煤礦泵送矸石膏體充填開采技術研究

代　衛

(1.鄭州神火生達礦業有限公司，河南　鄭州　450000; 2.河南理工大學 能源學院，河南 　焦作　454150)

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煤礦泵送矸石膏體充填開采技術研究

代衛1,2

(1.鄭州神火生達礦業有限公司，河南鄭州450000; 2.河南理工大學 能源學院，河南 焦作454150)

摘要某礦面臨嚴重的承壓水開采問題和建筑物下壓煤開采問題。針對該礦下組3層煤受高承壓底板水威脅的具體條件，采取以膏體充填為主的綜合技術措施，分析了膏體充填的優勢，并針對該礦具體條件對材料配置進行了實驗，確定了矸石粉煤灰膏體的材料來源，實施采充平行式高檔普采膏體充填采煤方法后，預計可多采出煤炭資源3 000多萬t，可以延長礦井服務年限25年以上。

關鍵詞承壓水；建筑物；膏體充填；材料配置

某礦保有資源儲量1.278億t，其中受承壓水威脅的資源儲量9 837.1萬t(占總保有資源儲量的77%)，建筑物壓煤680.6萬t，正常塊段煤炭資源量只有757.6萬t。可見，該礦煤炭資源面臨嚴重的承壓水開采問題和建筑物下壓煤開采問題。針對該礦下組3層煤受高承壓底板水威脅的具體條件，采取以膏體充填為主的綜合技術措施，在可靠保證開采安全的前提下，可以最大限度地采出煤炭資源，延長礦井服務年限。

1工程概況

礦井井田最大走向長度5.6 km，平均走向長度4.25 km，最大傾斜寬度4.8 km，平均傾斜寬度3.67 km，井田面積15.531 3 km2. 礦井保有資源儲量12 782.7萬t(氣煤8 298.9萬t、肥煤4 458.9萬t、天然焦24.9萬t).其中，受水威脅資源9 837.1萬t(占總保有資源儲量的77 %)，礦井主采煤層8煤層保有資源儲量2 575.6萬t,該煤層屬于全部可采煤層，分布于-32～-900 m，煤厚0.73～2.98 m，平均1.90 m，煤層結構較簡單，煤層上部含1層深褐色碳質細砂巖夾石，厚度為0.2～0.66 m.

2膏體充填優勢性分析

充填開采是安全、高采出率開采建筑物等“三下一上”壓煤的最有效技術途徑，已經有上百年發展歷史。進入21世紀以后，在我國東中部地區“三下”壓煤開采中，充填采煤技術得到了發展，近年來，逐漸發展起來的膏體充填開采新技術，在多個煤礦獲得成功應用。膏體充填采煤法是指把矸石、粉煤灰等固體材料加工制作成“無臨界流速、不需脫水”的膏狀漿體，在泵壓或重力作用下，通過管道輸送到井下采煤工作面采空區，形成支撐控制采空區上覆巖層結構的采煤方法。

膏體充填開采需要利用大量的固體廢物，具有比較顯著的優勢，主要表現在：1) 不泌水，一次充填就能保證接頂。2) 壓縮率低，減沉效果好。3) 成本較低。相同強度條件下，濃度高，水泥(膠結料)用量少。膏體充填所用膠結料為普通水泥或專為膏體充填開發的膠結料，價格較低，一般只有超高水材料的1/3～1/4. 4) 適應范圍廣。在經濟范圍內，強度調節范圍大，通常水泥(膠結料)用量80～250 kg/m3可以配制出抗壓強度1～5 MPa較大變化范圍的不同膏體，滿足各種條件充填的需要。5) 采出率高。由于膏體充填開采底板采動破壞深度小、地表開采沉陷小，在各種條件下可以最大限度解放資源，保證高采出率。

3膏體充填材料配置方案

3.1充填材料選擇

該礦膏體充填原材料初步考慮以下兩個方案：

1) 充填原料選擇濕排粉煤灰。利用濕排粉煤灰制作的膏體材料由濕排粉煤灰、普通水泥、復合泵送劑、復合速凝早強劑和礦井排水按比例混合攪拌而成。

2) 充填原料選擇破碎矸石和濕排粉煤灰。即以煤礦矸石為充填原料，將其破碎加工成需要的粒度，然后與濕排粉煤灰、普通水泥、復合泵送劑、復合速凝早強劑和礦井排水按比例混合攪拌而成充填工程所需要的膏體充填材料。為了節約成本，矸石充填原料應高細破碎加工，經過破碎以后其<0.08 mm顆粒所占比例不小于20%，顆粒直徑控制在10～15 mm.

3.2膏體充填材料初步配比試驗

根據提供的可能用作充填原材料樣品，包括粉煤灰、破碎煤矸石、煤泥，安排了配比試驗，充填材料初步配比試驗選用的水泥為當地生產的32.5級普通硅酸鹽水泥，充填原材料選擇了破碎煤矸和粉煤灰，膏體充填材料部分配比試驗結果見表1，表2.

