在如今高度發(fā)展的社會，資源也在不斷消耗。山西作為中國采煤基地，擁有極豐富的煤炭資源，但隨著近些年開采，現(xiàn)在已呈現(xiàn)疲態(tài)。山西晉煤集團(tuán)澤州天安煤業(yè)有限公司是山西境內(nèi)的煤炭企業(yè)，近年隨著煤炭資源呈現(xiàn)疲態(tài)，可持續(xù)發(fā)展道路遇到瓶頸，在煤炭開采中存在很多問題，如上覆巖層就是煤炭開采過程中的一大難題。如何保證采煤過程中上覆巖層不受破壞、地表不被開采影響，這就需要一項(xiàng)新技術(shù)——膠結(jié)充填開采技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)主要針對開采難的滯留煤礦，通過先進(jìn)技術(shù)來加長礦井使用年限，是一項(xiàng)能使老礦區(qū)走上可持續(xù)發(fā)展道路的重要技術(shù)手段。

1 原材料介紹

1.1粉煤灰基膠結(jié)材料

粉煤灰基膠結(jié)材料是充填采煤技術(shù)的使用材料，是由黑龍江一所大學(xué)的研究所通過深入分析和研究礦區(qū)資源開采條件，經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)得出的一種新型充填材料。這種材料在使用中具有可泵送等諸多優(yōu)點(diǎn)，而且這種充填材料制作的原材料是礦區(qū)內(nèi)的粉煤灰和礦井水等廢棄物，不但成本低，同時解決了這些廢棄物，可以說是一項(xiàng)十分適用在老礦區(qū)內(nèi)的環(huán)保技術(shù)。粉煤灰基膠結(jié)材料是用粉煤灰、矸石等一些廢棄物品，再結(jié)合礦區(qū)礦井水，通過添加一些專業(yè)活化劑，經(jīng)過充分反應(yīng)后，還要加入按比例配好的緩凝劑和速凝劑，然后制出材料。充填液水要按一定比例，大概處于0.9～1.2中間為宜，要保證流動性強(qiáng)，輸送到指定地點(diǎn)后開始膠結(jié)、固化。在8 h內(nèi)單軸抗壓強(qiáng)度要上升到1.2 MPa左右，1 d內(nèi)強(qiáng)度要達(dá)到3.45 MPa，3 d抗壓強(qiáng)度要升至4.2 MPa。

1.2 漿料特性

粉煤灰基膠結(jié)材料在經(jīng)過激活潛質(zhì)活性后，加入水泥等材料，結(jié)合外加劑制成的材料就是粉煤灰基膠結(jié)充填材料，這中材料具有很多特點(diǎn)：

a) 具有很好的流動性能，制成后經(jīng)過1.5 h后就可以自流輸送;

b) 具有一定的膨脹性能，漿料經(jīng)過1.5 h后就會凝固，當(dāng)漿料停止凝固后，這種充填材料不會發(fā)生收縮現(xiàn)象，隨著養(yǎng)護(hù)時間加長，還會漸漸產(chǎn)生膨脹;

c) 具有很好的穩(wěn)定性能，制作這種材料的原材料中有大量粉煤灰，粉煤灰經(jīng)過兌水后不斷產(chǎn)生反應(yīng)，水化產(chǎn)物會越來越多，材料內(nèi)部會隨著時間加長越來越密實(shí)、結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定;

d) 具有很好的抗壓性，在材料停止凝固后，這種充填材料在8h后抗壓強(qiáng)度會達(dá)到0.85 MPa～1.2 MPa左右，1 d內(nèi)上升到1.6 MPa～3.1 MPa左右，3 d后可達(dá)2.1 MPa～4.05 MPa，經(jīng)過1個月使其強(qiáng)度達(dá)到7 MPa。

2 系統(tǒng)和工藝手法

2.1 充填系統(tǒng)

充填系統(tǒng)是由多個系統(tǒng)共同協(xié)調(diào)工作組成，其中包括材料儲存系統(tǒng)、運(yùn)輸系統(tǒng)、調(diào)制系統(tǒng)、計(jì)數(shù)系統(tǒng)等十個系統(tǒng)之多[1]。這些復(fù)雜的系統(tǒng)組合在一起，需要很多設(shè)備配合?；覞{罐是主要用于攪拌，容積要達(dá)到規(guī)定的50 m3～250 m3，在供應(yīng)灰漿時達(dá)到40 m3/h～230 m3/h左右，位置要固定在礦井上，主要用來將粉煤灰等材料進(jìn)行活化處理。膠結(jié)漿罐主要用來將水泥和其它添加劑制備成膠結(jié)漿體，容積要達(dá)到55 m3～105 m3左右，上料能力要達(dá)到30 m3/h，位置要至于礦井上。攪拌器主要是用來將灰漿還有膠結(jié)漿聚集在一起加工制成充填漿料，容積要求16 m3，放在礦井上面和下面都可以。

