范文一:膏体充填条带开采技术
第 38卷第 2期 煤 炭 科 学 技 术 V ol 38 N o 2 2010年 2月 Coal Science and Techno logy F eb . 2010
膏体充填条带开采技术
刘 坤 1, 周华强 1, 郑立军 2, 李 亮 3
(1 中国矿业大学 矿业工程学院 , 江苏 徐州 221116; 2 河南煤化集团 鑫珠春工业公司 河南 焦作 454000;
3 徐州中矿大贝克福尔科技有限公司 , 江苏 徐州 221116)
摘 要 :为了解决煤矿采空区全部充填开采成本相对偏高的问题 , 同时有效地控制煤矿开采地表沉 陷和保证承压水上采煤的安全性 , 提出了煤矿膏体充填的条带开采技术 , 该技术以煤层顶板 (关 键层 ) 、 受承压水影响的底板极限垮落步距和条带煤柱留设的理论为原则 , 设计了膏体条带充填的 充填宽度和留设宽度 , 并对影响条带充填体稳定的充填体尺寸 、 物料的配比 、 充填体空间的围岩岩 性 、 地质构造和充填体侧向应力等因素进行分析 。 理论分析证明该技术构成的 煤层底板 充填 条带 上覆岩层 主关键层 ! 的结构体系能够有效控制地表下沉和减少底板破坏深度 , 达到承压 水上建 (构 ) 筑下安全采煤的需求并最大程度地减少充填开采成本 。
关键词 :条带充填 ; 充填体稳定性 ; 开采沉陷 ; 绿色开采
中图分类号 :TD823 7 文献标志码 :A 文章编号 :0253-2336(2010) 02-0010-05
Stri p M i n i ng T echnol ogy w ith Paste B ackfilli ng
LIU Kun 1, Z HOU H ua q iang 1, Z H ENG Li j u n 2, LI Liang 3
(1. School ofM i n i ng Eng i neering, China University of M i n ing and Technology, X uzh ou 221116, Ch ina;
2. X inzhuchun Indu st rial C o mpany, H enan Coa l Che m ist ry G roup, J i aozuo 454000, China;
3. X uzhou CU MT B ackfill S cie n c e and T ec hnology Co mpany L t d. , X uzhou 221116, Ch i na )
Abstrac t :In o rder to so l ve the high cost proble m s o f the full goaf backfill and m ini ng operati ons i n t he m i ne , to effi c i entl y contro l the sur face g round subsi dence due to the underground m i ning and to ensure t he co alm i n i ng safety above the pressurized w ater bearing stratu m, a stri p m ini ng techno l ogy w ith paste back fill was prov ided . Based on the sea m roof (key stratu m ), t he floor u ltra cav i ng step d i stance affected by t he pressurized w ate r beari ng and the str i p coa l pill a r l e ft theory as t he pr i nc i ple , the backfill w i dth and left w i dt h w ere de si gned fo r t he str i p paste back fil. l T he back filled m ass size , m ater i a lm i x i ng rati o , the surroundi ng rock litho logy o f the back filled space , geo l og ical tecton ics and backfill side stress and other factors affected to t he stability o f the stri p backfill space w ere analyzed . T he theory show ed that t he techno l ogy t o buil d the sea m fl oor -backfilled strip-overburden strata -m ain key stra ta struc t ure system coul d be effi ciently to contro l t he surface g round subsi dence and reduce the fl oor fa il ure depth and could m ee t the requ irem ents o f the safe t y coa lm i n i ng above t he pressurized w ate r bearing strata and unde r t he bu ildi ng structures and reduce the backfill and m i n i ng costs m ax i m all y . K ey word s :str i p backfilli ng ; stab ility o f backfill ed m ater i a ; l m i ning s ubsi dence ; g reen m i ning
煤矿膏体充填作为煤矿绿色开 采技术体系之 一 , 是 21世纪解决 三下 ! 采煤最具发展前途的 核心技术。此项技术的出现将有力缓解老矿井资源 开采受限 , 提高煤炭资源采出率 , 改善矿山安全生 产条件 , 实现不搬迁采煤 , 解放村庄建筑物下、铁 路下、水体上下煤炭资源 , 同时又将资源开采和环 境保护融为一体 , 是 煤炭工业贯彻 落实科学发展 观、实现绿色采矿的重要举措 , 但是由于采用充填 开采不可避免地增加了采煤费用 , 滞后了此项技术 的推广 , 只有少数煤矿企业迫于自身客观条件采取 此项技术 , 目前煤矿全部膏体充填增加的吨煤成本 已达到 70~80元 , 甚至更高 , 为了减少此项技术 的吨煤费用提出了煤矿膏体充填条带开采技术 , 在 减少开采成本的同时又满足充填所起到的效果。
1 膏体充填条带开采的技术原理
针对煤矿充填开采成本相对偏高的问题提出了 煤矿部分充填开采的概 念 [1]:充填 量和充填范围 仅是采出煤量的一部分 , 它仅对采空区的局部或冒 落区与离层区进行充填 , 利用层状矿体覆岩关键层
结构、充填体及每层底板共同支撑覆岩控制开采沉 陷 , 按部分充填的位置与充填时机不同 , 同时又提 出了 3种建筑下压煤开采的部分充填技术 :采空区 膏体条带充填、条带开采冒落区注浆充填、覆岩离 层分区隔离注浆充填。
煤矿膏体充填开采技术的研究应充分利用煤系 层状岩层移动规律与控制 特点 , 研究 证明 [2]
覆岩 主关键层对地表移动过程起控制作用 , 主关键层的 破断将导致地表快速下沉及下沉量明显增大 , 地表 下沉速度随主关键层周期性破断而 呈现跳跃性变 化。因而 , 控制主关键层就是控制地表沉陷 , 在对 底板关键层的研究中研究表明底板主关键层的完整 性对控制底板突水起 到主导控制作用
[3]
, 保护底
板主关键层就是防止底板突水。因此煤矿采用条带 膏体充填开采 可以形 成 煤 层底板 充填 条带 上覆岩层 主关键层 ! 的结构体系控制地表下沉 和减少底板破坏深度范围。
条带充填开采技术原理 (图 1) 是 :采用条带 充填体置换开采煤体 , 只要保证未充填采空区的宽 度小于覆岩和承压水上底板主关键层的初次破断跨 距 , 覆岩和底板主关键层结构保持稳定 , 且充填条 带能保持长期稳定 ,
就可有效控制地表沉陷。
图 1 条带充填开采原理
条带充填开采技术有 3种模式 :? 长壁条带充 填开采模式 , 工作面布置成长壁工作面开采 , 沿推 进方向在采空区相间构筑充填条带如图 2a 和图 2b 所示 ; #短壁间隔条带充填开采方法 , 工作面布置 成短壁条带开采 , 隔一个工作面充填一个工作面 , 各工作面的开采顺序如图 2c 所示。各矿应根据已 经采用的开采工艺合理安排条带充填开采工艺。焦 煤集团鑫珠春煤矿采用的是图 2b , 根据条带充填 开采技术原理所确定的条带充填开采的设计原则流 程如图 3所示。
2 条带充填体稳定性分析
条带充填开采中充填体的稳定性的理论与分析
图 2 条带充填开采的 3
种模式
图 3 条带充填开采设计原则
方法应可能考虑开采系统的各主要影响因素 , 本文 从条带充填体载荷、充填体强度和充填体稳定性分 析及宽度设计 3个方面介绍了膏体条带充填充填体 的稳定性理论 , 参考文献 [4]从充填体强度分析 出发 , 分析了顶底板通过摩擦作用施加给充填体的 等效拉压应力引起的条带充填体屈服区宽度变化的 机制 ; 从三向受力状态角度分析了侧限力对增加充 填体强度的机理问题。 2 1 条带充填体载荷
条带充填体工作载荷系指条带充填体承受的最 大载荷 , 主要取决于地层层数、地层厚度等地质因 素以及每层的弹性模量、围岩硬度和充填体硬度等
物理力学参数。
在 三下 ! 压煤条 带法开采中 , 载荷计算均 采用仅考虑覆岩自重应力场的面积法 , 在条带充填 开采中同样可以运用条带开采的预算方法计算条带 充填体的载荷 , 除有效面积理论外还有压力拱理论 及 A H W ilson 两区约束理论。
在广泛的开采布局中 , 由于条带充填体的尺寸 一般比较规则 , 有效面积理论认为 , 各条带充填体 强度相等并承担相同的载荷。如图 4所示 , 由于条 带充填开采中 , 未充填区宽度都比较小 , 区内有部 分直接顶冒落外 , 基本顶一般不塌落 , 冒落矸石不 接顶 , 采空区矸石不承载。因此 , 可以认为宽度为 b 的未充填区上方的覆岩荷重全部转移至所留设充 填条带宽度 a 上 , 此时 , 条带充填体上载荷 p 可由
式 (1) 计算 , 即
p =a H / =(a +b ) H
(1)
式中 : 为充填率 , =a /(a +b ), %; 为覆岩 平均重力密度 , MN /m3
; H 为平均 开采深 度 , m; a 和 b 分别为条带充填宽度和未充填宽度 , m
。
图 4 充填体载荷计算
由于条带充填体边缘的破裂与松动而引起的承 载面积减少 , 因而考虑一定的安全储备 , 取安全系 数为 1 1, 则相应的载荷 p 的计算公式为
p =1 1(a +b) H
(2)
面积分析法计算条带充填体承 受载荷简单易 行 , 虽做一些假设 , 但基本上能够满足工程要求。 2 2 充填体强度
2 2 1 充填体强度影响因素分析
充填体强度是指每单位充填体面积上能承受的 最大载荷 , 它是充填体稳定性分析的基础。在岩石 强度分析中 , 岩石的强度与其尺寸、形状、边界条 件和加载方式有关 , 充填体强度不仅与试验模块的 单轴强度有关 , 且取决于充填体的物料以及物料的 配比、充填体的充填尺寸、充填体冲填空间的地质 构造、围岩岩性、充填体侧向应力、开采方式及其 载荷的时间演化等诸多因素。
1) 充填 体尺寸。岩石的 强度 依赖于 尺寸变 化 , 如方形岩石的强度随宽高比的增加而增大 , 这 个结论同样适用于充填体 , 若条带充填体长 , 宽度 大 , 则相对的边界自由面小 , 因改变了充填体内部 受力状态从而大幅度地提高了充填体的承载能力 , 另外随着载荷的增加 , 充填体趋于膨胀 , 而充填体 与煤柱或围岩的侧向力、充填体与顶底板的界面摩 擦和黏聚力都对充填体进行了限制 , 随着充填体宽 高比的增加这种效应愈加明显。
2) 充填物料的配比。煤矿膏体充填对充填体 的早期强度和后期强度都有明确的要求针对不同的 采高 , 这就要求充填物料既能最大限度的满足可泵 时间同时又要求充填体能够尽早能够有所支撑本身 自稳的强度 , 这就对物料的配比以及胶结料有所严 格的配比和加工要求 , 文献 [5]对煤矿膏体充填
材料已有较为深入的研究。
3) 充填体与顶底 板的界面力摩擦和黏聚力。 文献 [4, 6]对条带煤 柱的分析 , 条带充填体顶
底板对充填体具有界面摩擦效应 , 在相对充填体较 为坚硬的顶底板条件下 , 坚硬顶底板通过摩擦效应 限制充填体的水平变形 , 即增加了充填体内核区的 水平应力 , 相应的增加了围压 ; 软弱顶底板不能限 制条带充填体的水平变形 , 而实际上使充填体内产 生水平拉力 , 减弱了充填体强度和稳定性。按平面
