煤矸石浆体充填技术在矿山采空区治理中的应用

煤矸石浆体充填技术在矿山采空区治理中的应用

王鑫高翔张思达高博姚永安崔江轮

陕西天地地质有限责任公司  陕西省   710054

摘要：对采空区域实施填充作业是确保地表建筑稳固性的关键措施之一。目前，利用煤矸石浆液进行填充因其低成本和环保优势而广受欢迎。尽管如此，该技术在填充品质控制、相关技术配合、设备性能以及采矿与填充工作的协调等方面仍面临一些挑战和缺陷。探索提升填充品质的方法以及与其他支撑手段的高效配合，成为当前急需克服的技术性问题。因此，文章重点就煤矸石浆体充填技术在矿山采空区治理中的应用展开分析。

关键词：煤矸石浆体充填；矿山采空区；治理；应用

随着社会经济的稳步发展，使得煤炭资源的开采与使用规模急剧扩大，同时对地下空间的开发力度和范围也在持续增加。这样的开发行为不可避免地引发了地表塌陷、建筑物开裂以及采空区的各种异常现象，这些地质环境问题对矿区的自然环境和生产安全构成了巨大挑战。为了有效管理浅层采空区，预防地面塌陷和地表裂缝等地质灾害，相应的采空区填充与支撑技术随之产生，并实现了显著的进步。

1采空区煤矸石浆体充填技术的优势

1.1充分利用废弃物资源

该技术利用煤矿开采过程中产生的固体废物，如煤矸石和粉煤灰，作为主要的填充介质。在矿区建立相应的处理设施，运用专门的加工方法制作成煤矸石浆液，并针对性地填充至已开采的空区，经过固化后形成支撑结构，实现废物的二次利用。有效保障了矿井的安全作业，同时带来了明显的环保和经济效益。

1.2改善环境

运用煤矸石浆体填充技术，能够高效地转化这些废料，通过特定的加工流程将其转化为可流动的浆状物，并精确地填充到矿井的废弃空间中，固化后形成支撑结构。这样不仅节省了土地，还避免了渗透污染，成功实现了对煤矸石问题的全面治理和环境恢复。

1.3具有技术经济优势

利用废弃物及副产品作为主要原料的煤矸石浆料，省去了购买成本高昂的水泥熟料，使得原料费用极为低廉。相较于水泥及其他无机材质，煤矸石浆料的制备流程更为简洁，所需设备投入减少，无需使用高品质材料，也不会造成大量能源消耗，整体经济效益显著。

1.4充填性能可控

在调配填充材料的过程中，可以通过精确调整原料配比以及选用恰当的化学助剂来满足特定需求，进而确保在地下形成的填充物料具备理想的流动性能、设定凝固时长以及所需的填充强度，从而保障填充作业的品质。这种材料相较于其他种类，具备更高的可调节性，能够更好地适应各种采空区的填充要求。

2采空区煤矸石浆体充填技术应用过程中出现的问题

2.1浆体流变性差，无法有效充填

此充填料浆富含众多粉末物质，旨在确保充填完成后具有较高的结构强度。在配比设计阶段，很难调配出流动性良好的浆体，因为这样会导致料浆过于浓稠，流动性差。在长距离的管道输送过程中，这种浆体容易在管壁和接口处造成堵塞，严重时可能会完全中断流动，使得料浆无法有效地注入到采空区域，从而丧失其应有的充填功能。

2.2低温条件下结冻失效问题突出

由于我国多数矿区所处环境冬季严寒，而且管道运输过程中浆体很容易因失水而凝固，这不仅仅会导致管道彻底堵塞，无法继续进行充填作业，还会破坏浆体的正常固化形态，进而失去其应有的支撑充填功能。

2.3充填体强度难以保证与预测

矿石的物理化学特性波动显著，同时搅拌作用的均匀度不一，这直接造成了所制备的浆料及其凝固后的充填材料的强度有着明显的波动性。面对多变的环境条件，充填材料性能的标准变得更加严苛，从而使得对其强度的预估变得更加复杂。众多工程项目中，充填材料的强度参数常常出现不准确的情况，进而对结构的支撑效能产生负面影响。

2.4充填体与围岩结合力整体较差

煤矸石混合物的黏合力不足，与周边岩层的融合性不佳，这造成了填充材料与顶部和底部板面的抗剪切性能较弱。在地面应力的作用下，常常会发生填充体剥落和崩溃的现象，极端情况下还可能引起大范围的挤压流淌，对矿区空洞区域及地表的稳定性构成了严重威胁。

