煤礦充填體材料的性能及應(yīng)用

煤礦充填體材料的性能及應(yīng)用

Summary：本文回顧了煤礦表土傾倒材料在榆林地區(qū)煤礦深層開采產(chǎn)生的地下空洞中回填的應(yīng)用。回填，通常稱為堆填，通過防止地面沉降、減少礦井火災(zāi)和通過增加煤柱開采來提高煤炭產(chǎn)量，從而提供地面穩(wěn)定性。不同的材料已用于回填地下礦山孔隙，如河砂、粉煤灰、礦山尾礦和鑄造廢砂。近幾十年來，由于一些新的采礦立法及其對基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展的巨大需求，榆林的煤炭開采行業(yè)面臨著河砂稀缺的問題?，F(xiàn)有的煤礦表土堆放場可能是砂的良好替代品，并提供可持續(xù)的采礦實(shí)踐。需要進(jìn)行巖土工程和物理化學(xué)表征，以評估充填體材料作為河砂替代品的適用性。Keys：充填體，煤礦，可持續(xù)，地面沉降一、前言2022年夏天持續(xù)的高溫為電力行業(yè)提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，尤其是在干旱的條件下如何通過火電來補(bǔ)充水電資源的不足。因此需要大規(guī)模生產(chǎn)煤炭，以滿足我國的能源需求。煤層位于沉積巖體表面之下或非常靠近表面。露天礦（爆破和挖掘）用于開采較淺的煤層，而較深的煤層則通過地下開采實(shí)踐進(jìn)行開采。露天采礦是一種占主導(dǎo)地位的采礦過程，會產(chǎn)生大量的巖石廢料和有價(jià)值的礦物[1]。采礦過程中產(chǎn)生的廢石材料稱為礦山覆蓋層。一般來說，露天開采而非地下開采的廢石量更大。傾倒或管理這些礦山垃圾是采礦業(yè)面臨的一大環(huán)境問題。這些廢物大多在地表處置，這不可避免地需要進(jìn)行廣泛的規(guī)劃和控制，以盡量減少采礦對環(huán)境的影響。露天采礦是一種發(fā)展性活動，它必然會受到多種采礦活動的破壞。在露天采礦過程中，上覆土壤被清除，破碎的巖石以覆蓋層垃圾堆的形式堆積。傾倒廢物垃圾場被認(rèn)為是造成生態(tài)和環(huán)境退化的主要因素，如土壤侵蝕和環(huán)境污染[2]。目前，大多數(shù)傾倒廢物材料都是在有價(jià)值的地塊上臨時(shí)處置的，這不可避免地需要進(jìn)行廣泛的規(guī)劃和控制，以減少其對環(huán)境的影響。它還導(dǎo)致土地的非生產(chǎn)性使用和大氣污染。與有價(jià)礦物一起生成的傾倒廢物顯示了一個(gè)稱為剝采比的特定比率。隨著地形的變化，它可能因地而異。地下開采過程中產(chǎn)生的礦山空隙應(yīng)予以填充，否則可能會因上部地層塌陷而引起地面沉降。因此，為了提供地面支持，最大限度地減少地面沉降問題和礦山安全問題，回填是采礦的寶貴部分。河砂被廣泛使用，因?yàn)樗苋菀撰@得且經(jīng)濟(jì)可行，最重要的是它的巖土特性。另一方面，過度開采可能會對河流生態(tài)系統(tǒng)以及附近土地的生產(chǎn)力產(chǎn)生負(fù)面影響[3]。這樣，采礦業(yè)就面臨著尋找其他材料替代河砂回填的挑戰(zhàn)。二、回填技術(shù)的選擇根據(jù)其物理和巖土特性，選擇用于地下礦山空隙回填的替代材料。開發(fā)了不同的回填技術(shù)，如膏體回填、巖石回填和水力回填。據(jù)報(bào)道，泥漿回填和膏體回填的礦山循環(huán)時(shí)間周期存在明顯差異[4]。不同的技術(shù)已在世界范圍內(nèi)成功地應(yīng)用于礦山充填。