段圓圓 李緒萍 劉艷青 徐榮斌

（內(nèi)蒙古科技大學(xué)礦業(yè)研究院）

目前，我國(guó)遺留有大量各類礦山采空區(qū)。對(duì)于歷史相對(duì)久遠(yuǎn)、無(wú)序開(kāi)采時(shí)期遺留的大量未知采空區(qū)來(lái)說(shuō)，其構(gòu)成了礦區(qū)的重大安全隱患。隨著時(shí)間的推延，這些采空區(qū)或塌陷、或火災(zāi)、或發(fā)生突水事故等，不僅影響后續(xù)正常的開(kāi)采，而且礦山工作人員的生命安全備受威脅，同時(shí)還會(huì)污染土地資源和周邊環(huán)境。采空區(qū)大量存在的同時(shí)，有色、冶金礦山的開(kāi)采與冶煉還伴隨著大量固體廢棄物排出，這些固廢的地表堆存嚴(yán)重污染外部環(huán)境。

要解決上述問(wèn)題，科學(xué)地、統(tǒng)籌地進(jìn)行充填，不僅可以充分利用礦山固體廢棄物，減少土地資源占用和環(huán)境污染，還可以達(dá)到安全回采、控制地壓避免塌陷的作用。

1 采空區(qū)膏體充填技術(shù)與充填機(jī)理［1-21］

1.1 采空區(qū)膏體充填技術(shù)

煤礦充填開(kāi)采，顧名思義就是在開(kāi)采結(jié)束后，人為地將一種或數(shù)種材料加工成混合體，并把它們輸送到需要的地方，這樣來(lái)保證安全開(kāi)采，達(dá)到生態(tài)保護(hù)的作用。充填開(kāi)采技術(shù)將開(kāi)采沉陷與固體廢物利用高效結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了開(kāi)采的安全與科學(xué)發(fā)展，保證了安全。

采空區(qū)的膏體充填技術(shù)是一種新型充填技術(shù)，在整個(gè)填充階段，采用廢棄的煤矸石、粉煤灰、礦渣或爐渣等，通過(guò)一定手段制作成用于充填的膏狀。在填充時(shí)，主要利用膏體自身的重力進(jìn)入采空區(qū)，在進(jìn)行實(shí)際操作施工時(shí)，要注意把控好采空區(qū)寬度，使其在可控范圍內(nèi)，膏體填充狀態(tài)也需要進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測(cè)，確保穩(wěn)定性，使得工作人員的自身安全得到保證。

眾多實(shí)踐表明，膏體充填技術(shù)對(duì)于采空區(qū)的處理效果好，可對(duì)排放出的多種固體廢棄物進(jìn)行循環(huán)利用，使得礦產(chǎn)資源得到有效綜合利用，使地表沉陷得到有效抑制，實(shí)現(xiàn)綠色安全開(kāi)采。

1.2 充填作用機(jī)理

一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者、研究員從未停止對(duì)充填體與圍巖的作用機(jī)理研究。研究表明，相比圍巖，充填體具有密度較低、孔隙率較大的特點(diǎn)，能實(shí)現(xiàn)應(yīng)力吸收和轉(zhuǎn)移作用及應(yīng)力隔離作用、共同支撐作用。此外，由于采場(chǎng)采礦方法、圍巖的力學(xué)性質(zhì)、選用充填材料的力學(xué)性能等不同，使得充填體對(duì)采場(chǎng)頂板、底板巖層及周圍礦柱的作用機(jī)理存在明顯差異，因此，在進(jìn)行充填時(shí)需具體情況具體分析。

2 采空區(qū)的充填材料、配比及輸送性能

在傳統(tǒng)充填技術(shù)中，充填材料為人工砂石，成本高，最終的充填效果也達(dá)不到預(yù)期。隨著工業(yè)發(fā)展，工業(yè)廢棄物也隨之增多，不僅占用土地資源，還污染環(huán)境。利用固體廢棄物代替人工砂石，不僅降低了成本，還可以保護(hù)環(huán)境，因此充填材料的選擇原則：生產(chǎn)要安全、成本要低廉、來(lái)源要多元、不能破壞環(huán)境。從保護(hù)環(huán)境、節(jié)約資源、經(jīng)濟(jì)有效的角度出發(fā)，就地就近取材，固體廢棄物為首選。

2.1 充填材料

2.1.1 膠凝材料

膠凝材料也稱膠結(jié)料，在特定的物理化學(xué)作用下，可實(shí)現(xiàn)固液轉(zhuǎn)化，即將粉末、散粒、塊狀材料作用成整塊或是直接使得漿液狀態(tài)直接凝結(jié)成為可用的固狀體。依據(jù)化學(xué)成分的差異，膠凝材料又分為兩大類：有機(jī)膠凝材料，如瀝青、橡膠等；無(wú)機(jī)膠凝材料，如水泥、石膏、石灰等。