应变问题式 (3) 推导相对坚硬和松软顶底板对条 带充填体的影响 , 见表 1, 与条带充填体的应变差 分别是 -1 519和 1 588mm /m。
x =-! (1+! ) ? y /E(3) 式中 : x 为 x 方向水平应变 ; ! 为 泊松比 ; ? y 为 充填体单轴抗压强度 ; E 为弹性模量。
表 1 条带充 填体和顶底板水平拉伸变形计算
煤岩层 E /M Pa ! ? y /M Pa x /10-3相对坚硬顶底板
400000 15100 043充填体 20000 25101 562相对松软顶底板
1500
0 35
10
3 150
可见 , 相对坚硬顶底板的水平拉伸变形只是条 带充填体的 3%。所以坚硬的顶底板将会通过摩擦 效应限制条带充填体的水平变形 , 从而使煤柱的强 度和稳定性得以增强。相反 , 对于松软围岩情况 , 其顶底板的水平变形是条带充填体的 2倍 , 此时顶 底板的摩擦作用并不是限制水平变形 , 而实际上是 使充填体内产生水平拉 应力 , 削弱 原有充填体强 度 , 在较大的压应力下将导致充填体的拉断破坏。 所以在软岩煤层进行部分充填时应考虑到软岩顶底 板对充填体的拉应力影响 , 相对增加条带充填体的 宽度。
4) 侧限对条带充填体的作用 ; 从充填体的受 力观测来看或者力学分析来分析 , 三向受力状态充 填体的整体抗压强度都有较大幅度的提高 , 条带充 填体强度除受充填体本身单轴抗压强度支配外 , 在 很大程度上取决于侧限的作用 , 侧限小的充填体边 缘区域 , 其承载能力远小于侧限大的中心部分的承 载能力 , 并且充填体的承载能力随侧限力的增加而 增大 , 对于煤层顶底板相对软弱和裂隙发育或地质 构造复杂断层较多的地段可以在条带充填体侧留设
小宽度煤柱 , 特别是对于受承压水威胁的煤层 , 断 层附近裂隙发育是突水防治的重点 , 在充填体旁留 设煤柱可以更加有效的减少底板破坏深度范围 , 实 现安全采煤。
参考 A. H. W ilson 分析煤柱的假设 , 设充填 体一侧为 ? x , 即相当于增加充填体宽度 #a , 增加 充填体的承载能力 #? , 即
#a =0 00492m ? x /
#? =4 H a -406 5(#a ) 2/m
式中 , m 为煤层开采高度。
2 2 2 充填体强度公式
长壁间隔充填法充填体的稳定性计算与条带开 采法时煤柱稳定性计算相似。在煤柱稳定性的研究 方面 , 不少学者提出了煤柱强度的计算公式 , 其中 最常 用的 有以 下 2种。 其中 , 欧伯特 -德 沃 /王 (Obert-Dwva ll/W ang) 公式 (4) 适用于宽高比为 1~8的煤柱 ; 浩兰德 (Ho lland) 公式 (5) 适用 于宽高比为 2~8的煤柱。
? p =? m (0 778+0 222a /h) (4) ? p =? m a /h(5) 比涅乌斯基 (B ien i a w ski) 公式
? p =? m (0 64+0 36a /h) n (6) 式中 h 充填体高度 , m;
? m 现场试 件临界立 方体单 轴抗压 强度 , M Pa ;
? p 煤柱强度 , MPa ;
n 比拟系数 , 当 a /h? 5时 , n =1 4, 当 a /h<5时 ,="" n="">5时>
经验表明 , 煤的测试强度在很大程度上取决于 试样的 尺寸和形状。尺寸较小的试 样 , 煤的强度 高 , 随着试样尺寸增 加 , 煤的强度 按指数规律减 小 , 直至达到一个渐进值。由于强度于尺寸的关系 曲线按指数规律衰减 , 曲线的渐进值就是煤的强度 的下限 , 它可以代表原地煤柱的强度。煤的强度受 试样形状的影响比受尺寸的影响还大些。浩兰德、 格林瓦尔德和盖迪发现 , 试样的强度值是按其最小 边长的平方根除以煤层厚度的规律变化。
由于煤柱强度的尺寸形态效应 , 如何将试验室 小煤柱的测试数据换算成现场大试件的强度值 , 便 成为人们研究的方 向。比涅乌斯基把煤柱 极限 尺寸 ! 定义为试件尺寸连续增加 , 其强度不发生 明显降低时的试件尺寸。赫斯特里建议用以下的方 法将试验室煤样强度转换为现场临界立方体试件的 强度 , 以消除煤体参数的尺度效应。
立方体煤柱边长 d 小于 0 9m 时
? m =? c D /d(7) 立方体煤柱边长 d 大于 0 9m 时
? m =? c D /d(8) 式中 :? m 为现场临 界立方体试 件单轴抗 压强度 , M Pa ; ? c 为 试 验 室 测 试 的 煤 样 单 轴 抗 压 强 度 , M Pa ; D 为试验室测试的煤样试件直径或立方体边 长 , m 。
2 3 条带充填体稳定性分析
采用条带充填合理进行条带充填体设计并确保 充填体的稳定 , 对于回收煤炭资源 , 安全开采和保 护地表形貌 , 形态至关重要。条带充填体的稳定性 是指在一定时间内、在一定的地质力和工程力的作 用下 , 因开采充填后充填体替代了煤体应力在充填 体内重新分布而在充填体内出现弹塑变形或裂隙 , 但并不产生破坏性的垮落和滑动。
如前所述 , 按照条带充填体设计的原则 , 首先 合理确定条带充填体和未充填区的宽度。
2 3 1 未充填区宽度的确定
按照条带充填体设计的总体原则 , 保证未充填 区的宽度 b 小于上覆 岩层 (主关键层 ) 初次断裂 步距与底板受承压水威胁的底板关 键层极限破断 跨距。
均布载荷下四周固支的弹性矩形薄板早已有了 精确解 , 但是精确解对采矿工程应用而言不仅十分 复杂 , 而且更为重要的是弯矩是一个隐函数 , 因此 本文采用 M arcus 的修正解得到四周固支边界条件 下上覆岩层基本顶初次断裂步距 L 1的关系式
L 1=
h 1
1-!
? s
q 1
1+? 1
1+! ? 1
(9) 式中 :! 为岩层的泊松比 ; h 1为基本顶岩层厚度 ; ? s 为基本顶岩层抗拉强度 ; q 1为岩层自重及其上 载荷 ; ? 1为采空区几何形状系数 , ? 1=L 1/L2, L 2为工作面长度。
参考文献 [3]底板关键层的极限破断跨距 L 3可以表示为
L 3=h 2s
q 212f(? )
(10) 式中 :f (? ) 为板的最 大主弯矩系数 ; q 2为作用
2010年第 2期 煤 炭 科 学 技 术 第 38卷
在关键层上的均布载荷 ; q 2=q w -q H , 其中 q w 为
含水层水压 , q H 为隔水层载荷集度 ; h 2为底板有
效隔水岩层厚度。
考虑到工作面长度对断裂步距的影响 , 忽略微
小变量 !? 21的影响 , 得到四边固支条件下上覆基本
顶断裂步距 L 1公式如下
L 1= L 2
4
l m
2
-l
m
(l m
2l m
L 22-2-4l m (L2? l m ) (11)
式中 :l m 为顶板步距准数 , l m =
h 1
1-!
s q 1。
底板关键层在水压等作用下的 极限破断跨距 L 1公式如下
L 1= L 2
! L 22+! L 2+4L 2Q l -4Q l 2(L22-l 2Q 2)
(L2<2(2-! )q="">2(2-!>
l Q L 2
(2! +1)L 2-2! L 2Q -K (! 2L 22-l 2Q 2) (! L 22-2Q 2l 2+K ) (L2? 2(-! )Q l)
(12)
式 中 :l =h 22? s , Q =1/(q w -q H ); K = 2+4! L 2Q l -4Q l 。
2 3 2 充填体宽度的确定
参 照 W ilson 提出的 煤柱核区 和屈服区 理论 , 在 W ilson 经验公式下 , 条带开采充填体的最小宽 度 a 应 满 足 a ? 2Y 。 其 中 Y 值 由 英 国 学 者 A H W ilson 提出的下述公式得出
Y =0 00492mH (13) 其次计算充填体所受载荷 p 与充填体极限强度 ? p , 最后根据极限强 度理论 , 要保 持充填体的稳 定性 , 应有 1 5~2 0倍的安全系数 S , 即满足 S =? p /p? 1 5~2 0(14) 在进行开采时 , 可以根据具体的实际围岩变形 情况和充填体受力情况 , 适当增加或减少充填体宽 度 , 因此 , 在既要保护地表建筑物又要减少承压水 威胁的矿井 , 条带充填时应尽量增加充填条带的宽 度 , 为此项技术的完善和推广奠定基础。 3 结 论
1) 在村庄下承压 水上进行条带充填开采中 , 建立了条带充填体的设计准则 , 只要保证未充填采 空区的宽度小于覆岩和底板主关键层的初次破断跨 距 , 且充填条带能保持长期稳定 , 就可有效控制地 表沉陷和底板破坏范围 , 从而减少充填量 , 降低充 填成本。
2) 相对坚硬和松软顶底板对充填体具有完全 不同的接触效应 , 相对坚硬的顶底板能增加充填体 的强度和稳定性 , 而相对松软顶底板则能削弱充填 体的强度和稳定性 , 甚至导致拉断破坏 , 在设计时 应增加充填体的宽度。
3) 充填体侧限应力对充填体的稳定性影响很 大 , 条带充填体两侧的垮落顶板和留设的小段煤柱 能提高充填体的强度和稳定性。
4) 借鉴条带煤柱的稳定性分析理论对井下条 带充填体的强度影响因素和稳定性进行设计分析 , 初步建立充填体稳定性评价体系。
参考文献 :
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作者简介 :刘 坤 (1983-), 男 , 河 南永 城 人 , 硕 士研 究 生 , 主要从事煤 矿膏体 充填方 面的研 究。 Te:l 13912049353, E -m ai:l liukunand@126 co m
收稿日期 :2009-09-10; 责任编辑 :曾康生
范文二:膏体充填技术的发展
膏体充填技术的发展
1、概述
19纪中叶之前 , 世界范围内大部分地下矿山开采都采用横支护的空场法 , 在地质条件不 复杂的环境下 , 可通过增加横撑数量和减小巷道断面等技术措施增加釆场稳定性 , 但对于地质 条件复杂的环境 , 常见的崩落法和空场法都难以营造安全稳定的釆场作业环境 , 随着人类对资 源的渴求以及安全意识的提高 , 充填采矿法作为一种新型采矿方法在 19世纪中期诞生。 1864年 , 美国首次使用水砂充填 , 以保护宾夕法尼亚州的一个位于煤矿区的座教堂基础 , 这是充填 技术在建筑和釆矿行业的应用结合点 , 这一举措拉开了充填釆矿的序幕。在随后的生产实践 中 , 人们总结出充填采矿具有安全、可恢复、高效、环保、降低贫化率、适用性强等诸多优 点。充填采矿从诞生至今已有一百多年历史 , 发展为三大釆矿方法之一 , 该种釆矿方法在许多 不同地质环境下都有过成功应用的历史 , 也因地质环境和釆矿工艺的不同延伸出许多充填采 矿技术。根据充填材料的不同将充填釆矿技术分为干式充填、 水砂充填、混凝土充填、 尾砂 充填、尾砂胶结充填、废石胶结充填、膏体充填、高水速凝充填和其他废弃物充填等。根据 充填所需动力分裂可分为机械充填、 风力充填、水力充填、粟压充填等。根据回采工艺和方 向不同可将充填采矿法分为上向分层充填、上向进路充填、下向分层充填、下向进路充填、 削壁充填、壁式充填以及方框支架充填等多种充填技术形式。
2、国外膏体充填的发展介绍
国外充填采矿技术发展起步较早 , 如前所述 , 早在 1864年人们就已经认识到充填技术可以控 制地表沉陷等问题 , 随后在以美国、德国、南非、澳大利亚等国家的众多矿山开展了充填釆 矿试验 , 并研宄出多种充填采矿工艺。 1930年 , 霍恩公司进行采矿尾砂和炼铜炉澄回填至井下 的干式充填试验 , 成功推动了充填釆矿法在矿山中的应用 , 并在随后一段时间内 , 许多国家的 众多矿山都将奸干式充填釆矿法作为一种治理地表塌陷、处理堆弃废物的一种有效方法。 1959年至 1962年 , 加拿大赢桥镍矿开展采用水泥尾砂砂奖替代替代充填料上层的塾板作为 人工假低的试验 , 开发出水泥固结水砂的充填技术 , 并首次将该技术应用于 Frood 矿山。 1969年 , 澳大利亚 Mount Isa 铜矿开展了釆用水泥胶结充填体代替回采底柱以及铅锌铜冶炼炉澄 代替部分水泥的实验研究 , 这一尝试推动了胶结充填技术发展 , 同时拉开了水泥替代品作为胶 结料的研宄。 1978年 -1983, 德国 Preussag 公司 , 投入大量资金开发出用于分层充填的高浓粗 细微少混合泵压充填系统 , 并在 Grund 铅锌矿以及随后的南非各大金矿中成功应用 , 该技术的 出现首次将膏体充填的概念引入充填采矿技术中 , 并在后期的釆矿工艺中得到了广泛的应用。 1992年 , 加拿大 Sudbary 地区 Creighton 款山也引入了膏体充填技术应用于日常
采矿生产过程中。 1998年 ,Mount Isa铜矿建成膏体充填采矿系统 , 以开采该公司所属的矿体。 目前为止 , 膏体充填采矿技术以其独特的优点 , 如可使用全尾砂及其他固体废弃物 , 充填体脱 水量少 , 充填体强度高 , 水泥消耗量少 , 充填体易于接顶 , 有效降低井下污染和排水费用等 , 在世 界范围内有了广泛的应用。
3、我国膏体充填的发展介绍
我国充填采矿技术发展相比国外晚 , 但我国矿山众多 , 且大多数矿山地质条件复杂 , 充填工艺 与技术的应用形式类型众多 , 尤其是近些年来 , 我国矿山在新的充填工艺技术开发和应用方面 , 都取得很大进步。 我国最早充填技术起源于二十世纪 50年代 , 东北华铜矿山首次釆用了分层 充填采矿法。我国充填技术发展分为五个阶段 :
