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濟寧市科慶工礦設備有限公司

Jining branch industrial and mining equipment co., LTD

煤礦回填技術改善

2013年08月26日

煤系固體廢棄物用作充填材料改善

煤礦安全和環境狀況

 

 : 煤炭生產造成了人員傷亡、煤矸石堆積和地表塌陷等問題, 煤炭消費帶來了粉煤灰的污染問題。在分析目前解決這些問題的措施及存在不足的基礎上, 提出了似膏體充填采空區的新思路, 對利用煤系固體廢棄物( 煤矸石和粉煤灰) 配制似膏體充填料漿進行了實驗研究。結果表明似膏體充填采空區可達到處理煤系固體廢棄物、改善采煤工作面安全狀況、減輕地表塌陷等3 個目似膏體充填料漿的成本僅為目前金屬礦山充填料漿的50 % 左右。

關鍵詞: 固體廢棄物; 充填材料; 煤礦安全; 環境

1                煤炭生產和消費帶來的問題

我國是世界上最大的產煤國, 開采煤炭為社會提供能源和工業原料, 對經濟發展起到了不可替代的推動作用而煤炭生產的負面效應除造成人員傷亡外, 對環境的破壞也相當嚴重。煤炭開采和加工過程中產生的煤矸石約為煤炭產量的10 % 15 % 。目前我國有煤矸石山1 500 多座, 40 t, 占地1.33 hm 2 以上, 而且每年以1 t 的速度增長, 每年新增占地400 hm 2 煤矸石的堆積不僅占用大量土地, 而且煤矸石中所含的硫化物散發后會污染大氣和水源, 造成嚴重的后果。煤矸石受雨水沖刷, 常使附近河流的河床淤積, 河水受到污染。煤炭開采還造成礦區地表塌陷, 地下水遭到破壞。以山西省為例,1949 1998 年共生產煤炭56 t 以上, 地面塌陷破壞面積超過6.67 hm 2 , 其中40 % 是耕地。采煤破壞地下水4.2 m 3 /a, 地表水徑流減少, 導致井下水位下降或斷流共計3 218 , 影響水利工程433 , 水庫40 [1] , 使本來缺水的山西環境受到進一步破壞。

煤炭的消費也造成嚴重的環境污染。我國76 % 的電力由燃煤電廠提供, 隨著我國火力電力工業的迅速發展, 粉煤灰的排放量急劇增加, 據統計,1995 年我國粉煤灰排放量為1.25 × 10 8 t, 2000 年已達1.53 × 10 8 t, 預計到2010 年將達到2 × 10 8 t 以上[2] 這不僅造成土地資源的浪費, 更重要的是造成嚴重的大氣污染、土壤污染、水資源污染, 危害人類健康。

2  目前的對策及存在的問題

為減少采煤工作面頂板事故, 煤炭行業采取了多項技術措施, : 加強地質勘探, 及時預報工作面地質構造; 改進工作面支護裝備和技術, 加強采煤工作面的支護管理和生產管理等。這些措施對減少采煤工作面頂板事故起到了積極的作用但總體來看, 問題并沒有從根本上得到解決。采煤工作面頂板事故仍時有發生, 嚴重威脅著煤礦工人的生命安全和影響礦井經濟效益的提高。

煤矸石和粉煤灰的處理和資源化利用近年來得到了很大的發展。煤矸石和粉煤灰的利用包括: 在建筑工程中作筑路材料, 生產普通硅酸鹽水泥、無熟料水泥等; 在建材工業中生產空心砌塊、加氣混凝土、裝飾制品及多種保溫材料; 在化學工業中生產結晶氯化鋁、硫酸鋁等化工原料以及制備分子篩等。然而就全國范圍來看, 煤矸石和粉煤灰的利用還有待于大力發展, 2000 年煤矸石的綜合利用率僅40 % [3] , 1997 41 % [4]

為控制和減輕地表塌陷, 前采取的主要技術途徑有部分開采、覆巖離層帶注漿和充填開采等。

部分開采主要包括房式開采和條帶開采, 其原理是利用留下的矩形或條帶形煤柱支撐上覆巖層控制地表塌陷。其中條帶開采在國內應用最為廣泛。現場監測研究表明, 應用條帶開采技術, 地表下沉系數為全部垮落法開采的4.8 % 26.8 % 條帶開采的最大缺點是造成資源的永久損失, 已成功的實例表明其面積采出率不超過50 %