2.1.2 充填骨料

充填骨料主要是指煤矸石、廢棄石塊等，需要滿足一定條件，其化學(xué)成分也要進(jìn)行檢測(cè)，確保其中不含有有毒有害物質(zhì)，在配置與施工過(guò)程中性質(zhì)穩(wěn)定不突變，也需要測(cè)定沉降速度與飽和濃度。

2.1.3 外加劑

外加劑是攪拌混凝土過(guò)程中的加入物，主要包括緩凝劑、早強(qiáng)劑等，外加劑可以一定程度上改善混凝土的抗碳化性，也會(huì)很大程度上對(duì)其抗凍性產(chǎn)生影響。還可以對(duì)充填料漿的性能進(jìn)行加強(qiáng)，使得料漿不容易泌水或發(fā)生分離，更加方便運(yùn)輸，并使得充填體的物理力學(xué)性質(zhì)得到大的提升。

2.2 配比

制備充填料漿要以強(qiáng)度的相關(guān)要求為基礎(chǔ)，選擇適合量的充填材料，通過(guò)優(yōu)化配比試驗(yàn)，確定水灰比和灰砂比，依此來(lái)對(duì)充填料漿最終凝結(jié)后的強(qiáng)度做出判斷，也可以為最后的設(shè)計(jì)方案提供相關(guān)數(shù)據(jù)支持。根據(jù)測(cè)試的相關(guān)要求，做成邊長(zhǎng)為7 cm的立方體試件塊，分別進(jìn)行7 d、14 d和28 d的自然養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)后通過(guò)抗壓試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行單軸抗壓強(qiáng)度測(cè)試等。與此同時(shí)，還要對(duì)充填漿料的流動(dòng)性、漿料的濃度等指標(biāo)進(jìn)行測(cè)定，可通過(guò)擴(kuò)散度試驗(yàn)和坍落度試驗(yàn)得到充填料漿流動(dòng)性的數(shù)據(jù)，操作方便，應(yīng)用廣泛。

2.3 充填料漿的輸送性

在管道輸送過(guò)程中，流動(dòng)性極好的漿料不易堵塞或膨脹，可實(shí)現(xiàn)低壓流動(dòng)。填充體的穩(wěn)定性是確保其正常運(yùn)行的先決條件。如果將填充漿料通過(guò)管道輸送到采空區(qū)，則管道中的漿料不會(huì)離析，采空區(qū)不會(huì)有大量的水，即充填料漿具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。一般從泌水率、坍落度和可泵時(shí)間3個(gè)指標(biāo)來(lái)判定充填料漿的輸送性能。

2.3.1 泌水率

管道輸送中漿料輸送性能的主要指標(biāo)之一是滲漏率。當(dāng)漿液滲出率高時(shí)，在運(yùn)輸過(guò)程中容易離析和沉降，導(dǎo)致運(yùn)輸緩慢甚至堵塞，于運(yùn)輸不利。而且，高滲水率會(huì)影響填充體的性能，不利于填充體頂部充實(shí)，降低填充率，不能有效控制覆巖的運(yùn)動(dòng)和變形。為了確保填充漿料中的聚集物在管道運(yùn)輸過(guò)程中不沉降，通常情況下充填料漿靜置泌水率應(yīng)不超過(guò)5%。

2.3.2 坍落度

坍落度是充填材料流動(dòng)性能的表征，與流動(dòng)性成正比。當(dāng)漿料的坍落度很低時(shí)，漿料的流動(dòng)性差并且在運(yùn)輸過(guò)程中將經(jīng)受很大的摩擦阻力，這就需要更高的泵送壓力。當(dāng)坍落度過(guò)高時(shí)，摩擦阻力小，但容易發(fā)生嚴(yán)重的泌水與離析，影響充填作業(yè)。通常情況下，坍落度為10 cm時(shí)泵送效果較好，高濃度膠結(jié)充填所需的料漿坍落度為20～25 cm流動(dòng)性最優(yōu)。

2.3.3 可泵時(shí)間

充填料漿可泵時(shí)間需控制在一定范圍內(nèi)。若時(shí)間太長(zhǎng)，將很難在指定的時(shí)間內(nèi)使其穩(wěn)定，若時(shí)間太短，則會(huì)在管道中固化，進(jìn)而難以運(yùn)輸。因此，在制備漿料時(shí)，必須嚴(yán)格分析影響可泵時(shí)間的種種因素。通過(guò)相關(guān)人員的大量研究，得出充填料漿的可泵時(shí)間一般以2～4 h為佳。

3 結(jié) 論

煤礦采空區(qū)的膏體充填法是安全綠色的開(kāi)采方法，可以提高資源的開(kāi)采率，消除地表塌陷隱患，提高開(kāi)采效率，從而顯著提高煤礦企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，有很強(qiáng)的推廣使用價(jià)值。