(1)以矿山堆弃废物为充填原料的干式充填阶段、 其代表矿山有东北华铜矿山 (二十世纪 50年 代 ) 、内蒙古花沟金矿 (二十世纪 60年代 ) 等。干式充填技术是通过风力或者其他机械衆矿山 堆弃废物充填入采空区 , 能够有效有效控制地压活动 , 但同时也具有充填工艺复杂、矿石贫化
率高、劳动力需求大、劳动强度高等特点 , 因此 , 釆用干式充填采矿的矿山数量在不断减少。 (2)以尾砂为原料的水砂充填阶段 , 这其中包括湘潭猛矿 (1960年 ) 、锡矿山南矿 (1965年 ) 、招 远金矿 (1967年 ) 、铜绿山矿 (二十世纪 70年代 ) 等。 水砂充填主要是将尾砂、 炉渔、 碎砂石混 合成固液两相的衆体通过水力输运到井下充填采空区 , 水砂充填可有效减少井底火灾和地表 下降等问题 , 但其充填工艺较为复杂 , 充填质量难以控制 , 排水费用大等缺点。
(3)以分级尾砂、全尾砂等作为充填集料的胶结充填阶段 , 包括凡口铅锌矿 (1968年 ) 、大厂铜 坑矿 (1988年 ) 、焦家金矿 (1998年 ) 、金川龙首镍矿 (1965年 ) 等。鉴于非胶结的水砂充填材料 自立性能差等不足 , 出现了以胶结充填材料作为充填料的胶结充填技术 , 主要以分级尾砂、全 尾砂碎石等材料作为充填集料和水泥等胶结材料配以一定比例的水 , 混合成高浓度的胶结体 通过充填管线输运至待充地点 , 这种充填技术充填体强度大 , 充填速度快且工艺简单 , 也是目 前应用较为广泛的一种充填技术。但该充填技术在充填接顶方面也存在着一些缺点。
(4)以高水速凝材料混合后形成充填材料的高水速凝充填阶段 , 招远金矿、小铁山矿、新桥硫 铁矿等矿山于 90年代初采用了这种充填技术。高水速凝充填是利用高水速凝材料混合后成 为具有较强固水能力的充填材料 , 这种充填技术的充填材料早期强度高 , 可缩短充填回采周期 , 提高生产率 , 有效降低充填材料脱水带来的井底污染。但该充填技术同时存在输运、混合工 艺复杂、充填成本高等缺点。
(5)以高浓度膏体充填材料为充填料的膏体充填阶段 , 主要矿山有金川有色金属公司 (1991年 ) 、 武山铜矿 (1996年 ) 、大冶有色金属公司 (1999年 ) 、会泽铅锌矿 (2006年 ) 等。膏体充填技术是 将充填集料 (尾砂等 ) 、 胶凝材料和水混合成高浓度的膏体通过充填系统输运至待充点 , 该技术 具有充填材料入场后无需脱水 , 抗离析性能好 , 充填体强度高 , 胶凝材料消耗量小 , 充填成本相 对较低 , 易于充填接顶等优点 , 但其充填系统投资成本高 , 充填管道易堵塞。
追溯膏体充填技术发展 ,1979年首次由德国 Grund 矿开发应用 , 并在随后广泛应用于各大矿山。 这种新充填工艺技术 , 将尾砂或其它形式的充填集料经过浓密机和真空过滤机等装置浓缩过 滤后 , 形成膏体形态混合物 , 其浓度一般在 85%左右 , 再通过充填系统经充填管道以结构流形 式泉送至充填位置。
我国膏体充填技术出现相对较晚 , 金川公司于 1991年开始建立、 鉴定了自主的膏体充填试验 系统 , 并于 1996年在金川公司二矿区正式建成膏体充填采矿生产系统 , 标志着我国膏体充填 技术迈上了一个新的台阶 , 随后武山铜矿、铜绿山、会泽铅锌矿等矿山也建成了膏体充填釆 矿生产系统。
范文三:膏体充填
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。
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。
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。
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;
(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 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/m3,工程上常用的单位t/m3。
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/m3。
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:
ε= α1?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 =QL η
hA γ
试中 K---多孔介质的渗透性,m 2;
Q---通过多孔介质渗透出来的流体流量,N s ;
L---多孔介质在流体流动方向的长度,m;
η---流体的绝对黏度,N*s/m 2;
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,m 2;
γ---流体单位体积的重量(重力密度),kg/m3。
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 +σtan φ
胶结剂含量/kg/m3
100200
(1) 抗压强度与胶结剂的关系典型的实验曲线见下图: 06
4
2
0抗压强度/M p a
胶结剂含量(质量/%)
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:
1.4
3850
抗压强度/M p a
1.02522
胶结剂含量/8%
0.6
0728养护时间/d
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:
河 砂
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。
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。
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。
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。
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。
5.2 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。
5.3 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。
6 充填采煤法对采场矿压控制规律分析
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。
6.1 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。
-120
-20
记录顶板下沉量/m m 05101520253035
455055-40
-60
-80
-100
-120离工作面距离 /m
不同配比的膏体充填材料强度与顶板下沉量关系
如上图所示,顶板的初期下沉量比较大,主要可见矸石膏体的强度对充填效果有很大的影响,强度越大顶板下沉量越小,所以控制矸石膏体的强度可以改善顶板管理效果是因充填体的强度低,处于两相受力,承载能力差,随着充填的进行,充填体的强度逐渐增加,并且处于三相压缩当中,充填体承载能力大大加强。
可见矸石膏体的强度对充填效果有很大的影响,强度越大顶板下沉量越小,所以控制矸石膏体的强度可以改善顶板管理效果。
6.2 充填体欠接顶量的影响
充填体进入采空区,最初是不受力的,以后随着充满度和充填体强度的增加而具备了吸收地应力和转移应力的能力,参与地层的自组织系统和活动。根据应力转移原理,充填体弹性模量越大,也即充填体强度越大,应力转移的效果越好,围岩就越稳定,顶板下沉量就越
小。
将直接顶简化成一边固支一边简支的弹塑性梁体。直接顶在受限空间中,如果弯矩不大,直接顶根据自身的承载能力不会破断,在下个充填循环就会将这部分空隙充填上。充填体欠接顶量过大,会造成直接顶活动的受限空间增大,导致其断裂破坏,又受到支架的反复的支撑作用,加速直接顶的破碎。这样当支架的后梁回收后,直接顶就会跨落下来,充填了这部分空间,使充填体欠接顶量转化成了顶板下沉量的一部分。最后会直接影响到地面,使得地表下沉加大,造成充填效果变差。整个充填前下沉量,充填区的下沉量占到一半左右的部分,如果欠接顶量过大,造成直接顶破碎深度增加,直接顶将不能成为良好的承载体,重量会全部集中在后梁上,造成对支架后梁的破坏。
6.3 充填步距的影响
充填步距受多种因素的影响,比如充填能力、充填支架的支护能力和顶板的破碎程度。但是根据现在支架对充填区的支护能力来说,步距越小顶板下沉量就越小,步距越大顶板下沉量就越小。但是根据高产高效的原则,又希望充填步距加大,所以要衡量得到合理的充填步距。工作面顶板下沉与充填步距的关系如图5所示。
200
190
顶板下沉量/m m 180
170
160
150
1401.21.41.61.8
充填步距
/m22.2
6.4支架性能的影响
在充填开采当中,上覆顶板可以简化成梁结构,梁的一端被煤壁支撑,中间受到支架或支柱的支撑,另一端被充填体承载,所以矿压显现不明显,没有初次来压和周期来压或初次来压和周期来压不显著。
支架的作用除了保证采场的安全,保证顶板下沉量在合理的范围,保证直接顶和老顶没有离层确保直接顶的完整。事实证明直接顶对充填开采的影响是比较大的,直接顶的稳定是确保充填开采的重要因素,而确保直接顶的稳定的前提就是保证不离层。因此支架的设计除了要考虑能承载直接顶冒落矸石的重量,还要确定直接顶和老顶未分层,因为只有这样才能保证直接顶的破碎程度最小。
范文四: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。
图 3 不同配比的膏体充填材料强度与顶板下沉量关系
如图 3所示,顶板的初期下沉量比较大,主要可见矸石膏体的强度对充填 效果有很大的影响, 强度越大顶板下沉量越小, 所以控制矸石膏体的强度可以改 善顶板管理效果是因充填体的强度低, 处于两相受力, 承载能力差, 随着充填的 进行, 充填体的强度逐渐增加, 并且处于三相压缩当中, 充填体承载能力大大加
强 。
可见矸石膏体的强度对充填效果有很大的影响,强度越大顶板下沉量越小, 所以控制矸石膏体的强度可以改善顶板管理效果。
2)充填体欠接顶量的影响 充填体进入采空区,最初是不受力的,以后 随着充满度和充填体强度的增加而具备了吸收地应力和转移应力的能力, 参与地 层的自组织系统和活动 。 根据应力转移原理, 充填体弹性模量越大, 也即充填体 强度越大,应力转移的效果越好,围岩就越稳定,顶板下沉量就越小 。
将直接顶简化成一边固支一边简支的弹塑性梁体 。 直接顶在受限空间中, 如 果弯矩不大, 直接顶根据自身的承载能力不会破断, 在下个充填循环就会将这部 分空隙充填上 。 充填体欠接顶量过大, 会造成直接顶活动的受限空间增大, 导致 其断裂破坏, 又受到支架的反复的支撑作用, 加速直接顶的破碎 。 这样当支架的 后梁回收后, 直接顶就会跨落下来, 充填了这部分空间, 使充填体欠接顶量转化 成了顶板下沉量的一部分 。 最后会直接影响到地面, 使得地表下沉加大, 造成充 填效果变差 。 整个充填前下沉量, 充填区的下沉量占到一半左右的部分, 如果欠 接顶量过大, 造成直接顶破碎深度增加, 直接顶将不能成为良好的承载体, 重量 会全部集中在后梁上,造成对支架后梁的破坏 。
欠接顶量和支架载荷的关系如图 4所示。 当支架的欠接顶量增加的时候, 支 架的载荷增加, 当欠接顶量增加到一定程度可以看做是传统的跨落法采煤, 支架 的载荷最大。
3) 充填步距的影响 充填步距受多种因素的影响, 比如充填能力、 充填支架的 支护能力和顶板的破碎程度。 但是根据现在支架对充填区的支护能力来说, 步距 越小顶板下沉量就越小, 步距越大顶板下沉量就越小。 但是根据高产高效的原则, 又希望充填步距加大, 所以要衡量得到合理的充填步距。 工作面顶板下沉与充填 步距的关系如图 5所示。
4) 支架性能的影响 在充填开采当中, 上覆顶板可以简化成梁结构, 梁的
一端被煤壁支撑, 中间受到支架或支柱的支撑, 另一端被充填体承载, 所以矿压 显现不明显,没有初次来压和周期来压或初次来压和周期来压不显著 。
支架的作用除了保证采场的安全, 保证顶板下沉量在合理的范围, 保证直接 顶和老顶没有离层确保直接顶的完整 。 事实证明直接顶对充填开采的影响是比较 大的, 直接顶的稳定是确保充填开采的重要因素, 而确保直接顶的稳定的前提就 是保证不离层 。 因此支架的设计除了要考虑能承载直接顶冒落矸石的
重量, 还要确定直接顶和老顶未分层, 因为只有这样才能保证直接顶的破碎程度 最小。
6.2 膏体充填矿压监测