覆巖離層帶注漿是近幾年提出的一種新的地表塌陷控制方法。其實質是注漿充填開采過程中上覆巖層中形成的離層空間, 阻止開采空間的向上傳遞, 阻止和減緩上覆巖層繼續下沉, 從而控制和減輕地表塌陷。部分實驗工作面采用該技術后取得了一定效果。但離層帶注漿實現的難度較大, 前還難以廣泛應用

充填開采法用河砂、卵石等將工作面后方的采空區進行充填, 從而控制上覆巖層的移動和地表塌陷。充填開采法比垮落開采法引起的巖層移動及地表下沉量小, 工作面頂板壓力也小[5] , 有助于減少頂板事故, 改善井下安全狀況。但傳統的充填采煤法由于勞動強度大, 成本高, 前在我國已很少使用。然而由于充填采煤法的特殊作用, 其仍然是不可缺少、不可忽視的采煤方法, 尤其在目前綠色開采日益受到重視的條件下。只要能降低充填成本, 減輕勞動強度, 改善技術經濟指標, 充填采煤必然大有用武之地[1]

3 似膏體充填技術的提出及其優點

在金屬礦山, 20 世紀60 年代初期尾砂水力充填以來, 充填采礦方法得到了迅速發展。前發展起來的水力膠結充填和膏體膠結充填技術, 推動了礦山的技術進步和充填理論的發展。然而, 上述水力膠結充填技術卻存在充填體強度低、井下需脫水及井下環境污染等問題; 而膏體膠結充填技術卻因一次性投資大, 工藝設備復雜, 輸送可靠性差等原因, 使其在更廣泛領域的應用及發展受到了限制

[6]

該課題組在廣泛調查國內外礦山充填現狀、分析存在問題的基礎上, 結合當前充填發展方向, 提出了似膏體充填新技術所謂似膏體, 就是看起來像膏體的意思。似膏體充填料漿所用的膠凝材料具有早期強度高, 固結細粒級的能力強等優點。似膏體充填料漿骨料的選擇從流變性能的要求出發,實現粗細粒級的合理搭配, 并特別注重微細粒級最佳摻量, 因此充填料漿流動性好, 脫水少。膏體充填技術具有以下優點:

1) 充填效果良好。該技術具有一般水力充填中料漿流動性能好, 易于實現管道輸送的特點。同時又具有膏體充填濃度高, 井下不脫水或少量脫水, 強度高, 接頂效果好等特點。

2) 充填成本進一步降低。用新研制的凝石( 該材料于2003 11 月在清華大學通過鑒定) 作膠凝材料。凝石以工業固體廢棄物( 煤矸石、粉煤灰等) 為基本原料, 來源廣泛, 成本低廉。另外, 凝石性能優越, 可以降低膠凝材料的用量。因此充填成本可大幅度降低。

3) 可利用尾砂、河砂、粉煤灰等作骨料, 有利于環境保護。凝石的膠結機理不同于傳統水泥。傳統水泥膠結骨料的機理是包裹理論, 即水化產物把骨料的每一個顆粒都包裹起來, 因此, 固結細粒級骨料的能力差, 而凝石膠結骨料的機理是焊接理論, 通過共價鍵把骨料焊接在一起, 所以對細粒級骨料有較強的固結能力, 如能固結各種粒級組成的全尾砂, 甚至大量含泥的河砂。充填體強度比相同條件下的水泥膠結充填體高。

4  似膏體充填料漿的試驗研究

利用煤矸石和粉煤灰作充填材料, 對似膏體充填料漿的配制進行了實驗。實驗中煤矸石分為兩部分使用, 少部分經低溫( 900 ) 煅燒后磨細至比表面積約500 m P kg, 加入少量成巖劑并均化即制得凝石。凝石水化數小時即可生成鈣礬石和C- S- H 凝膠, 從而保證充填體的早期強度, 水化反應中期和后期生成多種C- S- H 凝膠和鋁硅酸鹽類凝膠, 所以充填體強度持續增長。大部分煤矸石破碎后作為粗骨料使用, 為避免料漿在輸送過程中出現堵管事故, 破碎后的最大粒徑不超過0.95 cm, 具體粒級分布見表1

1  煤矸石的粒級分布
孔徑P mm 4.75 2.36 1.18 0.6 0.3 0.15 0.075
累計篩余P % 42 70 80 86 92 94 97

