某礦井泵送矸石充填工藝

李志保

(同煤集團永定莊煤業(yè)有限責任公司)

泵送矸石充填與傳統(tǒng)充填方法相比，在充填工藝、操作程序和管理方法方面都有較大差異[1-3]。某礦10903(西)采煤工作面上方有水庫及大量建筑物，不宜采用全部垮落采礦法。結(jié)合該礦開采條件，利用井下巖巷掘進產(chǎn)生的矸石及地面矸石山矸石就地取材，將矸石破碎后與其他材料一并制備成高濃度料漿，充填回采工作面，即能解決全部跨落法回采造成的地表沉降問題，又能減少矸石升井產(chǎn)生的環(huán)境污染問題[4]。

1 工程概況

某礦10903采煤工作面上方為村莊，建筑物較為密集，且靠近水庫。10903(西)工作面位于109采區(qū)東翼上部。該工作面地面標高為205.7～224.8 m，工作面標高為-41.7～-85 m。該工作面東部為10902工作面，南部為10901(西)工作面已回采﹚，西部以109(西)采區(qū)軌道下山為界，北部為10905(西)上順槽。該工作面為石炭系太原群-1#煤層，煤層賦存穩(wěn)定，煤層總體走向N105°E，傾向N15°E，煤層傾角12°～14°，均厚1.09 m，煤厚穩(wěn)定，埋深247.47～309.8 m。礦井瓦斯絕對涌出量0.39 m3/min，相對涌出量0.36 m3/t，礦井瓦斯等級為低沼氣礦井。煤層爆炸指數(shù)僅為3.9%，無爆炸危險性，無自燃傾向[5]。

2 工作面充填

2.1 充填工作面布置

在一水平西翼大巷南側(cè)運輸石門與排矸斜巷交叉處施工矸石緩沖倉，矸石緩沖倉下口施工專用矸石轉(zhuǎn)載巷，轉(zhuǎn)載巷長度為273 m，直接與10903(西)工作面上付巷連接。在10903(西)工作面上付巷建立矸石充填泵站，長15 m，矸石通過矸石轉(zhuǎn)載巷內(nèi)的皮帶運輸機運至充填泵站，通過攪拌機攪拌，再由混凝土泵通過充填管路壓送至采空區(qū)進行充填[5]。

泵送矸石充填區(qū)域采用單一走向長壁式采煤法，回采工作面采用炮采工藝，頂板采用單體液壓式支架支護[6-8]。充填管路布置遵循最短距離和最少彎管使用的原則。干路充填管道由充填硐室經(jīng)10903(西)上順槽進入工作面，干路管道水平布置于上順槽，管道每節(jié)長5 m；工作面充填管道沿底板傾斜布置，傾角為8°，工作面管道每節(jié)長3 m，便于在充填工程中進行管道拆卸。充填時料漿由低到高后退充填。充填初期，干路管道比較短，隨著充填工作的進行，干路管道不斷加長，直至工作面停采線。在工作面上下順槽布置排水管，可以減少料漿泌水和清洗管路的水對回采工作面和巷道的不利影響[9-10]。泵送矸石充填試驗區(qū)時，充填步距為2.4 m，在采空區(qū)未充填前，應(yīng)采取必要的支護措施，保證頂板穩(wěn)定，防止頂板大面積冒落及下沉。

2.2 充填工藝

(1)系統(tǒng)檢測。充填工作開始之前，應(yīng)檢測矸石倉、水倉和膠結(jié)料倉中的料位情況，檢查設(shè)備連接是否正常。同時連接充填管道，檢查充填區(qū)脫水擋墻及支護設(shè)施是否穩(wěn)定，并建立與充填泵站進行通訊的系統(tǒng)。

(2)充填材料處理。用于充填的材料主要為煤矸石，煤礦井下施工的巖巷較少，難以滿足10903回采工作面采空區(qū)充填的要求。因此，本研究建立的矸石充填系統(tǒng)首先利用井下產(chǎn)生的矸石，不足部分需要利用地面矸石進行補充。礦井生產(chǎn)中產(chǎn)生的矸石較大，無法直接充填，為滿足管道輸送的需要，首先將矸石利用PCM0809破碎機粉碎至30 mm以下，存儲至采面矸石倉備用。

(3)配料制漿。配料及時準確是保證充填系統(tǒng)正常運行及充填材料性能穩(wěn)定的關(guān)鍵。按照配比設(shè)定控制參數(shù)，將矸石、膠結(jié)料及水在攪拌筒內(nèi)制漿，達到攪拌筒設(shè)定的容量后，打開閥門進行正常充填工作。充填過程中，由于矸石中水分含量波動大，易導(dǎo)致測量不準確，為保證充填料漿質(zhì)量，應(yīng)采用較精密的儀器進行計量。

(4)采空區(qū)充填。當充填料漿達到設(shè)計的質(zhì)量后，通過充填泵將料漿由管道輸送至采空區(qū)，同時及時排出因料漿脫水流進采空區(qū)的水。當達到預(yù)定的充填目標后，應(yīng)及時通知充填泵站人員停止泵送。

(5)設(shè)備清洗。泵送完畢后，應(yīng)對設(shè)備進行清洗。清洗攪拌機時，利用水泵直接對攪拌機進行清洗。清洗管路時，打開料斗門，放出料斗內(nèi)余料，卸下料斗出料錐管，清洗干凈，反泵點動排出矸石料，用水沖洗料斗，在錐管內(nèi)裝入2個海綿球，接上錐管，關(guān)上料斗門，料斗內(nèi)裝水進行泵送，直至海綿球從管路末端泵出。充填開始時用高壓水沖洗管路。

3 充填體質(zhì)量分析

3.1 充填體強度

充填材料(質(zhì)量濃度約80%，水泥和粉煤灰用量分別為2%、3%)井下取樣試件強度試驗結(jié)果見圖1。分析圖1可知：在相同的養(yǎng)護齡期，現(xiàn)場充填體強度低于實驗室強度。充填體強度降低的原因主要為：充填料漿攪拌不均勻，膠結(jié)材料未能發(fā)揮應(yīng)有的作用；料漿質(zhì)量濃度低，在采空區(qū)泌水，導(dǎo)致膠結(jié)料流失；料漿在管道中停留時間過長，破壞了其生成的水化產(chǎn)物，降低了充填體強度。

圖1 充填體強度

3.2 充填體接頂量

由10903(西)充填工作面充填體接頂效果(圖2)分析可知，充填工作面欠接頂量一般小于200 mm，大于150 mm 的僅占2.4%，一般來說，充填接頂率越高，充填效果越好，但在實際操作中充填效果因受到充填料強度、充填體剛度、充填料級配、接頂方式等因素的影響，難以實現(xiàn)完全接頂。

圖2 充填體欠接頂量統(tǒng)計

4 結(jié) 語

分析了某礦10903(西)工作面泵送矸石充填系統(tǒng)及工藝流程，通過對充填體質(zhì)量效果及充填接頂率進行現(xiàn)場觀測，進一步分析了充填體質(zhì)量低于設(shè)計強度的原因，對于類似礦山有一定的參考意義。