膏体充填特点及其现状分析

解飞翔徐志远刘春英

摘要：介绍了膏体充填采矿法在国内外的发展现状及技术上可行，经济上合理，安全上可靠和具有可持续发展的优点，概述了膏体充填的特点和各种充填法的比较。

关键词：膏体充填技术工艺环保先进

0引言

绿色采矿是采矿发展的必然趋势。采用无尾矿充填采矿法，可以提高矿物回采率，减少对地面土地的贫化率，充分利用资源，有效控制地压，房屋和地表塌陷和可在“三下”开采等优点，膏体充填工艺技术也在充填采矿法不断改造与发展的过程中得到创新与发展。

1膏体充填

所谓膏体充填就是把煤矿尾矿矸石山的煤矸石、劣质土和电厂的尾料粉煤灰等固体废物在地面加工成的膏状浆体，利用高密度固体充填泵和重力的作用下通过管道泵送到井下工作面，适时充填采空区的采矿方法。膏体充填的关键是要在井下工作面采空区形成以膏体料浆为主的覆岩支控体系，实时而有效控制地表开采沉陷在建筑物允许值范围内，保护地下水体不受破坏，提高煤炭资源采出率，改善矿山安全生产条件的目的，此工艺技术上可行，经济上合理、安全上可靠，被誉为21世纪绿色开采新技术。

2膏体充填技术特点

2.1浓度高一般膏体充填材料质量浓度>75%，目前最高浓度达到88%。而普通水砂充填材料浓度低于65%，如，我国阜新矿区水砂充填水砂比，新平安矿为2.7:1~5.3:1，新邱一坑为1.2:1~2.1:1，高德八坑为2:1，按照质量浓度小于50%。

2.2流动状态为柱塞结构流。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。

2.3料浆要求不沉淀、不泌水、不离析。膏体充填材料这个特点非常重要，而要达到这三个标准，就必须时刻把握原料的所有参数，要搞好充填泵送系统的过程控制，井上井下协调配合，积极应对充填工艺中出现的各种问题，才能达到料浆要求。

2.4无临界流速。最大颗粒料粒径达到25mm，流速小于1m/s仍然能够正常输送。

2.5膏体充填体压缩率低。一般水砂充填材料（包括人造砂）压缩率为10%左右，级配差的甚至达到20%，水砂充填地表沉陷控制程度相对较差，通常水砂充填地表沉陷系数为0.1~0.2（新汶矿区水砂充填地表沉陷系数为0.13~0.17），许多条件尚需要与条带开采结合，留设条带煤柱才能够达到保护地表建筑物的目的。而膏体充填材料中固体颗粒之间的空隙由胶结料和水充满，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出来。

3膏体充填的研究现状

膏体充填最初来源于金属矿山，是1979年德国在格伦德铅锌矿首先发展起来的第四代先进充填技术。

世界上记载有计划的矿山充填已经有近百年的发展历史，经历了废石干式充填、水砂充填、低浓度胶结充填、高浓度充填/膏体充填等四个发展阶段：

第一个阶段，20世纪40年代以前，以废石干式充填为代表，充填的目的是处理废弃物。如澳大利亚塔斯马尼亚芒特莱尔矿和北莱尔矿在20世纪初进行的废石干式充填；中国20世纪50年代初期废石干式充填成为金属矿山的主要采矿方法之一，1955年在地下开采的有色金属矿山中废石干式充填占38.2%，

第二阶段，20世纪40~50年代，以水砂充填为代表。澳洲一些地下金属矿山，以水力充填取代了早期使用的干式充填。1969年澳大利亚科学与工业研究院开展了机械落矿充填采矿法的相关问题研究，１０余年后在水力充填等领域取得了显著成绩。水砂充填在国内外煤矿一度作为解决地表开采沉陷，保护建（构）筑物的主要方法，曾经得到比较广泛的应用。世界上水砂充填最先进、应用最好的是波兰。1967年波兰水砂充填法采煤占到总产量的50.2%，波兰吴杰克煤矿（Wujek）是欧洲最大的水砂充填矿井，年产量220万t/a，水砂充填产煤量占70%，充填管线最长达4.5km，1952年以后水砂充填逐渐在抚顺、扎赉诺尔等地推广应用。目前山东济宁的太平煤矿用水沙充填。