粉煤灰在充填料漿中作為具有活性的細集料。粉煤灰的活性一般包括物理活性和化學活性。物理活性產生的效應包括減水效應、微集料效應和密實效應。減水效應是球形顆粒產生的, 球形玻璃微珠的滾珠作用使摻粉煤灰體系的流動性提高, 降低了需水量。微集料效應是粉煤灰顆粒( 尤其是惰性的晶體顆粒) 充當微小集料, 使集料的匹配更加合理, 空隙率降低, 填充率提高。密實效應是微集料效應和火山灰效應共同作用的表現。火山灰效應使粉煤灰形成類似托勃莫來石次生晶相, 填補水膜層和骨料的空隙, 提高密實度。化學活性主要來源于熔融后被迅速冷卻而形成的玻璃態的顆粒( 多孔玻璃體和玻璃珠) 中可溶性的SiO 2 ,Al 2 O 3 等活性組分。試驗所用粉煤灰取自山東某電廠, 45 μ m 篩余為44 % , 化學成分見表2

2  粉煤灰的化學成分%
SiO
2 CaO Al 2 O 3 Fe 2 O 3 MgO 燒失量
55.47 22.83 6.63 5.51 1.3 0.97

似膏體充填料漿塌落度的測量采用自制的小型塌落度筒, 其上口直徑36 mm, 下口直徑64 mm, 60 mm 塌落度大于20 mm 為安全流范圍[6] , 安全流意味著充填料漿像一定濃度條件下的水力充填料漿一樣安全流動。

似膏體充填體強度的測定按照標準方法成型試件, 試件規格為70.7 mm × 70.7 mm × 70.7 mm, 試件成型后, 在標準條件下養護8 h 后拆模, 并在規定條件下養護至齡期。分別測定8 h,1,3,7,28 d 單軸抗壓強度。

似膏體充填料漿配合比的確定要遵循成本低、制備簡單、流動性和強度滿足要求等原則。根據這些原則并經過試驗確定的料漿配合比: 濃度80 % , 凝石含量5 % , 粉煤灰含量26 % , 煤矸石含量49 % 這一配合比的似膏體充填料漿塌落度為26 mm, 在安全流范圍內, 能夠實現管道安全輸送。充填體固化后單軸抗壓強度:8 h 大于0.15 MPa,24 h 大于0.35 MPa,3 d 大于0.7 MPa,7 d 大于0.9 MPa,28 d 強度達1.6 MPa 以上, 能夠滿足充填采礦對強度的要求。這一配比的料漿體積質量為1.84t/ m , 凝石消耗量為92 kg P m 目前金屬礦山充填料漿的水泥消耗量一般為200 kg P m 左右。所配制似膏體充填料漿的成本僅為金屬礦山用水泥作膠凝材料的充填料漿成本的50 % 左右。用普通425 硅酸鹽水泥作膠凝材料的充填體, 在同樣條件下的對比試驗表明, 其強度明顯偏低, 8h 強度和28d 強度分別低于0.1 MPa 0.8 MPa, 體現了凝石和傳統水泥相比具有的優勢特性。

5  結論及展望

1) 凝石作為新型膠凝材料具有優良性能, 能在用量極少的條件下, 達到符合要求的強度。

2) 煤系固體廢棄物經適當加工后可制成似膏體充填材料。對采空區進行似膏體充填可達到處理廢棄物、改善采煤工作面安全狀況、減輕地表塌陷等3 個目標。

3) 雖然用凝石代替傳統水泥配制的似膏體充填料漿成本較低, 但從煤礦自身的眼前利益出發, 充填采煤未必是最佳方案。因此, 為了全社會的長遠利益, 呼吁政府制定相關政策以支持和鼓勵似膏體充填采煤法的推廣應用

參考文獻:
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王紹文, 梁富智, 王紀曾. 固體廢棄物資源化技術與應用[M]. 北京: 冶金工業出版社,2003.
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龔洛書. 粉煤灰在建筑業中的綜合利用技術[J]. 房材與應用,1999(1):38-48.
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徐永圻. 煤礦開采學[M]. 徐州: 中國礦業大學出版社,1991.
[6]
孫恒虎, 黃玉誠, 楊寶貴. 當代膠結充填技術[M]. 北京: 冶金工業出版社,2002.

 

 

 

 

 

 

來源:濟寧市科慶工礦設備有限公司

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