因为这是第一个矸石膏体充填工作面 (数据来自小屯矿) , 以前没有相应的 矿压显现的数据。 为了及时对工作面支架的工作阻力进行观测, 并回馈到实际的 生产活动, 充填工作面采用泰安尤罗卡公司开发的工作面在线监测系统, 对工作 面其中 6架支架(6#、 20#、 34#、 50#、 65#、 74#支架)进行在线监测。在这 6架 支架上安装远传支柱压力传感器(分前立柱 、 后立柱),直接由 KJ216顶板动 态监测系统在线连续观测工作面,来掌握矸石膏体充填工作面的矿压显现规律。 如表 1所示, 在前 60m 的范围里, 支架的初承力达到了要求的 3200 kN, 但是工 作阻力没有达到要求, 随着工作面的推进, 支架的工作阻力有了很大的提高, 但 是工作面阻力还不是很大,动压系数比较低。
在充填开采当中巷道变形比较平稳, 变形不大, 而在非充填开采当中, 巷道 变形剧烈, 变形值比较大; 并且充填开采当中巷道受采动影响的距离为 18m , 而 非充填开采巷道受采动影响为 24m 。 所以在充填开采当中, 巷道可留设作为下个 工作面继续使用 [3]。
7 膏体充填下对地表沉陷影响分析
7.1 地表沉陷影响因素及分析
地下开采就会引起地表的移动。 膏体充填可以有效的控制地表沉陷。 但也不 能完全控制采空区上覆岩层的变形、 移动和破坏。 因为充填总是滞后采煤进行的。 这就不可避免的会引起一定的沉陷乃至破坏。 因此了解和控制引起下沉的因素对 “三下”采煤是至关重要的。
通过理论分析和膏体充填开采的实践可以总结出 。 其影响因素可从三个方面 考虑 。 即下沉量因素、 压缩量因素和岩性因素。 分析考虑时列出下面的六个具体 影响参数 : S 1为充填前的顶板下沉量 :S 2为充填欠接顶量 :S 3为充填体压缩量
:
S 4为顶板压缩量 :S 5为底板浮煤压缩量 :S 6为底板压缩量。
这六个因素中按性质不同分为两部分。即下沉量因素、压缩量因素 。 其中 S 2可看作下沉量的因素 。 因为未充满的欠接顶量会直接导致顶板的下沉 :S 3为 充填体压缩量。 与其本身的强度和围岩的压力有关 。 而顶板、 底板和浮煤的压缩 量与顶底板的岩性有关。 应根据实际情况具体确定其影响大小。 它们都属于压缩 量因素。 此外 , 特定的地质条件下还存在岩性因素。 而此时它有可能成为主要因 素之一。 当上覆岩层中存在关键层时得考虑关键层的破断下沉对地表的影响 。 充 填要控制住主关键层的下沉 。 进而达到控制地表沉陷的要求。当矿区有深厚表 土层覆盖时。还要考虑土层固结和地表水下降引起的地表下沉 [4]。
1) 充填前顶板下沉量
充填前顶板下沉量 S 1, 它可以用顶底板移近量来估算 , 根据上覆岩层移动规 律 , 可以得出顶底板移近量与煤层采高、 控顶距成正比关系 , 即顶底板移近量可 按下面公式计算 :
s=ηML ′ D
式中 , M 为煤层采高 , m ; L ′ D 为最大控顶距 (煤壁至末排柱的距离 ), m ; η为下沉系数。
根据我国 50个工作面的现场实测数据统计结果得知 , 下沉系数 η=0.025~ 0.05, 这个统计是基于摩擦支柱而得出的 , 而单体液压支柱时会偏小 , 更由于充 填开采时矿压显现不明显 , 对充填开采液压支柱 (架) 的工作面这个系数是偏大 的 , 其取值应更小。
生产实践表明 , 在单体液压支柱工作面控顶范围内 , 顶底板移近量每米采高 不超过 100mm 时 , 该工作面顶板状态是好的 , 也容易控制 [3], 而在充填开采时为 了有更多的空间来充填要尽量提高支护强度 , 因为此时的目的已不是对顶板的简 单控制了 , 后面的数值模拟计算和生产实践都表明控制充填前的顶板下沉量对最 终控制地表沉陷是多么的重要。
2)充填体欠接顶量
在充填结束以后充填体顶部和煤层顶板存在一定的空间尚未充满, 充填体顶 部至煤层顶板的距离称为欠接顶量。
由于充填体欠接顶量会马上反应到顶板的下沉量上面, 因而可以把其归结到 下沉量的影响因素里。 国内金属矿山在充填体接顶方面做了许多研究, 一般的胶 结充填由于泌水其接顶率能达到 70%以上已很高 , 而膏体不泌水或泌水小的特性 使其充填接顶率会更高 , 这对充填工作是有利的 , 但由于煤矿覆岩赋存条件和顶 底板岩性与金属矿山的不同 , 如果采煤后顶板支护强度达不到设计的要求 , 顶板 的破坏会很严重 , 结果是形成一个个下沉网兜 (分层开采时) , 造成接顶的假象 , 这样就会降低充填体的接顶率 , 从而增大顶板的进一步下沉而最终导致地表的下
沉。充填时要特别注意加强对充填前顶板下沉量的控制和管理。
3)充填体压缩量
充填体各种物理参数相对于煤层顶底板岩石来说都要低的多 , 以相对“软” 的充填体置换相对“硬”的煤 , 充填体周围的顶、底在大的顶板压力作用下 , 不 可避免的要产生压缩变形 , 从而引起地表的下沉。 工作面充填体的压缩量除了受 到充填体的强度 , 充填材料的颗粒集配、 泌水性等自身性能的影响外 , 还与围岩 压力的大小有关。 膏体充填材料的牙膏状、 不泌水的性质决定了充填体的泌水是 少量甚至不泌水的 , 水砂充填时充填体压缩率在 5%~6%的范围之内 , 膏体充填 时充填体的压缩率应该小于此值。 但在进行膏体充填设计时 , 充填体的压缩率是 一个很重要的参数 , 要通过实验来确定最终的配比和强度 , 毕竟它是人工配制的 “岩层” 在加入到大地应力的综合作用中起的作用是非常重要的 , 因此认为它也 是最终地表沉陷的主要影响因素之一。
4)顶底板和浮煤压缩量
充填工作面顶板在开采过程中 , 顶板在放炮、 单体支柱或支架反复支撑的影 响下 , 顶底板移近 , 顶板出现破碎 , 局部区域出现顶板冒落的情况 , 顶底板原来 的实体岩层或煤层变成松散体 , 充填结束后顶底板在上覆岩层或者充填体的压力 下会产生压缩 , 而这个压缩性和岩石碎胀性可以看成互为逆过程 , 一般岩石的碎 胀系数取 <1.2, 那么这个压缩量系数也只有="">1.2,><0.2如果能控制好充填前的顶底板 支护="" ,="" 保证其较完整="" ,="" 那么这个压缩量会更小="" ,="" 甚至在初步的研究中可以忽略不="">0.2如果能控制好充填前的顶底板>
5)上覆岩层的影响
在研究地表沉陷时 , 地表下沉系数 η是个很重要的参数 , 其与上覆岩层岩性 和采空区处理方法有关。一般认为 , 岩石愈坚硬 , 下沉系数愈小 , 反之则愈大。 当上覆岩层中存在关键层时 , 对控制地表沉陷是有利的 , 膏体充填就应该保证关 键层不破坏的基础上进行设计 , 通过采动岩层充填控制理论的研究 , 充分利用上 覆岩层关键层的作用 , 在保证不迁村 , 保护地表建筑物安全的前提下 , 在有条件 的地方尽量采用部分充填 , 通过减少充填量降低成本。
6)厚表土层的影响
厚松散层地区煤层开采地表下沉的特殊性 , 主要表现为地表下沉和水平移动 较一般情况大 , 主要原因在煤层开采沉陷过程中 , 岩土体内部的变形场和渗流场 之间 , 应力场和渗流场之间、 裂隙场和应力场之间存在耦合作用 , 在土体沉陷过 程中具体表现为变形场与渗流场的相互作用 , 即水土相互作用。 水土相互作用表 现土体变形上出现压缩和膨胀并且压缩和膨胀变形随着开采和时间的延续而发 展。 随着冲积层内层间水的疏失 , 造成土层固结密实 , 从而加大了地表的下沉量。
由于厚表土层在开采后重新固结的原因导致地表下沉系数大于 1, 一般在 1.1左右 。 对一些厚表土层开采矿区下沉系数统计 , 重复采动系数为 1.16~1.29。其 中水位下降可以引起地面附加下沉造成下沉系数的增大 , 而超静孔隙水压力的增 长与消散的水土耦合作用是造成厚松散层地区开采沉陷特殊性的更普遍的机理。 因此在有厚表土层的矿区进行充填开采时 , 考虑开采沉陷因素时 , 重复采动条件 下厚表土层的重新固结也是一个比较重要的因素。
最终地表沉陷的影响因素可从三个方面考虑, 即下沉量因素、 压缩量因素和 岩层性因素。
(1) 在下沉量因素中,充填前的顶板下沉量 S 1和充填体的欠接顶量 S 2是 两个主要影响因素, 因此在充填时要加强充填前顶板的支护强度, 进而控制充填 前的顶板下沉量;同时也要保证充填体的接顶率。
(2) 在压缩量因素中,充填体的压缩量 S 3也是主要影响因素之一。因为 充填体要接受 “上压下顶” 的考验, 造成的压缩量会直接反应到最终的地表沉陷 量上; 而顶底板和浮煤的压缩量是次要因素,它们的大小与自身岩(煤) 性有 关,在设计计算时可取 S 1、 S 2、 S 3 三者主要因素和的一定比例。
(3) 在岩层性因素中, 主要是考虑了各个矿区的不同, 即地质条件的特殊 性方面, 当有关键层存在时在保证其不破坏的基础上进行设计, 可以考虑部分充 填,降低充填体强度等,以尽量降低充填成本;当存在厚松散表土层时,要考虑 水土耦合作用对地表沉陷的影响, 而此时也工作面内支护参数存在一定的优化空 间许它也就成了引起地表沉陷的主要因素之一了。
8 膏体充填在沿空留巷中的技术应用
8.1 煤矸石膏体巷旁充填
利用煤矸石膏体充填材料进行巷旁充填是中国矿业大学最近提出的沿空留 巷巷旁充填技术新途径。巷旁充填成本中充填材料费用一般占 70%~80%,因此 研制价格低廉、 性能优良的, 对煤矸石膏体充填材料的研究是这项新的巷旁充填 技术是否能应用的关键。
8.2 充填材料的要求
(1)工艺性能 满足输送要求,坍落度在 20cm 以上。粉煤灰与胶结料的 用量总和在 300 kg·m -3以上。
(2) 强度性能 对于沿空留巷巷旁充填的煤矸石膏体巷旁充填材料 1 d强 度要达到 4 MPa,后期强度达到 10 MPa。
(3)经济性 在满足以上的工艺性和强度的要求下尽可能的降低成本, 符合现场实际。 这样才能在各矿应用并推广开来, 所以应控制胶结料的用量, 胶 结料用量不应高于 250 kg·m -3。
8.3 充填材料配比
煤矸石膏体巷旁充填材料的最优配合比为胶结料 250 kg·m -3,矸石粉的用量 1237kg ·m -3,矸石粒级组成为粗矸石(8~25mm)占 0.48%,细矸石(0.08~5) 占 0.52%,浓度为 85%,粉煤灰加量为 300 kg·m -3。
矸石粒级的水平划分对膏体充填材料的强度影响很明显, 并且在矸石粉中细
颗粒的百分比含量 52%是最好的。
细集料对煤矸石膏体充填材料的和易性影响很大。 矸石粒级的划分不同, 在 很大程度上影响该材料的可泵性 [6]。
9 膏体充填的的技术经济展望
在煤矿应用膏体充填不迁村采煤技术是可行性的, 膏体充填开采作为一项新 工艺、 新技术, 在我国煤矿同样具有强大的生命力和广阔的应用前景, 膏体充填 技术在解决煤矿村庄下压煤开采问题的同时,还为煤矸石、洗选矸石、粉煤灰、 工业炉渣、 城市固体垃圾等废弃物开辟了新的处理途径, 为有效推进煤矿绿色开 采创造了条件,具有深远的经济意义和社会意义。
应用膏体充填技术解决煤矿不迁村开采问题在国内外还属首次, 而且膏体充 填开采技术含量较高,充填料浆的制备与输送、充填设备的选择、系统设计,以 及工作面充填工艺与设施等均有独特的技术要求, 在开始实践时无疑可能存在某 些不完善之处。 因此, 在工业性试验期间, 还要加强对充填工艺的研究以及试验 数据的系统采集和详细分析, 并对地表变形沉陷规律进行详细观测, 为相关工艺 技术的提升和推广积累经验,奠定基础。
充填采矿的经济环境效益评价是固体废物不迁村采煤技术体系中一个重要 方面。 虽然, 环境保护、 矿产资源的充分利用在我国得到越来越多的重视, 但是, 目前有关的政策还是不够完备, 调控开采环境的保护、 矿产资源的破坏与浪费的 政策力度还不够。 煤矿往往不需要为资源的过多耗费, 以及开采对当地土地资源、 地下水资源和生态环境得长期不良影响付出足够的成本。 这些不利于旨在提高煤 炭资源采出率、 保护地表村庄及生态环境不受采动破坏的固体废物不迁村采煤技 术的发展。所以,当前,强调充填采矿经济环境研究尤为重要,通过有关研究, 可以向政府相关部门提出有关矿产资源开采费、 土地占用与补偿收费、 污水排放 收费、 固体废物排放收费等政策的科学建议, 营造必要的政策环境, 推动固体废 物膏体充填不迁村采煤技术的发展, 促进煤炭资源绿色开采。 充填采矿经济环境 评价首先是认识充填采矿的全面作用。 煤矿采用固体废物膏体充填实现不迁村采 煤, 需要投入的费用包括膏体充填系统建设费用、 膏体充填材料费用、 膏体充填 运行费用和少量的地面村庄房屋的维修费用, 而获益方面不仅是节省了村庄搬迁 费用,还体现在以下方面;提高煤炭资源采出率,减少排水费用,减少巷道与工 作面维护费用, 减少固体废物排放费用, 减少采空区防灭火工程费用。 有冲击地 压发生危险得矿井, 采用膏体充填以后, 明显降低采场周围集中应力, 对防治冲 击地压十分有利。
固体废物膏体充填不仅能够帮助煤矿多采出煤炭资源, 促进安全生产, 节省 支付村庄搬迁费用和土地损害赔偿费用, 还减少了煤炭开采对当地土地和地下水
资源的破坏,也利用固体废物,变废为宝,是一项利矿、利民、利国的新技术, 呼吁中央和地方政府积极支持和扶植此项技术的发展与应用。
参考文献:
[1] 瞿群迪,周华强,侯朝炯,关明亮 . 中国矿业大学能源科学与工程学院,煤 矿膏体充填开采工艺的探讨 .
