井下矸石泵送充填物料配比的試驗研究

滕廣林

（山東能源新汶礦業集團有限責任公司，山東省新泰市，271233）

煤矸石作為一種固體廢棄物，是礦山企業環境污染的主要危害源。隨著煤炭行業生產能力的增加，矸石的地面排放量也與日俱增，每年約以1.5～2億t的速度增加，造成了日益嚴重的的環境污染，煤炭企業也為之付出更多的治理費用和補償費用。實現矸石在井下直接充填到采空區，既可解決矸石的地面排放問題，又能夠適當緩解地表塌陷的隱患，而且可以減輕礦井的運輸提升壓力。

井下矸石泵送充填工藝是將矸石在井下按一定級配破碎為粗細不等的顆粒和微粉，添加少量水泥并充分攪拌后，通過管道被泵入廢舊巷道或采空區進行充填，為井下矸石充填提供了一條新的途徑。

1 試驗區概況

試驗區為華豐煤礦21105工作面，該工作面位于四水平后二采區第一區段，工作面平均傾斜長度為150m，走向長度為813m，煤層厚度為1.6～1.9m，煤層傾角為28°～33°，采用走向長壁后退式采煤法，炮采方式落煤，刮板輸送機運煤，單體液壓支柱支護，采空區充填矸石管理頂板，充填區與工作面工作區利用單體支柱、竹笆進行隔離，采用見五充二對采空區進行充填管理頂板。該工作面采空區充填的主要目的是為了處理矸石，并不完全要求充填體對頂板的支撐，僅要求充填體24h實現初凝膠結，使充填體失去塑性而得到初步硬化，消除其流動性，保證充填體不外泄，影響工作面安全生產。

2 矸石泵送充填系統設備布置及工藝流程

矸石泵送充填系統主要由分級破碎機、帶式輸送機、連續式強力攪拌機、矸石輸送泵和輸送管道等組成，泵送充填系統工藝流程21105工作面和設備布置方式如圖1、圖2所示。

圖1 泵送充填系統工藝流程圖

巖石集中巷的掘進矸石進入矸石倉，然后輸送至分級破碎機，破碎機通過調整齒輥間距來控制破碎粒度的大小，將矸石按一定級配破碎成粗細不等的顆粒和微粉，使用連續式強力攪拌機將破碎后的矸石和水泥加水攪拌成可泵送膏體，通過由HBTS60型拖掛式混凝土泵改造而成的矸石輸送泵輸送至采空區。工作面采用獨頭充填，充填順序沿工作面傾斜方向自下而上依次進行。充填前，在支柱內側超前充矸位置3 m 處吊掛竹笆，防止充填料外泄。每次充填長度為3m，充填后拆除最前一節鋼管，并回撤柱梁，然后進行下一循環充填。系統主要技術參數為矸石處理量60t／h，破碎粒度＜40mm，物料輸出壓力＜16 MPa，水平輸送距離為800 m，管路內徑為150 mm，總功率為270 kW，外形尺寸 （長×寬×高）為25m×2.9m×2.8m。

圖2 21105工作面泵送充填系統設備布置方式

3 泵送充填試驗

3.1 試驗目的與方法

采用正交試驗方法研究矸石的破碎粒度、物料濃度和水泥的添加量對該系統的泵送和充填效果，以及充填成本的影響，并確定合適方案進行工業性充填。

3.2 確定考查指標

評價充填物料的泵送效果主要取決于充填料的可泵性。膏體充填料的可泵性是膏體充填料在管道泵送過程中的工作特性，主要包括流動性、可塑性和穩定性。物料的可泵性越好，管道阻力越小，泵送壓力越低；反之，物料的可泵性越差，管道阻力越大，泵送壓力越高。由于工作面采空區對充填體支護要求為充填體24h實現初凝膠結，保證不坍塌外泄，故以充填物料的1天抗壓強度來考查采空區充填體的充填效果。

