ;
L---多孔介质在流体流动方向的长度，m;
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。
2.4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 %。
通常，充填材料处于松散状态。充填材料的堆密度即是处于松散状态的充填材料单位体积（包括固体颗粒和空隙）所具有的质量。工程上常用的单位t/ 。
3.1.2充填材料的孔隙率和孔隙比
充填材料的孔隙比是指充填材料中孔隙体积与固体颗粒体积之比，而孔隙率是指松散充填材料中孔隙体积所占的比率。当用ε表示孔隙比，用α表示孔隙率，则有：
1充填采煤工艺的发展背景了解
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。
其中条带开采是控制地表移动和变形的最有效方法之一。但是会造成采出率低，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。主要利用废弃的矸石进行充填，而膏体胶结充填最为有效。
2 膏体充填材料特点及发展论述
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；
成果形式
前期准备过程中，我们在文献的阅读和总结中了解到我国人均煤炭资源拥有量较少，“三下”压煤量较大，矿井正常生产接续收到不同程度的影响；常规垮落法煤炭开采方式引发地表沉陷和地下水及含水层破坏、造成地表建筑物损坏；大量矸石直接外排堆存，占压土地、污染环境，这些问题已成为制约煤炭资源安全高效开采的瓶颈。据调查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。充填开采是解决这些问题的途径，亦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。基于此，我们将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，同时，综合考虑充填开采技术、经济评价的优越性，提出“部分充填开采度”，以达到资源、环境、安全、经济的最优结合。
（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。
η---流体的绝对黏度，N*s/ ;
h---静水压头，m;
A---（垂直于流动方向的）多孔介质的横剖面面积， ;
γ---流体单位体积的重量（重力密度），kg/ 。
3.2胶结充填材料的强度特性
胶结充填材料由于具有真实的内聚力，其强度特性主要是指抗压强度特别是单轴抗压强独特性。
胶结充填材料的莫尔强度包络线可用下试表示：
τ= c +σ
（1）抗压强度与胶结剂的关系典型的实验曲线见下图：
充填体胶结剂含量与单轴抗压强度的关系曲线
（2）抗压强度与养护温度的关系
由于矿体开采深度的影响，以及矿山所处区域的气温差异，致使胶结充填材料在井下的养护温度也不相同。实验表明，胶结剂含量为8%时，其最佳养护温度时25~38℃，如下图所示：
5膏体部分充填工艺研究
5.1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。
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。
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。
（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；
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。
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。