[2] 周华强,侯朝炯,孙希奎,瞿群迪,陈德俊 . 中国矿业大学能源科学与工程 学院。固体废物膏体充填不迁村采煤 .
[3] 李永元,周华强,秦建云,刘坤 . 中国矿业大学矿业工程学院 . 矸石膏体充 填采煤面矿压显现规律 .
[4] 武龙飞,周华强,李锋,瞿群迪,郭振华 . 中国矿业大学能源与安全工程学 院 . 充填开采引起地表沉陷的影响因素探讨 .
[5] 刘坤,周华强,李永元,李亮 . 中国矿业大学矿业工程学院 . 煤矿膏体充填 料浆浓度的自动化监测 .
[6] 何荣军,周华强,郑保才 . 中国矿业大学能源学院 . 煤矸石膏体巷旁充填材 料的研究 .
范文五:膏体充填材料速凝技术研究方案
膏体充填材料速凝技术研究方案
目 录
摘要 .................................................................................................................................................. 2
前言 .................................................................................................................................................. 2
1 充填技术研究 ............................................................................................................................... 2
1.1 膏体充填技术简介 ............................................................................................................ 2
1.2 我国充填采矿技术的应用现状 ........................................................................................ 3
1.3 充填采矿技术的优势分析 ................................................................................................ 4
1.4 充填采矿技术发展中存在的问题及改进建议 ................................................................ 5
2 膏体充填材料研究 ....................................................................................................................... 7
2.1 膏体充填材料的研究进展 ................................................................................................ 7
2.2煤矿膏体充填材料的特点 ................................................................................................. 8
2.2.1 膏体充填材料在煤矿应有的一般要求 ................................................................. 8
2.2.2 膏体充填材料的优越性 ......................................................................................... 8
2.2.3 膏体充填材料的强度特性 ..................................................................................... 9
2.3膏体充填材料强度影响因素 ............................................................................................. 9
2.4 膏体充填材料的组成 ...................................................................................................... 10 3 速凝剂研究 ................................................................................................................................. 10
3.1 国内外速凝剂发展现状 .................................................................................................. 11
3.1.1 国外概况 ............................................................................................................... 11
3.1.2 国内现状 ............................................................................................................... 13
3.2速凝剂作用机理 ............................................................................................................... 18
3.3膏体充填材料对速凝剂的一般要求 ............................................................................... 19 4膏体充填材料速凝技术研究实验 .............................................................................................. 20
4.1 膏体充填材料的组成与配制 .......................................................................................... 20
4.2膏体充填材料速凝剂的选择 ........................................................................................... 21
4.3 实验目的 .......................................................................................................................... 22
4.4 实验步骤 .......................................................................................................................... 22 参考文献......................................................................................................................................... 25
1
膏体充填材料速凝技术研究方案
蒋 昊 良
摘 要:膏体充填材料由煤矸石、粉煤灰、PL膏体胶结料和水组成。速凝技术的研究在膏体充填材料性能研究中居于十分重要的位置。通过实验室实验,可以得出不同型号的速凝剂当掺入量不同时对膏体充填材料凝固时间及抗压强度的影响,为选择合适的速凝剂和掺入量提供了实验依据。
关键词:膏体充填材料;速凝技术;速凝剂;掺入量
前言
为了实现废物综合利用,提高废物利用率,改善矿区环境,中国矿业大学周华强教授利用煤矸石、粉煤灰、胶结料等进行合理配比,研制出一种新型的人工材料—膏体充填材料。这种材料早期强度大,胶结时间可调,将其应用于煤矿充填采矿中,不仅解决了建筑物、水体下等压煤问题,而且有效的减少了地表沉陷,提高了煤炭资源采出率,保护了土地资源。
为了使膏体充填材料更好的服务于煤矿生产,需针对膏体充填材料的速凝性能做大量的实验室实验研究。其中,速凝性能是指膏体充填材料在正常坏境下凝固时间的长短,一般要求膏体充填材料凝固时间小于2h,强度达到0.1 MPa以上,28d强度达到1~5 MPa。
1 充填技术研究
1.1 膏体充填技术简介
膏体充填技术是1979年在德国的格伦德铅锌矿首先发展起来的,由于膏体充填具有料浆质量分数高、充填效率高、成本较低等优点,这项技术试验成功以后在金属矿山得到较快的发展,在包括中国在内的许多国家得到应用。膏体充填技术在德国Wallsum 、Monopol 等数个煤矿薄煤层开采中也曾得到应用,其使
2
用的膏体充填材料是非胶结性的,没有胶结料,充填的主要目的是处理固体废物。中国东部地区村庄压煤多数是厚煤层和中厚煤层,沿用德国煤矿非胶结膏体充填不能够达到不迁村采煤的要求。所以,必须发展固体废物胶结性膏体充填。但是,在中国煤炭系统,固体废物膏体充填技术目前还处于研究阶段,煤矿不迁村膏体充填与金属矿山膏体充填相比,在充填材料、充填目的和充填要求等方面均不相[1-2]同。膏体充填采矿技术在充填采矿工程中发挥非常重要的作用,尤其是在金属采矿工程中得到广泛推广使用。膏体充填采煤技术实际就是将煤矿矿井附近的煤矸石、粉煤灰、河砂以及城市固体废弃垃圾等在需要填充的地面,按照相关配比要求加工制作成不需要进行脱水处理的牙膏状浆体,然后利用高压充填泵或重力加压进行加压灌注,通过浆体输送管道送入到需要充填的矿井下,根据工程实际地形适时充填已经采空的采煤区的充填采煤方法。
由于膏体充填采煤技术所进行的充填与采煤工序均位于同一个工作面,同时充填体的构筑方法与金属矿山充填有所不同,需要构筑专门的充填膏体充填隔离支架,同时在充填过程中煤矿对充填材料强度性能水平要求较高,需要充填体在充填后数小时就能承载整个采煤过程产生的矿压。煤矿膏体充填采煤技术所采用的充填原材料多为劣质低质固体废弃物,其充填原材料品质间差距较大,质量波动非常大,膏体充填采煤技术在采空区充填过程中具有料浆流动性好、充填密实度高、以及充填体强度较高等优势,能够对采矿区周围的岩层移动与地表沉陷进行有效控制,但由于整个膏体充填工程在初期投资非常高,根据大量文献资料和实际工作经验分析,初期投资通常高达3000万元左右,这样会导致煤矿吨煤充填成本相应大大增高,大致为60~100元/t,这也就限制了膏体充填技术在采煤过
[3]程中的应用。
[4] 1.2 我国充填采矿技术的应用现状
中国的充填技术经历了废石干式充填、分级尾砂水力充填、 碎石水力充填、混凝土胶结充填、磨砂胶结充填、分级尾砂或天然砂充填、废石胶结充填、全尾砂胶结充填、赤泥胶结充填和膏体充填的发展过程。但中国矿山数量多,开发与应用的充填工艺与技术类型多,尤其是近十余年来,在新的充填技术的研究开发 和推广应用方面均取得了长足的进步。综合起来,中国的充填采矿技术发展大体
3
分以下几个阶段:
第一阶段是20世纪50年代、60年代,均是以处理废弃物为目的的废石干式充填工艺。1955年废石干式充填在有色金属矿产地下开采占38.2 %,在黑色金属矿床地下开采中竞达到了54.8 ,。但废石干式充填因其效率低、生产能力小和劳动强度大,满足不了采矿工业的发展,国内干式充填采矿所占比重逐年下降,几乎处于被淘汰的地位。
