膏体充填开采技术
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• 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 ·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。
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Biblioteka Baidu较高。
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。
•
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20μm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。
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）。
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；τ0、起始切应力；P1、P2为A1、A2断面的应力
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）。
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。
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
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。
• 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 ·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。
•
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%。
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。
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。
• 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。
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 ·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。
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Biblioteka Baidu较高。
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。
•
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20μm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。
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）。
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；τ0、起始切应力；P1、P2为A1、A2断面的应力
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）。
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。
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
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。
• 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 ·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。
•
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%。
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。
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。
• 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。