以下是一些重要的技術(shù)。（1）機(jī)械回填機(jī)械回填技術(shù)涉及將輸送機(jī)引入地下采礦作業(yè)，已用于廢石回填和填充墻施工，且工作量較小，允許在地下快速放置材料。（2）氣動回填氣動回填技術(shù)涉及在空氣壓力下通過管道運(yùn)輸材料，并最終將材料傾倒在礦井空隙中。用于氣動回填的材料必須干燥且自由流動。氣動回填技術(shù)嚴(yán)格要求在目的地使用氣壓泵送材料。（3）膏體回填膏體回填是一種回填技術(shù)，固體含量高；這通常是在固體密度為75-88%（按重量計(jì)）的情況下進(jìn)行的。這項(xiàng)技術(shù)的最佳部分是將大約100%的尾礦放在礦山空隙中。顯著減少尾礦廢料和降低修復(fù)成本是膏體回填的其他一些重要優(yōu)勢。礦山尾礦含有不同類型的礦物，如硫化物和黃鐵礦，在空氣和水的存在下不穩(wěn)定，造成環(huán)境問題。Aref等人提出了設(shè)計(jì)高密度膏體回填系統(tǒng)的概念模型，該模型顯示了回填材料的主要方面，以確定其來源、運(yùn)輸和放置要求，并應(yīng)進(jìn)行協(xié)調(diào)，以滿足回填質(zhì)量和進(jìn)度要求。地下膠結(jié)膏體回填（CPB）是用于地下采場開采的膏體回填的重要組成部分。它不僅為礦柱和墻壁提供地面支撐，而且有助于防止坍塌和頂板墜落，并提高礦柱回收率，從而最終提高生產(chǎn)率。自支撐應(yīng)力控制著回填設(shè)計(jì)，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)是要求單軸抗壓強(qiáng)度（UCS）等于充填采場底部覆巖應(yīng)力的獨(dú)立墻。然而，在許多情況下，相鄰巖壁實(shí)際上可以通過邊界剪切和拱效應(yīng)來支撐填土，而邊界剪切和拱形效應(yīng)相互支撐回填和巖壁。在回填采場中，當(dāng)發(fā)生拱起時(shí)，由于水平壓力傳遞，充填采場底部的垂直壓力（類似于活板門）小于上覆填土的重量。礦山尾礦中的硫含量可能會導(dǎo)致酸性礦山排水（AMD），因此將礦山尾礦用作回填材料可以減少問題。膏體回填的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)有：由于早期開發(fā)了更高的抗壓強(qiáng)度，因此采礦周期更短；減少了對同等或更好的漿體回填強(qiáng)度的粘合劑需求；高尾礦利用率，從而減少地表處置需求。其缺點(diǎn)主要有：需要優(yōu)越的脫水設(shè)施和更高的技術(shù)精度以及管道壓力增加。（4）液壓回填（液壓充填）液壓充填或回填涉及使用泥漿或流體密度填充礦坑空隙，固體重量在55-75%之間，排水會損失多達(dá)30%的初始填充總量。水力填砂（HSS）是用于地下礦山空隙回填的最常用的礦山充填技術(shù)之一。砂漿從地面運(yùn)輸?shù)降叵碌V山孔隙是液壓充填的重要階段之一。成功的泥漿運(yùn)輸取決于泥漿的物理和巖土特性數(shù)量。液壓積載主要采用泵式運(yùn)輸和重力運(yùn)輸。重力運(yùn)輸是一種廣泛使用的技術(shù)，它基于重力系統(tǒng)，通過垂直或傾斜斜槽、鉆孔或管道向下移動材料。三、回填材料的選擇在煤礦中，采用不同的材料作為礦山填充或回填材料。這主要包括粉煤灰、底灰、WFS、河砂、礦山尾礦等。回填材料必須具有某些特定的巖土和物理特性，以滿足填筑要求，并且應(yīng)具有經(jīng)濟(jì)效益（1）廢鑄造砂（WFS）作為回填材料廢鑄造砂是另一種用于礦山充填的河砂的良好替代品。