[发明专利]矿山采空区泥浆回填的机械设备和方法

说明书

本发明是关于矿区地面沉陷防治、特别是矿山采空区泥浆回填的机械设备和方法的发明。它开创黄土高崖垂向机械化取土、泥土井上井下渡槽输移、泥浆跟进回填的一条龙随采(土)、随配(水)、随运、随填的直达采空区终点的机械装备、操作方法、巷道规划的发明。适用于沙漠、黄土高原地区且有水源的采空区域的沉陷防治工程。它的开发应用，对消除矿山顶板瓦斯透水事故和山区洪峰追尾叠加、破解土坝施工沉陷裂缝世界性难题、有效管控山区水土资源、创建星罗棋布的人工湖及沟台机械化农场、改善局部自然环境生态植被气温降水等状况意义重大。

技术领域

本发明矿山采空区泥浆回填的机械设备和方法，属于矿山(如煤矿、铁矿、铝矿等等)开采法(如水砂充填开采、膏体充填开采)中采空区沉陷防治的回填技术领域。

背景技术

充填开采的缘由和路径。矿藏开采之后，采空区上部的地面相继出现土地开裂、地表泉水断流、房屋倒塌、山体滑坡等地质灾害。引发村矿矛盾，导致移民搬迁、修复治理等诸多社会经济问题。充填开采就是利用外来材料如矸石、沙子、碎石、粉煤灰等物料充填采空区，达到控制岩层移动、地面沉陷的目的。

充填开采方法的分类。按充填位置，分为采空区充填、冒落区充填、离层区充填；按充填量，分为全部充填、部分充填；按充填动能，分为(重力) 自溜充填、风力充填、机械(内燃、电力、人工)充填、水力充填；按充填材料，分为水砂充填、矸石充填、膏体充填、高水充填。

充填开采的历史和现状。早在100年前，澳大利亚北莱尔矿的工人就将全部废弃矸石排弃至采空区充填。充填真正作为煤矿减沉开采的一个计划工序是在20世纪30年代以后。它经历了干式充填开采、水力充填开采、膏体充填开采三个阶段。20世纪50年代，加拿大和澳大利亚等国开发了水力采空区充填技术。水力充填材料通常是河沙、煤矸石和电厂粉煤灰，在波兰、德国应用较多。据1955年阜新、鹤岗两矿的资料，用水砂充填法采煤与同期采用垮落法采煤成本相比较，前者较后者成本高 40％-120％。加之工序多且复杂、机械化程度低、劳动强度大及充填材料泌水恶化了工作面采煤作业环境等缺点，水砂充填采煤法在我国没有得到推广应用。膏体充填技术在国外金属矿山已有近30年的发展历史。世界上首次膏体充填试验于1979年在德国格隆铅锌矿进行。我国金川有色金属公司一矿区、大冶有色金属公司铜绿山矿，近年成功试验并应用了膏体充填技术。德国瓦尔苏蒙煤矿采用长壁工作面采煤，以工业废弃细物料煤泥、粉煤灰制备膏体充填采空区。目前，膏体充填是金属矿山正在推广的一项相当有前景的新技术。我国煤矿2004年开始膏体充填技术的试验研究。膏体充填料浆在管道输送中的一个重要特点是：无临界流速，可以在很低的流速条件下长距离输送。在似膏体的组成中，煤矸石粒径小于5mm。选用235^#水泥，水泥、粉煤灰和煤矸石的质量比为1∶4∶15，质量浓度在70％-72％之间，一般膏体充填系统设计流速0.7-1.0m/s。有一种赤泥胶结充填技术，于20 世纪90年代在山东湖田铝土矿应用成功，并在山东莱芜铁矿开展了赤泥金属沙胶结充填工业试验，其主要组分包括赤泥、粉煤灰、石灰和减水剂。采用主、副管道输送工艺，主管道输送赤泥粉煤灰浆；副管道输送石灰浆。两种料浆在排出口附近经气流混合器进行混合，最终排入采空区，形成不需要脱水的膏状物料。充填料浆质量分数为58％-60％，充填体密度1.5g/cm³。莱芜铁矿工业试验装备耗资1090万元，充填成本40元/t。相对于其他充填开采方法需要水泥、河沙等充填料来说，大大降低了成本。赤泥胶结充填体进入采场后呈膏状，能顺利流入采空区，并能严密接顶，且具有凝固快的突出优点。近年来，随着煤矿绿色开采技术的不断发展，我国学者提出了固体废物置换充填技术，对矿山开采产生的各种废弃物进行有效的处理与利用。研究出了能与传统综合机械化采煤技术相适应的综合机械化矸石固体充填技术。