2.2 充填料的工藝手法

在制備漿料時可以根據(jù)輸送漿料的距離來判斷，結(jié)合施工經(jīng)驗(yàn)，一般疏松距離不超過3 km時可以在礦井上面制備漿料，超過3 km時可以在礦井下面制備漿料。在具體施工過程中，a) 將粉煤灰、礦井水等原材料輸送至灰漿罐內(nèi)，攪拌十幾分鐘后，便可以制成灰漿，放置時間不超過20 h以上，在放置過程中每隔1 h～2 h要攪拌一次，每次時間為5 min;b) 把水和其它緩凝劑、早強(qiáng)劑按順序傳送至膠結(jié)漿罐中，攪拌十幾分就可以制成膠結(jié)漿料[2];c) 將前面制好的灰漿和膠結(jié)漿料共同輸送至攪拌器里，加入粒徑在20 mm以下的碎石塊，攪拌后就可以制成充填料，通過輸送工具將料送至采空區(qū)域即可。

2.3 充采工藝手法

a) 長壁充采工藝。這種工藝要通過三班作業(yè)，其中兩班采煤、一班充填料，經(jīng)過1 d就可完成一個循環(huán)過程。這種工藝在施工過程中一般要在工作面制作一個模具，在里面掛上充填袋，最后將灰漿輸進(jìn)去，凝固后拆下模具【3】;

b) 房柱式充采工藝。這種工藝是兩班充填、一班采煤，在充填時兩個相鄰回采地域，開采它們之間的煤柱。需要用三個煤炭開采班組和一個充填班組，單獨(dú)作業(yè)。在工作面上要采用一個擋面板，設(shè)在兩個煤柱中間，待漿液凝固后拆卸。

3 充填采煤技術(shù)應(yīng)用

3.1 地表變形分析

充填采煤是一項(xiàng)成熟的高難度采煤技術(shù)，是在地表許可的變形條件下，利用現(xiàn)有條件技術(shù)開采煤炭。這種技術(shù)不僅可以保證采煤時的效率和工作規(guī)模，而且可以保證采煤地區(qū)的地表最低限度的變形程度[3]，使地表上的建筑物完整保存下來[4]。采煤地區(qū)的建筑物規(guī)定的損壞程度是I級，在這個范圍內(nèi)，地表變形很小，對于該地區(qū)的居民或工廠影響程度幾乎可以忽略不計(jì)，可以最大程度保證經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。開采地區(qū)建筑物受損程度一般和開采地區(qū)的變形大小與建筑物自身抵抗能力有很大關(guān)系。本文介紹的幾種充填方式對建筑物的影響都達(dá)到規(guī)定損害范圍內(nèi)，在充填范圍內(nèi)，效果十分顯著。

3.2 投資資金估算

通過分析各個企業(yè)初期投資情況，幾種充填方式都需要建造大量地面設(shè)備，例如制備站、打鉆孔等，在前期投資需要的資金大概都會高于2 000×104元，基建工程建設(shè)非常復(fù)雜，需要大量設(shè)備，所以投入非常大。

3.3 充填采煤技術(shù)的特點(diǎn)

充填采煤技術(shù)有極其獨(dú)特的特點(diǎn)，礦井選擇上要根據(jù)實(shí)際情況分析，要追求利益最大化，在充填采煤技術(shù)中，用到的原材料是大量粉煤灰[4]、煤矸石等廢棄物，膠結(jié)材料是用礦井水和爐渣等廢料，這些在礦井上都是沒有任何作用的廢渣，利用起來正好可以廢物利用。

3.4 充填采煤的社會效益

充填采煤技術(shù)在煤炭開采技術(shù)方面是一場革命性的創(chuàng)新，對社會發(fā)展也產(chǎn)生深遠(yuǎn)意義。利用這項(xiàng)技術(shù)可以解決很多以前所不能解決的問題，如將采空區(qū)回填、超前壓力應(yīng)用等[5]。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用對煤炭開采工人的施工作業(yè)環(huán)境也起到很大的安全作用，填充后的地表將以充填物為主，形成覆巖支控體系，它能夠最大程度保證地表變形在固定范圍內(nèi)，明顯提高高難度地區(qū)的采煤效率，不用拆遷就可以將煤炭開采出來，充分利用鐵路、城鎮(zhèn)等公眾設(shè)施下的煤炭資源，同時又利用工業(yè)產(chǎn)生的大量廢棄物，減少環(huán)境污染，有效改善煤炭工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

4 結(jié)語

粉煤灰基膠結(jié)材料在如今煤炭資源呈現(xiàn)疲態(tài)的情況下，有積極作用，這項(xiàng)技術(shù)可以有效地解放高難度開采地區(qū)的煤炭資源，并且充填料原材料選擇范圍非常廣泛，而且制作成本非常低，其充填后能夠迅速凝固和高強(qiáng)的特點(diǎn)可以有效阻止地表下陷，該項(xiàng)技術(shù)在整個操作環(huán)節(jié)使用的操作人員很少，有很高的推廣價值。