3采空区煤矸石浆体充填技术的应用措施

3.1用特殊措施提高浆体流变性

针对配比方面，可以通过改变煤矸石及砂浆的混合比例，适度增加水分与灰分的比值，并引入高效率的流变改良剂来增强混合物的流动性能；在运输工艺及设备的选择上，可以安装具备抽吸功能的螺旋输送装置，或者利用管道内增压技术，强制推动浆料单向流向采空区域；另外，还需依据管道的实际长度和使用现场的填充要求，科学布置输送管道的压力监测点，并通过调整泵的压力参数，精确控制浆料在管道中的压力分布情况，确保在浆料到达采空区时，仍能维持必要的流动状态，以便于充分填充各个角落。这三种方法的综合运用，不仅优化了煤矸石浆料流变特性，还提升了运输工艺和设备性能，同时精准管理了管道内压力梯度的变化，保障浆料在现场仍具备良好的流动能力，进而实现采空区域的高效填充作业。

3.2加强低温条件下的管道与浆体热管理

针对设备方面，必须对当前的浆料制备及输送体系实施抗寒升级，这包括安装恒温暖风或蒸汽加热系统，应用经过强化设计的保温层结构，以及选用专门抗低温的材料来增强管道、泵房和阀门等关键设施的抗冰冻能力；而在工艺控制方面，应依据管道的长度和当地的气候特点，科学地划分多个浆料填充区段，采纳分步分区逐量填充的方法，并在管道末端配备气体干燥装置，以最大限度地缩短单次浆料的外露和静止时长。

3.3严格控制原材料条件，检测调控充填体强度

在原料选择阶段，必须严格挑选并确认用于制备浆液的煤矸石及炉渣的来源，并对其品种和规格做出明确限定；在混合操作期间，应定期抽取样本进行检测，并根据实际情况及时调整混合工艺和持续时间，旨在降低产品质量的波动；最为关键的是，在地下填充材料固化成型的环节，应运用钻探取心与安装传感器等多种技术手段，对填充体的不同区域进行强度和弹性模量的实时监控，迅速反馈监测数据，进而动态地优化煤矸石和炉渣的混合比例、搅拌参数及固化前添加剂的用量，保证各采空区的填充体性能能够持续满足设计规范和实际应用需求。

3.4采用机械结合措施增强充填体整体稳定性

初步阶段，于填充层与顶部、底部接合部布置钢筋、金属网或锚固件等连接构件，通过机械嵌入与粘结的双重机制，显著增强接合部的粘合力，提升剪切和拉伸的抵抗力；继而在填充层内部，沿横向和纵向预先设置形状改良的锚固件或锚索，发挥机械支撑功能，加强填充层内部抗压及抗剪的整体结构稳固性。这两种界面与内部机械连接结构，显著增强了围岩与填充层的结合强度，提升了填充层的机械稳定性，优化了煤矸石浆料填充的整体稳固性与安全性，进而增强了采空区支护的效能。

3.5严格控制好围岩应力场，合理预测地表沉降

初始阶段，运用仿真预判及长期数据统计，深入剖析采空区填充后的沉降特征，科学规划密集与分散的地表监测点，构建全面的监控体系；接着，利用三维有限元数值分析工具，对多种煤层开采及填充方案进行模拟，优化采空区与填充物之间的空间配合，实现地应力的重新平衡，有效管理应力分布；最终，在填充与采空相互作用的演变中，对地表沉降状况实施高频率、实时性的实地监测，迅速响应关键数据，调整填充材料的供应系统及边缘区域的填充密度，有效遏制并减轻地表的整体沉降。

总之，在预防地质灾害和确保地表建筑稳定性方面，煤矸石浆体填充技术发挥了至关重要的作用。伴随着信息技术、监测技术以及新型材料技术的迅猛进步，该技术在填充品质监管以及煤炭开采与填充过程的配合上，拥有极大优化潜力。

参考文献

[1]郝建平,拓文腾,雷升科.采空区煤矸石浆体充填技术研究进展与展望[J].内蒙古煤炭经济,2024,(12):142-144.

[2]朱磊,古文哲,袁超峰,等.煤矸石浆体充填技术应用与展望[J].煤炭科学技术,2024,52(04):93-104.

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