另外，由于充填成本是該系統進行工業性應用的一個重要指標，故將充填每噸矸石所添加的水泥及耗電成本作為經濟性指標來考核。

3.3 確定因素水平

結合對輥式破碎機的破碎粒度分布情況，矸石破碎最大粒度為35 mm。充填體強度與水泥用量近似成正比關系，而水泥用量是影響成本的關鍵因素，應盡量控制水泥用量。充填體只能改善圍巖應力狀態、限制圍巖移動的量值，無論充填體的力學指標高于或低于圍巖，都不能完全阻止圍巖移動和完全避免由于圍巖移動引發的地壓活動，因此，對于采空區充填體的力學指標一味強調過高，從經濟性上來說并不可取。結合華豐煤礦21105工作面充填體支護要求，水泥添加量為2%～6%，充填物料質量濃度為80%～86%。根據確定的因素水平，選用正交表L9（34）安排試驗。各因素設3 個水平狀態，見表1。

表1 因素水平

4 試驗結果及分析

4.1 試驗結果及分析

正交試驗的結果見表2。

試驗結束后，利用正交試驗的結果分析方法——直觀分析法對正交試驗結果進行分析。對所研究的因素找出它們對試驗結果影響的主次關系，以及各影響因素的最優組合條件。結果分析見表3。

表2 試驗結果

表3 試驗結果分析

由表3可以看出，各因素水平效應值Ki為各因素在i水平狀態下試驗指標之和；極差R 為各因素水平效應值中最大與最小值之差，它是衡量試驗數據波動大小的重要指標，極差大的因素，其變化程度對試驗結果影響就大，反之則小。從試驗結果中可以得到以下結論：

（1）對泵送壓力指標影響因素中，矸石破碎粒度大小的影響最為顯著，質量濃度的影響次之，水泥添加量的影響最小。泵送壓力隨著矸石破碎粒度的減小和質量濃度的降低而減小。因為細粒級矸石量增加，減小了膏體分層度值，使其穩定性變好，隨著破碎粒度的減小和質量濃度的降低，膏體的塌落度增大，增加物料的流動性，這些對膏體材料的可泵性有利。

（2）對1天抗壓強度指標影響因素中，水泥添加量的影響最為顯著，質量濃度的影響次之，矸石破碎粒度大小的影響最小。隨著物料中水泥添加量的增加，膏體1天抗壓強度顯著增加，因為膠結料對強度的影響在早期相對顯著，同時隨著膠結料的增加呈增長趨勢。

（3）對經濟性指標影響因素中，水泥添加量的影響最為顯著，矸石破碎粒度大小的影響次之，質量濃度的影響最小。隨著物料中水泥添加量的增加，每噸矸石的充填費用增加明顯，說明水泥在充填成本中所占比重較大。

在試驗結果中可以看到試驗方案均能保證充填體在24h內初步凝結，使充填體失去塑性而得到初步硬化，并具有一定的強度，滿足工作面的安全要求，故在確定工業性充填所用方案時，主要以經濟性指標來考查。由表3可以得到充填成本指標水平效應之和與各因素的關系，如圖3所示。

圖3 充填成本與因素各位級的關系圖

各因素的最低成本水平組合由圖3可以得出為A2B2C1，即矸石破碎粒度≤25 mm，質量濃度為83%，水泥添加量為2%。

由于分析得出的最佳水平組合與試驗安排的最佳組合不一致，因此對分析得出的最佳組合再進行試驗，即矸石破碎粒度≤25 mm，質量濃度為83%，水泥添加量為2%，泵送壓力為7 MPa時，充填體1 天抗壓強度為0.21 MPa，充填成本為7.42元／t。由結果可以看出，該組合為最佳組合方案，故確定該方案為工業性試驗方案。

4.2 工業性試驗效果

按照正交試驗所選定的充填方案，共計充填矸石約為5萬t。整個試驗過程系統工作穩定，充填區的充填體無水析出，固水性能好，充填體沒有坍塌外泄，對頂板有一定的支撐作用，符合華豐煤礦21105工作面的頂板管理要求。

5 結論

（1）井下矸石泵送充填系統結構緊湊、占用空間小，能夠適應復雜巷道的矸石膏體長距離管道輸送，為井下矸石處理提供了一個新途徑。

（2）矸石破碎粒度的大小對矸石膏體的可泵性影響顯著，減小破碎粒度可以提高其可泵性；對1天抗壓強度指標影響因素中，水泥添加量的影響最為顯著，但隨著物料中水泥添加量的增加充填成本顯著增加。

（3）根據所選用參數進行了井下充填的工業性試驗，結果表明利用該系統進行普采工作面的矸石充填，能保證回采、出煤、充填三個主要作業工序平衡、配套，充填體1天后能初步凝結，對頂板有一定的支護作用。

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