第二阶段是20世纪70年代、8O年代,开始应用尾砂胶结充填技术,由于非胶结充填体无自立能力,难以满足采矿工艺高回采率和低贫化率的需要,所以在水砂充填工艺得以发展并推广应用后,开始采用胶结充填技术。20世纪70年代细砂胶结充填在广东凡口铅锌矿、山东招远金矿和焦家金矿等矿山得以应用。这一时期的细砂胶结充填料主要以尾砂、天然砂和棒磨砂等作为充填集料,胶结剂为水泥。目前,以分级尾砂、天然砂和棒磨砂等材料作为集料的细砂胶结充填工艺与技术日臻成熟。
第三阶段是20世纪90年代以来,随着采矿工业的发展,原充填工艺已不能满足回采工艺的要求和进一步降低采矿成本或环境保护的需要。因而发展了高浓度充填、膏体充填、废石胶结充填和全尾砂胶结充填等新技术。我国分别在广东凡口铅锌矿、南京铅锌银矿、广西大厂铜坑锡矿、湖北丰山铜矿等矿山投产使用。
[4]1.3 充填采矿技术的优势分析
矿山充填采矿法之所以得到广泛的应用,所占的比重日益增加,综合起来其原因有下列几点:
(1) 充填体可以控制采场地压,支撑围岩,减少、延缓和阻止采后空区围岩的破坏和移动。有利于开采深部矿床,水下、建筑物下和构筑物下的矿床,以及有自燃倾向的矿床。
(2) 矿石回采率高,贫化率低,采选综合经济效益好,并可减少地面尾矿坝占地面积。开采地面需要保护的矿床,使用充填采矿法可保护地面不发生陷落;充填采矿法开采有自燃倾向的矿床,可有效地防止火灾的发生。
(3) 开采作业机械化。采用凿岩台车凿岩,铲运机出矿,锚杆机安装锚杆、
4
锚索护顶等,使充填采矿法成为高效率的采矿方法。大力开展了充填理论的研究, 推广了充填料输送管路化,充填过程自动化,研发了代替水泥的胶凝材料,采用高浓度均质流的浆体输送,从而使充填体强度提高,成本下降。
(4) 深部充填采矿技术。随着矿床开采的不断延伸,采场范围扩大,地压增高,尤其是高地应力矿区,不仅采场突变失稳风险在增加,而且潜在的危害也加大。所以进行深部充填采矿可以解决采场不平衡应力的传递和调整,其传递和调整的结果,可能导致原岩应力场再次处于平衡状态。
[4]1.4 充填采矿技术发展中存在的问题及改进建议
结合上面的原因可以看出,充填采矿法从某些方面代表了国内外矿山发展的趋势,但是充填采矿的技术研究和应用方面还存在着某些问题,下面笔者对充填采矿发展提出一些粗浅的改进观点与建议。
(1) 创造新型采矿工艺,保证充填质量。充填采矿技术要结合矿山特点,矿床开采技术条件,发明或创造一些与其他采矿技术相结合的新型采矿法。对于缓倾斜极薄矿脉开采,可用矿岩分掘,废石抛掷充填空区,即削壁充填和爆力运矿相结合的采矿法。对于厚大而矿岩较稳固的矿体,可用浅孔和中深孔空场采矿法开采,采后空区用尾砂胶结、块石胶结或高水材料充填,即阶段连续回采快速充填工艺,既降低成本,又增大效率,也作到对采空区的处理。
另外,采场设计对充填质量的好坏影响很大,采场几何形状的设计往往是为了适应矿山生产要求和便于通达,而并非是为了充填料的充放和保持充填质量的功能。一旦充填料离开浆体供给管路,输送机卸料端或车辆铲斗,充填料质量控制可能不再受到矿山工作人员制约,所以充放点的位置将会影响充填料可能发生的分凝度,靠近采场一侧布置充放点时,随着分凝量增加,在开始沉降前充填料必须移动的距离将会加大,这种充放方式将在紧靠充放点的下部产生很强的充填角,而离开充放点的距离越大,端壁越松弱,当采场尺寸很大时,应当放置另外的充放点,以便缩小充填料移动的距离,从而使充填质量下降的趋势得到缓解。
(2) 开发研制低成本、高强度的新型充填固化材料。充填料的物理特性包含:孔隙率、湿度、容重、粒度、固体含量及其级配、渗水度、抗压、抗剪力学强度、
5
可压缩性等。充填体的物理力学特征与许多因素有关,主要取决于骨料的成分及其结构、胶结材料的成分及其组成方式等,它直接影响充填体的强度和采场的稳定性,这是充填采空区必不可少的材料基本性能研究,因此各国都对此进行了深入研究。
比如:高水材料优点是可以使用全尾砂,充填体固结速度快,充填料无重力水排出因而避免了井下环境污染并节约了排水费用,充填料可以低浓度远距离输送、充填效率高。但是充填体强度不高,这种固结材料在应用过程中极易风化, 脱水后强度有所降低。另外材料成本价格高。在矿山和其他工程应用中,没有长期稳固性证明其有抵抗爆破震动性与冲击性,抵抗各种性质渗滤水腐蚀性以及抵抗地应力作用变形破坏与地热作用、冰冻作用等特性。为此,需要加强对高水材料的长期性能研究。
(3) 研制高效矿山充填设备和提高矿山充填自动控制与自动化水平。矿山充填系统的自动化程度的高低直接影响和制约矿山的发展,但是由于国产的相关设备技术性能稳定性差,遏止了矿山充填技术的发展。所以必须加强研制高效浓密设备(如:高效浓密机、陶瓷过滤机、真空过滤机、盘式过滤机等),为高浓度全尾矿浆的制备提供有效保证,同时研究减少或消除充填设备磨损和腐蚀的方法。更重要的是要研制高浓度输送设备,采用压排设备输送调节各段输送压力, 防止输送堵管现象。对于充填系统卸料浓度和物料流量的自动控制技术正常化,最为关键的是要研制和引进适合于矿山应用的自动化设备和仪表,建立真正意义上的自动控制系统,从而调节充填系统的全尾矿卸料、允填固化材料和清水等物流量来自动调节充填浓度。
(4) 严格充填站管理制度,定期采样、确保充填质量。现代化的充填站都装备有各种电子设备和机械设备,以利于生产所需的充填材料。这种充填站一般都是地表设施,设置在矿山选矿1 km内或其附近,以利于选矿厂供应充填站制备充填料所需的组分。
各充填站的设计一般都很相似,而且制备流程所需的各种设备,包括泵、阀、流量计、浓度计和胶结计量装置,都已使用电子控制。胶结剂材料和混合浆体浓度的剂量控制对保持充填料质量都是最重要的因素。为达到有效的剂量,许
6
多称重装置和流量监测装置都取决于精确的校准。为保持松散充填材料的合理速 度控制,大多数充填料制备站对充填料制备流程的设备既不进行定期的也不进行系统的检查,即使有这种检查的话,也只是安排每半年或更长的周期进行维护和检查工作。另有一些充填站,只是在设备发生故障或各种流量计计量系统发生故障时才进行检查 。
因此,为了使充填料制备站流程控制保持最低限度的适宜程度,应当建立设备的定期检查制度作为最终检验充填料制备站质量控制适宜程度的手段,不管仪器的精度和机械化程度如何,对充填站产品进行定期采样检查,可确保充填料的物理特性维持在所需要求的水平上。
2 膏体充填材料研究
[5] 2.1 膏体充填材料的研究进展
随着矿山充填技术的发展,充填材料和工艺在不断改进和创新的过程中得到了发展。在水砂充填基础上发展起来的胶结充填技术经历了低浓度胶结充填、高浓度胶结充填和膏体泵送充填及高水速凝材料固结充填3个主要阶段。为了提高充填质量传统的低浓度胶结充填发展成近十几年出现的高浓度全尾砂胶结充填、块石砂浆胶结充填、碎石水泥浆胶结充填和膏体泵压输送胶结充填,主要采用水泥作为胶结料。中国矿业大学和西北矿冶研究院分别开发了高水充填材料和全尾胶固充填材料。长期以来,大量的井下采空区充填需要消耗数以万吨计的水泥。据统计,充填成本占采矿成本的1/3左右,充填成本中充填材料又占80,以上,昂贵的充填成本不仅给矿山造成很大的经济压力,而且严重制约了充填采矿技术的应用和发展。采用新技术,在不降低充填体强度的条件下,降低水泥消 耗量是充填技术的主攻方向。
膏体充填所用胶凝材料一般为一类以普通硅酸盐水泥为基材(占一半左右),与石膏、石灰和多种外加剂等科学配制的复合材料。为了降低充填材料的成本,胶结充填材料中的骨料用尾砂或采矿矸石,我国西北矿区也可采用大量赋存的风积沙。胶结剂采用或部分采用水泥替代品,如高炉矿渣、粉煤灰等作为胶结剂。充填体质量浓度60 ,~68 ,,不仅降低了煤矿的充填成本,而且也能回收矿山固体废弃物,降低对环境的污染。大量的实验表明,水泥能够有效地对河砂、粉
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煤灰进行胶结。在相同浓度、相同河砂粉煤灰配合比下,随着水泥用量(灰砂比)的增加,胶结材料的强度不断增加,随着养护时间的延长,强度不断增加。
骨料的选用较为容易,一般就地取材消耗固体废弃物,也可选择天然赋存的风积沙。目前正在国内推广应用的固体废物膏体充填技术就是把煤矿就近的煤矸石、粉煤灰、工业炉渣、城市固体垃圾等在地面加工成膏体浆液,然后用充填泵或自溜通过管道输送到井下,最终胶结充填采空区。
膏体充填技术在国内首先应用到了有色金属矿山,并在后期不断推广应用中取得了较好的效果。为提高煤炭资源采出率,延长矿井服务年限,济宁市太平煤矿首度将膏体充填技术应用到煤炭开采当中,并于2006年5月建成了我国煤矿第1个膏体充填示范工程。自此,膏体充填作为一种新型充填开采技术在煤矿绿色开采中得到重视和推广应用。
[5]2.2煤矿膏体充填材料的特点
2.2.1 膏体充填材料在煤矿应有的一般要求
(1) 成本要求低。充填成本增加、充填工艺复杂势必会阻碍充填技术的应用和发展,因此,充填材料和充填工艺是充填技术的重要组成部分。
(2) 充填材料要求来源广泛。根据煤矿对充填材料价格低、来源广的基本要求,煤矿一般采用矸石或风积沙等固体废弃物做骨料,以水泥或水泥代用品做胶凝材料来充填。
(3) 早期强度要高。充填体充填采空区后,前期不但要有足够的强度保持自立外,还要对顶板起到一定的支撑作用,因此,其早期强度要足够。地表沉陷控制要求高,膏体充填可灵活地运用到控制地表沉降变形的技术当中,其强度及充填参数的协调配合可调整整个充填开采的效果和费用。
2.2.2 膏体充填材料的优越性
保水开采可以采用膏体充填材料等对采空区进行局部充填,控制顶板的下沉,保障隔水层的稳定性。可以利用矸石或风积沙作为地下充填的主要材料,配制成膏体材料,其突出优点有:
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(1) 水泥需要量可进一步减少,在极少用量条件下就能够使以煤矸石、风积沙等为集料制作的膏体料浆正常凝结固化,达到所需要的强度。
(2) 早期强度高,养护时间短,能够在规定时间内实现自稳,并对顶板起一定支撑作用。
(3) 充填体比普通脱泥尾矿的强度高,充填料在充填区域的析离和由此而损失的强度很少。
(4) 与传统的水沙充填相比,膏体充填料浆在采场中无需脱水,工艺简单,泌水率收缩不明显,能有效地控制覆岩沉降。
(5) 原材料来源广泛、成本低廉、加工简单,生产成本低。
综合分析,膏体充填材料工艺简单,其应用不但能有效控制隔水层变形,且能控制地表沉陷,保护水资源和地表生态环境,有利于发展绿色开采。 2.2.3 膏体充填材料的强度特性
膏体充填材料由于具有真实的黏聚力,其强度特性主要是指抗压强度,特别是单轴抗压强度特性。实验室大量研究表明,膏体充填体具有如下强度特性:
(1) 早期强度高,固结速度快。
(2) 具有一定的强度再生性能。
(3) 弹性模量较高。
(4) 塑性强化特性明显。
膏体充填体的这些特性,对工作面顶板和隔水层稳定性的控制非常有利。在满足一定强度要求的情况下,还有一个塑性流变的过程,可以充分利用膏体充填体的这个性能,在具体的膏体充填开采设计中适当降低对充填材料的强度要求,不但能有效地控制开采沉陷,而且还降低了充填材料的成本,从而取得更好的经济效益。
[6] 2.3膏体充填材料强度影响因素
大量实验数据的分析表明,膏体质量分数、粉煤灰用量及种类和养护龄期、
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矸石粒级对充填体强度都有不同程度的影响:
(1)相同条件下,随着膏体质量分数的增加,充填体随之不断提高。
(2)粉煤灰对膏体充填体强度的贡献主要是在于其充填致密和活性胶凝作用。不同的粉煤灰,由于其化学、矿物成分及微观形态的差异,对充填体强度的影响各异。相同条件下,随着粉煤灰用量的增加,其强度呈上升趋势。
(3)在质量分数、粉煤灰用量一定的条件下,充填体强度随养护龄期不断增长。
(4)实践中,可以利用粉煤灰增强减水作用,大掺量使用,提高膏体质量分数,减少膏体胶结料用量,降低充填成本,提高充填体强度。
(5)矸石粒级的水平划分对膏体充填材料的强度影响很明显,并且在矸石粉中细颗粒的百分比含量52,是最好的。细集料对煤矸石膏体充填材料的和易性影响很大。矸石粒级的划分不同,在很大程度上影响该材料的可泵性。
[2] 2.4 膏体充填材料的组成
膏体充填材料膏体胶结料与粉煤灰、煤矸石或砂与水合理配制而成。
膏体胶结料是一类以普通硅酸盐水泥为基材(占一半左右),与石膏、石灰和多种外加剂等科学配制的复合材料,为了便于区别,称之为PL膏体胶结料。此材料加水混合后,凝结的初期快速水化生成适当量的高结晶水水化物—钙矾石, 其分子式为 3CaO?AlO?3CaSO?32HO,结晶水分子容积高81.16%,从而达到2342