早期，WFS已在不同部門實(shí)施，涉及基礎(chǔ)設(shè)施工程和修復(fù)工程，如公路路堤施工和地基改良；所有這些廢物的替代和有益利用既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。（2）粉煤灰作為回填材料火力發(fā)電廠產(chǎn)生大量粉煤灰。傾倒在灰池、附近的地塊或河流中，對水質(zhì)造成負(fù)面影響，并破壞附近的土地肥力。通常，它被用于土壤穩(wěn)定、路堤材料、結(jié)構(gòu)填料和灌漿。在地下礦山填土中使用粉煤灰可以提供地面沉降控制，從而有效穩(wěn)定煤柱，并將沉降風(fēng)險(xiǎn)降至最低，以改善地層控制。通過膏體回填技術(shù)，60-70%的煤燃燒副產(chǎn)物（CCB）和煤加工廢物可以注入地下礦山。粉煤灰與添加劑（如石灰和石膏）的混合物（按重量計(jì)，分別為15%–20%和0%–5%）可作為礦山空隙回填的良好替代材料。（3）礦山垃圾或廢石作為回填材料?；诿旱V表土堆作為礦山回填材料的可能性，已經(jīng)開展了多項(xiàng)研究。用礦山覆蓋層或廢石材料回填可替代河砂。利用這些附近的礦山覆蓋層垃圾場作為地下礦山空隙中的回填材料可能是河砂的良好替代品。用傾倒廢物材料回填地下礦洞不僅對環(huán)境恢復(fù)和采礦條件有重要意義，而且有利于處理采礦過程中產(chǎn)生的傾倒廢物或廢石。用礦山垃圾和廢石回填還包括消除與地表處置相關(guān)的環(huán)境、健康、安全和社會問題但是，利用廢棄材料作為填充，有許多需要注意的問題。主要有3.1材料的理化分析材料的物理化學(xué)性質(zhì)在不同的方式中有其重要性，例如由于廢棄材料中存在不同的元素而發(fā)生反應(yīng)，廢棄材料同時(shí)燃燒。氮（N）、磷（P）、硫（S）等的存在會對環(huán)境產(chǎn)生不同的化學(xué)反應(yīng)。廢棄材料材料中存在的各種元素可能會導(dǎo)致可用水源發(fā)生不同類型的化學(xué)變化，并導(dǎo)致可能因同時(shí)燃燒而造成一些大氣污染。3.2物理和巖土特性需要測試許多巖土和物理特性，以檢查任何材料在地下礦山空隙中回填的適用性。壓實(shí)分析對于確定垃圾材料的含水量非常重要，這將達(dá)到以給定壓實(shí)力壓實(shí)的材料的最大干密度。它可以分析積載材料的潛力。對于兩種不同的土壤樣品，它可以提供一個(gè)指示，說明在通過任何方式壓實(shí)后，哪種材料可以達(dá)到更高的密度，包括通過破壞礦頂和礦柱。四、總結(jié)本文簡要概述了地下煤礦空洞回填的重要性。簡要討論了不同材料的優(yōu)缺點(diǎn)和可能的替代材料。許多材料已被用于地下煤礦空洞的回填，以減少采礦問題，如沉降、冒頂、礦井火災(zāi)等。河砂是礦山充填中廣泛使用的材料，但由于其在建筑部門的高需求，資源正在減少。因此，可以找到一種合適的材料，作為河砂的替代品，這種材料應(yīng)該是生態(tài)友好和經(jīng)濟(jì)高效的。由于缺乏適當(dāng)?shù)墓芾?，采礦活動中產(chǎn)生的廢物長期臨時(shí)傾倒在寶貴的土地上，并造成各種環(huán)境問題。這種傾倒材料可能是河砂的良好替代品。然而，在將廢棄材料用于回填之前，需要對其重金屬含量進(jìn)行評估，以減少地下水中的浸出影響。因此，將廢物用作回填材料將取代河砂，減少采砂對河流生態(tài)系統(tǒng)的負(fù)面影響，并確?？沙掷m(xù)的采砂方法。Reference[1]王榕康.露天采礦礦山地質(zhì)環(huán)境問題與治理研究[J].礦業(yè)裝備,2