表1矸石膏體材料配比試驗初步結果表

表2　矸石-粉煤灰膏體材料配比試驗初步結果表

關于充填管道出口加速凝劑試驗近期也取得明顯進展，見表3.從表3可以看出，矸石或粉煤灰膏體料漿中摻加速凝劑可以實現2 h凝固。需要指出的是表3中除摻加速凝劑外，沒有添加其他外加劑。

表3充填材料摻加速凝劑效果表

膏體充填材料配比初步試驗表明：

1) 單獨破碎矸石與水泥混合制作成的膏體質量較差，一般泌水率偏高，早期強度偏低。

2) 矸石中摻加一定粉煤灰，并顯著減少膏體材料泌水率，但是仍然存在早期強度偏低問題。

3) 矸石膏體和矸石粉煤灰膏體中添加合適外加劑，可以顯著提高材料的流動性能，在相同流動性能條件下可以提高膏體濃度，并明顯減少膏體泌水率，大幅度提高膏體早期強度。

4) 矸石膏體、粉煤灰膏體中添加合適的速凝劑，可以保證膏體加水攪拌后2 h左右即凝固，并達到0.1～0.2 MPa抗壓強度，后期強度基本不降低。

5) 該礦膏體充填材料選擇為矸石粉煤灰膏體。

4膏體充填開采方案設計

8煤層平均厚度為1.90 m，由于8煤頂板堅硬，備選方案中為控制8煤開采對底板的破壞深度，采用充填開采。考慮到煤層條件和該礦實際開采條件，8煤層采煤方法采用采充平行式高檔普采膏體充填法，就是采煤與充填工作在同一工作面同時進行，即在工作面前部進行正常采煤的，同時在工作面后部進行充填，具體可以概括為：

1) 工作面頂板采用單體支柱支護。考慮到8煤層直接頂板為堅硬、厚層莊灰巖，非常穩定，以及斷層比較多，工作面長度變化比較大，充填工作面頂板采用單體支柱支護，便于適應工作面長度變化。

2) 在充填工作面控頂區末排設計配置專門的隔離裝置。初步考慮隔離裝置每臺寬1.5 m，與刮板輸送機節長一致，隔離裝置上下左右具有適當的伸縮功能，頂和底端有柔性發泡橡膠條，采空側內掛塑料布，利用柔性發泡橡膠條把塑料布上端與頂板擠緊，把下端與底板壓實防漏；隔離裝置升降由千斤頂完成，設計每次經過2 h內的準備即具備充填條件，后續準備工作保證每班充填工作能夠連續進行。

3) 充填工作面控頂寬度6～8 m，每次充填步距2 m. 按照8煤層平均采高1.9 m，每次充填步距2 m，工作面長度150 m，采空區全部充填，則每一循環充填量570 m3左右，仍然執行該礦現行的三八工作制，三班采煤和充填，邊采邊充，工作面日進尺可達到6 m，月產量5～6萬t；如此安排，選擇目前排量200 m3/h的充填泵，每班有效充填時間3 h，有比較充足的準備和管道清洗時間。

4) 為了取消凝固班，提高充填采煤面效率，在充填管道進入采煤工作面入口處附近，配置速凝早強劑摻加裝置，把膏體充填材料凝固時間縮短到2 h內，膏體充填到待充填區2 h內達到自穩。

5) 膏體充填工作面采用沿空留巷。在充填工作面靠下一區段未采工作面側的回采巷道通過端部隔離裝置控制充填，實現沿空留巷，保留的巷道作為下區段工作面回采巷道。

6) 膏體充填工作面采用往復式開采，減少工作面搬家時間和費用。

膏體充填工藝系統在充填原材料給料、計量、攪拌與泵送環節采用計算機程序化控制，系統自動根據充填泵送能力變化調節配比攪拌速度，根據矸石水分等自動調節配合比例，保證每批次攪拌料漿質量合格。充填系統對可能產生粉塵的環節統一設計除塵措施，充填站設備清洗廢水廢料循環使用，井下管道清洗廢水沉淀排放，達到國家有關環境保護要求，具體的工藝流程見圖1.

圖1　濕排粉煤灰膏體充填工藝流程圖

5結論

通過對井下泵送矸石膏體充填開采技術研究與實施，為承壓水體下煤層開采提供了技術支持和實踐經驗，延長了礦井服務年限，以往該礦對于底板承壓水威脅嚴重的下組煤層采用巷采方式回采，煤炭資源采出率一般不足45%，采用膏體充填預計可以提高到75%以上，全礦下組8、9、10煤層受承壓水威脅資源量有8 103.7萬t，主要分布在-350 m水平以下，按照2/3適宜膏體充填開采，則可多采出煤炭資源3 000多萬t，可以延長礦井服務年限25 年以上。

參考文獻

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·專題綜述·

(E-mail)fkyuanhaijun@163.com

·技術經驗·

(E-mail)496585168@qq.com

[2]胡炳南.我國煤礦充填開采技術及其發展趨勢[J].煤炭科學技術，2012，40(11)：3-5.

Study on Coal Pumping Gangue Paste Filling and Mining Technology

DAI Wei

AbstractA coal mine is confronted with two serious mining issues, confined groundwater and coal under buildings. Considering the threats of high confined groundwater and floor water on group No.3 seam, comprehensive techniques are chosen by taking paste filling as the main measure. This paper analyses the advantages of paste filling, then it makes gangue fly-ash paste the main source after laboratory experiments on material disposition based on the specific conditions in this mine. If the high grade and conventional mining paste is mined and filled in a parallel way, it is expected that more than 3.0 million tons of coal resources will be produced and the service life can be lengthened to over 25 years.

Key wordsConfined groundwater; Buildings; Paste filling; Material disposition

作者簡介：袁海軍(1976—)，男，山西晉城人，1999年畢業于河北建筑科技學院，工程師，主要從事煤礦生產技術管理工作 張志強(1972—)，男，山西臨汾人，2014年畢業于太原理工大學，主要從事礦山機電技術工作

收稿日期：2015-03-17 2014-03-10

中圖分類號：TD823.7

文獻標識碼：B

文章編號：1672-0652(2015)04-0031-03