速凝、早强的效果;凝结的中期和后期,又能够正常水化生成硅酸钙凝胶等胶凝物质,如3CaO?2SiO?3HO,3CaO?AlO?CaSO?12HO,4CaO?Al O?13 HO,2223422326CaO?AlO?FeO?12HO,Ca(OH) 等,具有后期强度持续增长的特点,保证了232322
后期强度的需要。
粉煤灰在充填材料种主要发挥微集料作用,目的是在胶结料掺量很少的条件下保证膏体具有良好的工艺性能。
煤矸石或砂做骨料,起支撑作用。
3 速凝剂研究
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3.1 国内外速凝剂发展现状
[7]3.1.1 国外概况
国外速凝剂的种类很多,世界上获得专利的产品不下数百种,以下仅介绍几种有代表性的产品。
在众多速凝剂中,投入工程使用较早的一种是瑞士、奥地利研制的西卡(Sika)速凝剂,到现在已有几十年的历史。这种速凝剂的主要成分为硅酸钠,是一种无味的液体,对人体皮肤有腐蚀伤害作用。利用这种速凝剂进行水泥净浆速凝试验,当掺量为4 ,时,即可使水泥净浆在1.5 min内初凝,3.75 min内终凝。1 d、3 d和28 d的抗压强度值分别为10.0、23.0和34.0 MPa。
奥地利还研制生产了西古尼特(Sigunite)速凝剂,这种速凝剂在进行水泥净浆试验时,具有下述特点:即当掺量3 ,时,可使水泥净浆在4.33 min内初凝,8.50 min内终凝,l d、3 d和28 d的抗压强度值分别为7.0、20.0和35.0 MPa。
美国西卡化学公司也研制了西卡(Sika)液体速凝剂,据称其速凝效果比其他速凝剂要好。
日本生产了多种速凝剂,如 P-500速凝剂,MC-水泥速凝剂、西古尼特-D、西古尼特-W、Sika-G、Sika-D等。其中日本西卡公司研制的 Sika-G型产品,当掺入混凝土料中进行强度测定时,表现出要比Sika—D型的好,而且Sika-G型速凝剂对人体的危害程度与Sika-D比也要小。日本还曾用丙烯酸镁和过硫酸唛作速凝剂,其中过硫酸胺起触媒作用,在实际应用中获得了相当好的效果。据报道:当在普通硅酸盐水泥100份和丰浦标准砂200份中,加入100份30 ,的丙烯酸镁水溶液。再把6份5 ,的过硫酸胺水溶液加进去迅速搅拌,结果l min开始初凝,2 min后失去流动性,约4 min后硬化到指头按压不动的程度。日本虽然研制出了多种速凝剂,且各具特点,但据介绍,以西古尼特-D 、西古尼特-W两种应用最为广泛。
前苏联在采用喷射混凝土支护时,曾用NaF作速凝剂,据称收到了良好效果。试验指出:当掺入1 ,~3 ,的NaF。有利于加速含铝酸三钙和硅酸三钙的水泥净浆和砂浆的结构形成及缩短凝结时问,并且CA和CS含量愈高,速凝33
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效果愈好。但若水泥中的铝酸三钙含量低于2 ,-3 ,时,掺入NaF则不起速凝作用。在正常情况下,NaF能使水泥净浆在1~3 min内凝结,可促进混凝土结构的形成,增加混凝土的剪切强度,同时混凝土的后期强度与未加NaF的相比降低不多。试验还指出:NaF有利于提高混凝土的抗渗能力及混凝土与钢筋的粘结力。
前苏联还研制了一种称之为HKA的复合速凝剂。这种复合速凝剂实际上是由铝酸钠、碳酸钠及硫酸钠配制而成,在正常温度下,当掺量为4 ,-5 ,时,可使水泥净浆10~30 s内凝固。在相同掺量的情况下,若喷射混凝土的水灰比在一定范围内波动时,对混凝土的凝结速度影响不大。但这种复合速凝剂含有一定数量的游离碱,对喷射混凝土的操作工人会有一定的伤害。
应当提出:上述国外研制的多种速凝剂,绝大部分其主要成分为硅酸钠、铝酸钠和碳酸钠等,这些速凝剂最大的缺陷是对人体有不同程度的伤害。此外,对混凝土后期强度有一定影响、喷射混凝土回弹较高。为了克服这些弊端,力求寻找新的品种。
近年来,通过人们的不断努力,已经取得了可喜的成果,不少新型添加剂已被地下工程喷射混凝土作业所接收。如在奥地利、瑞士和斯堪的纳维亚已广泛使用被称之为Delvo系列的添加剂就是一例。这种添加剂(稳定剂)能控制水泥在喷射作业时的水化动态特性,混凝土通过稳定剂的作用,能保持其塑性状态达数小时甚至数天。若需要混凝土凝固时,只要再加入一种称之为S活化剂的物品,其掺量为水泥重的3 ,~6 ,,则水化作用即行开始。无论是添加稳定剂还是活化剂,都不会改变混凝土的质量和特性。据介绍,该S活化剂,其作用如同速凝剂,使用这种活化剂后,其混凝土的强度与普通速凝混凝土的强度相当,这就意味着无需另加速凝剂。同时加有S活化剂的混凝土其后期强度只有很小的降低,并不像许多速凝剂那样会使混凝土后期强度下降 20 ,~40 ,。另外,在使用Delvo系列添加剂后,由于能作长距离输送和进行长时间贮存,因而获得了传统混凝土混合料不具备的灵活性。
90年代初,在哈格巴赫试验坑道中使用了适宜于干法喷射混凝土的Sika Tell 100 和适宜于湿喷的Sika Tell 200这两种新型添加剂,共进行了40多次喷射
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混凝土试验,最引人注目的试验结果是其回弹率极低。这两种添加剂的另一个特点是对生态环境不会造成危害。在不要求有极高早期强度的情况下,可用计量泵计量添加,即便在剂量较小的情况下,也能获得很厚的喷层。使用情况表明,按水泥重量的1.5 ,~2 ,添加Sika Tell 100添加剂,可获得降低回弹的最佳效果,并能获得较高的强度。但当掺量增加时,会导致抗压强度降低。试验指出:当采用普通骨料、普通硅酸盐水泥的情况下,添加Sika Tell 100添加剂,进行喷射混凝土作业,其回弹率可低于10 ,,28 d抗压强度值为35 MPa,水的渗透深度低于30 mm。
当使用Sika Tell 200添加剂进行湿喷作业时,其回弹率为7 ,~10 ,,在不掺入别的速凝剂的情况下,可获得很厚的喷层。即使是喷顶也是这样。
加拿大、美国及北欧一些国家,目前在广泛使用铁合金厂的废料—微粒硅作喷射混凝土的添加剂。据称,这种微粒硅会使混凝土具有独特的性能。加拿大的研究指出:添加微粒硅的喷射混凝土,其强度、耐久性和不透水性都很好,同时能提高混凝土的粘性,可使一次喷射混凝土厚度达0.4~0.5 m,因而可减少喷射混凝土的回弹损失。微粒硅喷射混凝土的另一个优点是在潮湿受喷面作业时,不会降低粘结质量。
据化学分析,微粒硅的主要成分为非晶氧化硅,此外,含有铁、铝、钙和镁的氧化物。前苏联曾进行过适合于普通喷射混凝土能达到最高强度的微粒硅最佳含量的研究,并指出:当微粒硅含量增加时,混凝土的耗水量增加,例如当微粒硅含量超过15 ,时,水灰比要增加到0.47。混凝土的强度与微粒硅的含量成正比,当微粒硅含量为20 ,时,强度增加最大,在这种情况下,抗弯强度增加1倍,抗压强度提高70 ,。当微粒硅掺量为混凝土干料重量的4.5,时,水泥用量分别降低(,),15,20,25,30,35 和40(为使混凝土的绝对体积保持不变,按减少的水泥体积量加入同等体积的砂子)。结果表明,虽然水灰比达到0.7,但混凝土的强度不仅投有降低,甚至还有提高。在混凝土中掺入微粒硅所获得的良好效果这一实事说明,这种添加剂将会有很好的发展前景。
[7] 3.1.2 国内现状
我国在引进喷射混凝土支护技术的当初,有的施工队没有使用速凝剂,因而
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使回弹率很高,特别是在喷敷顶拱时竞高达40 ,。有的甚至更高。同时在没有速凝剂的情况下,一次喷层也很小,在某种程度上有碍于喷射混凝土的推广。为此,我国于1965年前后着手开始了混凝土速凝剂的研究,并相继取得了多项成果。以下介绍几种有代表性的产品。
(1) 红星1型速凝剂
60年代初,喷射混凝土作为一种支护手段在井巷等地下工程中获得应用,为了顺利开展这一工作,作为喷射混凝土添加剂之一的速凝剂的研究理所当然地摆在了科技工作者面前。
中国科学院工程力学所于1966年研制成了红星1型速凝剂。这种速凝剂是由铝氧熟料、纯碱和生石灰混合配制而成。在标准状况下,掺量为2 ,时,水泥浆的终凝时间为6 min,1天的抗压强度值为不掺者的3倍;当掺量为2.5 ,时,可使水泥净浆1.5 min内初凝,7.5 min内终凝,1 d、3 d和28 d的抗压强度值分别为8.4、22.0和30 MPa。这种速凝剂的研制成功,很快在国内地下工程界得到推广应用,解决了我国地下工程喷射混凝土用速凝剂的急需。但是红星1型速凝剂的速凝和早强效果受环境温度、搅拌时间、水泥风化程度、速凝剂本身是否受潮以及水泥品种的影响较大,只有掌握这些特性之后,才能正确发挥其作用。此外,这种速凝剂对人体皮肤有一定的腐蚀伤害作用,容易受潮,对喷射混凝土后期强度有一定影响。
(2) 阳泉1型速凝剂
该速凝剂是中国科学院工程力学所与山西阳泉市建筑工程公司于1974年研制成功的。这种速凝剂是用芒硝代替纯碱烧结铝氧熟料,再与生石灰、氧化锌等混磨而成。其主要成分是铝酸钠、硅酸三钙、硅酸二钙氧化钙和氧化锌。当掺量为2 ,时,水泥净浆的初凝时间为1.92 min,终凝时间为5.75 min,1 d、3 d和28 d的抗压强度值分别为8.8、21.0和28.0 MPa。这种速凝剂对人体皮肤有腐蚀,对混凝土后期强度有影响。
(3) 711型速凝剂
7l1 型速凝剂由上海市建筑科学研究所和上海市硅酸盐制品厂于1971年研
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制而成。它是由矾土、纯碱、石灰混合烧成熟料后再加入无水石膏磨细而成,其主要成分为铝酸钠、硅酸二钙和铁酸钠。当掺量为3.5 ,时,水泥净浆可在3 min内终凝,1 d和28 d的抗压强度值分别为8.1和43.2 MPa。这种速凝剂仍然对人体皮肤有腐蚀伤害作用,对混凝土后期强度有一定影响。
(4) 73牌速凝剂
该速凝剂是铜川煤炭基本建设公司建筑材料厂于1973年研制而成。它是用重碱代替纯碱煅烧铝氧熟料,将熟料粉磨即成速凝剂。当掺量为6 ,时,能使混凝土5 min内初凝,10 min内终凝。在这一掺量情况下,对混凝土后期强度影响不大,但若掺量增加则对后期强度的影响会变得十分明显。
(5)782型速凝剂
782型速凝剂由长沙矿山研究院和上海市硅酸盐制品厂研制成功。它是利用矾泥经适当处理,再配少量其他材料制成的粉状速凝剂。当掺量为5 ,~7 ,时,可使水泥净浆5 min内初凝,10 min内终凝,28 d抗压强度为不掺者的90 ,以上。这种速凝剂含碱量较少,所以对人体的腐蚀伤害亦轻但是这种速凝剂掺量大,为一般速凝剂的两倍,而且价格与一般速凝剂相当。同时对某些矿渣水泥的适应性差。
(6)WJ-1型速凝剂
WJ-1型速凝剂系由长沙矿山研究院研制并组织生产,与其他速凝剂的生产工艺相比,在生产过程中,省去了破碎、成球和高温焙烧等环节,从而简化了工艺过程,缩短了生产周期,具有制备简单等特点,有利于降低成本。此外,还具有对人体无腐蚀等优点,是一种掺量较少、速凝较快、强度较高、可达到较厚喷层的新型速凝剂。当掺量为4 ,时,可使混凝土在1.50 min内初凝,5.82 min 终凝,1 d、3 d和28 d的抗压强度值分别可达5.0、19.0和33.0 MPa。
(7)AC型速凝剂
由长沙矿山研究院研制并组织生产的AC型速凝剂,具有良好的物理力学性能。在速凝效果、适应性、混凝土后期强度以及对人体的腐蚀伤害等方面都有较好的技术指标,而且生产工艺简单,投资少、见效快。当掺量为6 ,时,水
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泥净浆初凝时间为1.33 min,终凝时间为2.83 min,1 d、3 d和28 d的抗压强度值分别为9.6、l7.0和46.0 MPa。
(8)高效减水速凝剂