第三阶段，20世纪60~70年代，以低浓度尾砂胶结充填为代表。代表矿有澳大利亚芒特艾萨矿，该矿在20世纪60年代采用低浓度尾砂胶结充填工艺回采底柱。1977年芒特艾萨矿与新南威尔士大学矿业学院合作研究出了低成本胶结充填技术。由于非胶结的水砂充填体不能自稳，难以满足采矿工艺高回采率和低贫化率的需要，在水砂充填工艺得以发展和推广应用以后，开始发展采用尾砂胶结充填技术。20世纪70年代中国凡口铅锌矿、招远金矿和焦家金矿率先应用细砂胶结充填。目前，中国有20多座金属矿山应用细砂胶结充填。

第四阶段，20世纪80~90年代，以高浓度、膏体充填为代表。1979年德国在格伦德铅锌矿为了克服低浓度胶结充填泌水严重等，在世界上首次试验成功膏体充填技术。膏体充填技术在德国试验成功以后，逐渐在南非、英国、美国、摩洛哥、俄罗斯、加拿大、澳大利亚、葡萄牙、坦桑尼亚、土尔其等世界主要采矿国家的金属矿山得到发展和应用。1991年德国矿冶技术公司与鲁尔煤炭公司合作，把膏体材料充填技术应用到沃尔萨姆煤矿，试验工作面煤层厚度1.5m，采深1000m，所用膏体充填材料由粉煤灰、浮选矸石、破碎岩粉等制成，无胶结料，物料的最大粒径小于5mm，质量浓度达到76%~84%。中国1994年在金川有色金属公司二矿区建成第一条膏体泵送充填系统，以后有铜绿山铜矿、湖田铝土矿、咯拉通克铜矿等也建设了膏体充填泵送系统。

4国内的成功地案例

现在山东济宁太平煤矿设计了中国煤矿第一个膏体充填系统，主要是水沙充填。该膏体充填系统于2006年5月正式投入使用，膏体充填开采技术，煤层布置分层长壁工作面开采，开采过程中沿空留巷，工作面之间无煤柱，采出率提高到90%以上。截止到2007年10月太平煤矿充填量累计20多万m3，安全采出煤炭30多万t，2007年11月通过了山东省科技厅组织的专家论证。

冀中能源峰峰集团小屯煤矿膏体充填工业性试验，主要骨料是矸石料是选择在该矿14259顶分层工作面。该首试工作面倾斜长度120m，推进长度500余m，以平均采高2.8m计算，已经采出煤量约40万吨。

在建的山东济宁岱庄煤矿膏体充填系统，能力更强，压力更大，充填泵送系统的输送能力达到150m3，最大输送压力达到14Mp是迄今为止我国最大的泵送系统。本项目研究成功以后，不仅为解决岱庄煤矿及济北矿区不迁村开采难题，最大限度地采出煤炭资源，延长矿井服务年限，更重要的是为解放我国煤矿大量村庄等建筑物占压的煤层发展、形成一套“高采出率、环境协调、高效安全”的新型不迁村膏体充填开采技术，这是一项具有十分重要的经济、社会和环保意义的极富挑战性的开创性工作。

5结语

我国是一个能源丰富的国家，采矿是担负着极其艰巨的任务，而在煤炭采煤的过程中，观念和理念也在逐步地发生变化，煤矿开采从最初的追求产量到保护性开采，再到绿色开采，先进技术的进入和自动化程度的升高是煤矿实现可持续发展的动力和基础，再次基础上的先进开采技术也在经历着前所未有的革命，也必将为我国的开采技术积累大量的资料，对完成煤矿开采的技术储备起到积极的作用，而膏体充填也将是一朵奇葩，在21世纪娇艳地绽放。