该速凝剂是由长沙矿山研究院研制并生产。研制这种速凝剂是为了克服782速凝剂的缺点,在782速凝剂配方的基础上,增加新的成分后试验而成。通过采用水泥标准稠度计进行测定表明:高效减水速凝剂的施工需水量比目前常用的速凝剂低,这一特点对提高水泥制品的强度非常有利。对比试验表明,在相同水灰比的情况下,掺高效减水速凝剂的水泥石,28 d抗压强度值与掺入782型速凝剂的相当,比掺红星1型的高33 ,。在混凝土相同稠度情况下,掺高效减水速凝剂的水泥石强度要比掺红星1型的高80 ,。比掺入782型速凝剂的高16 ,。在采用偏高掺量的情况下,则红星1型速凝剂不但会使水泥净浆凝结时问变慢 ,而且28 d强度也比正常掺量低12 ,。但高效减水速凝剂采用偏高掺量时,不但凝结时间快,早期强度更高,而且28 d强度指标无明显影响。同时高效减水速凝剂不但适用于硅酸盐水泥和普通水泥,也适用于各种矿渣水泥及特种水泥。到目前为止,尚未发现对高效减水速凝剂不适应的水泥。同时这种速凝剂不会对施工人员造成腐蚀伤害。实践表明:这种速凝剂不失为一种较为良好的速凝剂。
(9) J85型混凝土速凝剂
该速凝剂由中国建材研究院房建材料与混凝土所和煤炭科学研究院北京建井所共同研究开发而成。其用于喷射混凝土施工中可增大喷层厚度,缩短两次喷层的时间间隙,使新喷混凝土迅速凝结,并可提高新喷混凝土的早期强度,及早提供支护能力,减少新喷料的塌落。还具有混凝土后期强度可达空白砼的80 ,以上。含碱量底,腐蚀性极微,无毒。喷射料粘结好,回弹量小,一次喷层厚等特点。由于J85混凝土速凝剂可增加混凝土的粘稠性,故可减少喷射混凝土的回弹量。国内喷射混凝土使用的速凝剂回弹量一般为30 ,~40 ,,J85速凝剂可使回弹量降至20 ,左右。碱性小,对人体反映腐蚀危害性小。混凝土28d强度降低小且初、终凝时间间隔短,一般只有l-2分钟,从而可提高混凝土一次喷射厚度,加快施工进度。在水泥硬化过程中体积变化小,当配制掺入J85速疑剂的砂浆与空白砂浆相同标号时,抗渗标号可大大提高,这对地下工程的防潮、防水
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是很有益的性能。
(10)8880型水泥速凝剂
由安徽省巢湖速凝剂总厂开发的8880型水泥速凝剂主要是利用矾矿的工业废渣一矾泥,经烘干后与铝氧熟料、A组分和B组分,按一定比例混匀粉碎制成的粉状材料。其具有以下特点:
1、按水泥质量的6 ,掺入混凝土,初凝时间小于3 min,终凝时间小于7 min;1 d 抗压强度可达8 MPa,28 d抗压强度比为96 ,~107,。
2、抗渗标号可达S18。
3、一次喷涂厚度平均达100 mm,平均回弹量可控制在12.5 ,以下。
34、喷射混凝土时,粉尘浓度小于10 mg/m,工作面内肉眼可见度好,混凝土耐久性能好。
5、碱性甚小,对人体无毒,无腐蚀性,无刺激性气味。储存期可达6个月。
(11)8880-Q型液体速凝剂
安徽巢湖速凝剂总厂通过多年研究与实践,采用无机、有机材料合成新工艺,开发的新一代高效多功能8880-Q型液体速凝剂,该产品在同类产品中具有领先地位,它不但具有速凝效果,而且有防水性能。其主要性能有:
1、掺量低,一般为水泥量 3 %~5 %。
2、凝结时间快,初凝 <3>3><10 min。="">10>
3、粘结性好,一次喷层厚。
4、回弹低,一般为5 %~15 %。
5、工作面粉尘小。
6、28d抗压强度为不掺者的90 %以为。
7、抗渗防水效果明显,可达P14以为。
8、对水泥适应性好。
[8](12) JL-1型低碱液体速凝剂
JL-1型低碱液体速凝剂由郑州大学研究与实践而成,主要速凝成分为水玻璃
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(液体)、明矾、碳酸钠、聚丙烯酰胺。其所有技术性能指标均符合喷射混凝土用速凝剂的国家标准JC477-92的要求。其中在掺量为8 ,时,凝结时间为:初凝 2~4 min,终凝6~10 min,28 d强度不降低,并略有提高。掺入明矾石作为其膨胀组分,对混凝土的收缩形成补偿收缩,克服了原有的水玻璃速凝剂的一些缺点。符合现代混凝土工程技术界对混凝土产品高性能的技术要求(高强、耐久、体积稳定性好、工艺性能等)。另外,由于水玻璃和碳酸钠的同时使用,降低了速凝组分水玻璃的用量,也在一定程度上减小了混凝土的体积收缩。运用胶体化学的吸附理论,在水玻璃溶液中加入高分子化合物,如聚丙烯酰胺,在水泥浆体的颗粒表面发生吸附现象,从而在水泥浆体的颗粒之间形成连接链,即产生桥联效应,增加了水泥浆体颗粒之间的作用力,实现增稠效果,这样既可以减少施工现场的粉尘浓度,又可以节约施工费用,提高经济效益。JL-1型液体速凝剂碱性较低,对降低碱骨料反应非常重要,可以有效地改善混凝土的耐久性。
[9](13)LSA液体速凝剂
LSA液体速凝剂是南京工业大学采用无机复合方法合成的一种低碱液态水泥速凝剂。性能测试结果表明,LSA速凝剂掺量为7 ,时可使PII52.5硅酸盐水泥的初凝时间缩短至l~3 min,终凝3.1 min,ld抗压强度达到l9.8 MPa,比空白试样提高37.5 ,,28 d抗压强度保留率为95.2 ,。同样掺量时可使JC477-2005基准水泥的初凝时间缩短至l.8 min,终凝3.8 min,1 d抗压强度达到l6.3 MPa,比空白试样提高136 ,,28 d抗压强度保留率为107.5,。XRD、SEM、TG-DSC等测试手段对水泥硬化体微观结构和水化产物的深入分析表明,LSA速凝剂是通过促进早期水泥水化体系钙矾石晶体生成而达到促凝效果的。
[10](14)HL-801型液态速凝剂
HL-801型液态速凝剂掺入混凝土中,能使混凝土立即增稠、早强提高,且对28 d强度无不利影响,它还可以增加喷射混凝土的一次喷厚,减少粉尘和回弹量。经施工现场多次应有,确实改善了工作环境,节约了材料,加快了施工,有较好的技术经济效益。
3.2速凝剂作用机理
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目前对于速凝剂的促凝机理尚无定论,主要有如下一些观点:
[11]熊大玉等认为以铝氧熟料、碳酸盐、石灰等为基础的速凝剂加入水泥后,石膏被迅速消耗后浓度降低,其缓凝作用已很不明显,导致CA迅速溶解进入3
水化反应,CA的水化产物又迅速生成钙矾石而加速了水泥浆的凝结硬化。 3
[12] 郑国强等认为无机速凝组分与水泥中所含的各组分(主要是石膏)发生化
2-学反应,生成更难溶盐类,使浆体中[SO]明显降低,在这种情况下,水泥中的4
CA快速和Ca(0H)反应生成大量六角板状的水化铝酸钙晶体从而导致水泥浆体32
的迅速凝结。
[13] 郭启峰认为,以Al(SO)为主剂的无碱速凝剂,由于Al(SO)等电解质的243243解离,使水化初期溶液中硫酸根离子浓度骤增并与溶液中的A1O、Ca(OH)23 2等组分急速反应,迅速生成微细针柱状的钙矾石在水泥颗粒间交叉连生成网络状结构而速凝。
[14][15] 刘晨、潘志华等则人认为将速凝剂的促凝机理归因于消除了石膏的缓凝作用值得怀疑。通过研究他们得出高碱速凝剂之所以能加速水泥水化,一是CS迅速水化生成了大量的C-S-H凝胶和Ca(0H);二是大量水化热使水泥浆体32
温度升高;三是大量游离水被结合使浆体失去流动性。
[16]赵苏等认为铝酸钠液体速凝剂的促凝机理,并不是主要靠生成大量钙矾石相互搭接而速凝,而是促进各水泥矿物的反应,形成大量的C-S-H凝胶,一定量的板状晶体氢氧化钙和柱状晶体钙矾石错综复杂的分布在凝胶中,从而使水泥浆迅速凝结。
[17]Paglia等认为,无碱速凝剂主要是通过钙钒石的形成来实现速凝,而碱性速凝剂则主要是通过片状Ca(OH)晶体的快速析出和一种代号为KCASSH(主要2
成分为KO,CaO,A1O,SiO,SO和HO)的无定形物质的形成来达到速凝2 23232
效果。
3.3膏体充填材料对速凝剂的一般要求
(1)易于长距离管道输送。采用充填技术采矿要求膏体充填材料在地面工业场地配制并有地面经管道向地下采空区输送,速凝剂在膏体充填材料管道出口附
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近添加,为便于管道输送,要求所用速凝剂为液体速凝剂。
(2)价格低廉。应选择价格较低的速凝剂以降低膏体充填材料成本,使膏体充填作为一种新型充填开采技术能在煤矿绿色开采中得到重视和推广应用。
(3)速凝功效显著。 能使膏体充填材料凝固时间小于2 h,且强度达到0.1 MPa;28 d强度达到1~5 MPa。
4膏体充填材料速凝技术研究实验
[2]4.1 膏体充填材料的组成与配制
本实验所用膏体充填材料是结合太平煤矿厚煤层分层膏体充填的需要进行的, 膏体充填材料膏体胶结料与粉煤灰、泗河砂与水合理配制而成。 膏体胶结料是一类以普通硅酸盐水泥为基材(占一半左右),与石膏、石灰和多种外加剂等科学配制的复合材料,为了便于区别,称之为PL膏体胶结料。此材料加水混合后,凝结的初期快速水化生成适当量的高结晶水水化物一钙矾石,其分子式为 3CaO?AlO3CaSO?32HO,结晶水分子容积高达81.16 %,从而达到速凝、早强23?42
的效果;凝结的中期和后期,又能够正常水化生成硅酸钙凝胶等胶凝物质,如3CaO?2SiO?3HO,3CaO?AlO?CaSO?12HO,4CaO?AlO?13HO,2223422326CaO?AlO?FeO?12HO,Ca(OH)等,具有后期强度持续增长的特点,保证了232322
后期强度的需要。
粉煤灰在充填材料种主要发挥微集料作用,目的是在胶结料掺量很少的条件下保证膏体具有良好的工艺性能。所用粉煤灰为里彦电厂烟尘粗灰,经检测,这种粉煤灰0.08 mm方孔筛筛余量26 %,标准稠度32.5 %,化学成分为SiO 占254.68 %;FeO占5.84 %;AlO占26.70 %;CaO占4.36 %;MgO占1.20 %;2323
Loss占1.92 %。
由于泗河穿过太平煤矿膏体充填试验区,泗河砂又是当地建筑一般不用的特
3细砂,来源丰富,所以选泗河砂为基本集料。泗河砂密度 2.63 t/m,平均粒径 0.275 mm,含泥量3.5,细度模数1.36,为特细砂。
3此实验的条件为PL膏体胶结料用量50 kg,m,如果按照质量百分比为
32.5 %,粉煤灰250 kg,m,质量浓度82 %。这种条件下,膏体料浆凝结6 h抗
20
压强度大于0.15 MPa;1d抗压强度大于0.25 MPa;28d抗压强度大于1 MPa,能够满足一般煤矿膏体充填不迁村采煤工程的需要。
4.2膏体充填材料速凝剂的选择
依据膏体充填材料对速凝剂的一般要求,选择以下国内常见类型的速凝剂,如表1所示。
品牌 型号 价格(元/生产厂家 联系电话 公司网站 标
吨) 记 郑州 郑州奥尔 http://www.gygor.com 奥尔 GOR-? 4000 建材有限0371-64133285 1
公司
山东淄博 http://www.zbtongjie.co 同洁 NA-130 3000 同洁化工0533-6010149 m 2
有限公司
长沙市创0731-82739975 http://cscjjc.cn.alibaba.c 海旺 2006 2800 基新型节15874089116 om 3
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21
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表1 国内常用液体混凝土简介
4.3 实验目的
(1)了解充填技术的历史及发展现状,掌握膏体充填的组成及其强度的影响因素。
(2)了解速凝剂的作用机理和国内外速凝剂的发展状况。
(3)研究速凝剂对膏体充填材料速凝技术和强度的影响。
(4)选择合适的速凝剂使膏体充填不仅能够满足不迁村采煤地表沉陷工程的需要,而且在经济上也能够为煤矿所接受。
4.4 实验步骤
(1)按照4.1膏体充填材料的组成与配制的要求配制膏体充填材料,并向其中掺入速凝剂,掺入量为PL膏体胶结料质量的2 %、3 %、4 %。
(2)设置不掺入速凝剂的膏体充填材料做空白实验作对照。
(3)膏体充填材料的强度实验在普通材料压力试验机上完成,试件为70.7
[2]×70.7 ×70.7 mm 规格。
(4)在普通材料压力试验机上测出试件2 h、1 d、3 d、7 d、28 d的强度,并记录在表2内。
22
速凝剂速凝剂膏体充填材料强度(MPa)
种类(表掺量
2 h 1 d 3 d 7 d 28 d 1标记) (%)
0
2 1
3
4
0
2 2
3
4
0
2 3
3
4
0
23
4 2
3
4
0
2 5
3
4
0
2 6
3
4
0
2 7
3
4
0
2
24
8 3
4
0
2
9
3
4
0
10 2
3
4
表2 速凝剂型号及掺入量与膏体充填材料强度的关系
参考文献:
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