架間底板拖管充填采空區(qū)漿液流動特性試驗研究

成云海，王旭東，申 昊，黃國栩

(1.山東科技大學(xué) 采礦工程研究院，山東 泰安 271001；2.山東科技大學(xué) 煤礦充填開采國家工程實驗室，山東 泰安 271000)

煤炭資源是我國最重要的基礎(chǔ)能源之一，在一次能源消費總量中占比接近60%[1-3]。但是，隨著煤炭資源開采量的不斷增加，煤矸石等固體廢棄物也隨之增加，傳統(tǒng)的矸石處理方式就是將其置于地表，嚴(yán)重違背礦山綠色發(fā)展理念[4-6]。本文根據(jù)李家壕礦井地質(zhì)條件和開采情況，分析其頂板破碎規(guī)律：煤層開采后引起直接頂?shù)目迓?，而直接頂巖石破碎后，雜亂堆積。由于巖層破碎后體積將產(chǎn)生膨脹，因此，堆積的高度要大于直接頂巖層原來的厚度，從而使得巖塊冐落在采空區(qū)形成大量的裂隙[7-9]。其中，開度較大的裂隙形成空腔，能夠消耗大量的矸石；開度較小的形成空隙，空腔之間有的通過空隙連通，有的呈現(xiàn)孤立狀態(tài)。

采空區(qū)充填作業(yè)具有一定隱蔽性，通常無法直觀地觀測和掌握漿液在采空區(qū)的流動特征，導(dǎo)致現(xiàn)場工程施工及設(shè)計材料配比等存在很大的盲目性[10-14]。而物理模型試驗作為一門新型的技術(shù)科學(xué)，通過試驗研究和改善被模擬物體現(xiàn)象的布置和構(gòu)造，把原型轉(zhuǎn)化為恰當(dāng)?shù)某叽绾托螒B(tài)，忽略次要因素，抓其主要因素，使一些難以實現(xiàn)和觀察的試驗研究成為可能[15，16]。本研究將模擬試驗引入架間底板托管充填技術(shù)領(lǐng)域，通過對架間底板拖管充填非膠結(jié)膏體采空區(qū)進(jìn)行物理模擬和工程驗證，更加直觀地分析和研究采空區(qū)漿液流動特征。

1 采空區(qū)架間底板拖管充填技術(shù)構(gòu)思

1.1 采空區(qū)架間底板拖管充填可行性分析

基于采空區(qū)矸石冐落特征和上覆巖層運動規(guī)律，在煤層開采過程中，可利用工作面后方采空區(qū)上覆巖層未大范圍垮落或未完全壓實的時間差，向巖塊碎脹區(qū)高壓注入以矸石為主的非膠結(jié)膏體。充填泵將充填漿料壓入冒落巖塊間的空腔中，高壓泵送漿液使采空區(qū)空腔趨于飽和，最終在不改造綜采支架和不影響工作面正常采煤的前提下，實現(xiàn)煤矸石高效、規(guī)?；幚砗屠?。其原理如圖1所示。

圖1 架間底板拖管充填原理Fig.1 Filling principle of floor towing pipe between supports

1.2 采空區(qū)架間底板拖管充填工藝

首先，在地面建立矸石倉和泵送站，通過破碎、研磨等手段將矸石加工成一定粒度的矸石顆粒，與水和粉煤灰按照特定的比例拌制成一定濃度的非膠結(jié)膏體；然后，通過工業(yè)充填泵將充填漿液沿地面管道、下料鉆孔、運輸巷主管路泵送至采煤工作面，在液壓支架人行道側(cè)布置工作面充填主管路，支架架間均勻鋪設(shè)一定長度的拖管，拖管前端與充填主管路通過三通閥連接，同時拖管前端焊接掛環(huán)并通過鏈條固定在支架上，隨采煤作業(yè)同步推進(jìn)?？紤]到充填漿料脫水導(dǎo)致工作面溢水，從而影響工作面采煤環(huán)境，將工作面全部拖管間隔一定距離分成3～5組拖管(進(jìn)行循環(huán)交替式充填作業(yè))，當(dāng)距離工作面后方一定距離檢測到溢水時，調(diào)整三通閥，進(jìn)行下一組拖管充填，直至完成整個工作面的開采與充填。充填工藝如圖2所示。

圖2 架間底板拖管充填工藝Fig.2 Towing pipe filling process of the floor between supports

2 試驗方案

試驗?zāi)康氖牵禾骄糠悄z結(jié)膏體充填采空區(qū)在冐落巖塊間裂隙的流動特征，得到管道壓力、充填量與漿液濃度、矸石粒徑等充填材料參數(shù)之間的關(guān)系。試驗主要材料為煤矸石(毫米級)、粉煤灰和水。試驗主要設(shè)備包括：壓力變送器、電磁流量計、遠(yuǎn)傳模塊、筆記本電腦、攪拌機、試驗泵、直通球閥等。試驗?zāi)Ｐ腿鐖D3所示

圖3 試驗?zāi)Ｐ虵ig.3 Test model

試驗流程如下：

1)采用木板拼裝尺寸為1 m×1 m×1 m的試驗箱體，將特定級配的矸石裝入試驗箱體，同時預(yù)埋充填管(?32 mm×3 mm無縫鋼管)，箱體外連接電磁流量計和壓力計組成充填管路系統(tǒng)。

2)按照設(shè)計配比拌制非膠結(jié)膏體并倒入儲漿池。

3)開始充填。打開試驗泵，觀察并記錄漿液流動情況。

4)停止充填。當(dāng)儲漿池里的漿液全部充填完畢或達(dá)到試驗泵最大泵送壓力或漿液停止流動時停止充填作業(yè)。

5)拆模。靜置24 h，打開實驗箱，沿管道走向豎向剖開矸石堆，觀察并記錄試驗箱體內(nèi)部漿液的分布及流動情況。

試驗編號和具體條件見表1。

表1 試驗設(shè)計方案Table 1 Test design scheme

3 漿液流動特性

3.1 漿液流動特征

非膠結(jié)膏體進(jìn)入采空區(qū)后的流動特征是設(shè)計充填工藝和充填材料配比的重要依據(jù)[17]。針對非膠結(jié)膏體在采空區(qū)內(nèi)的流動特征，主要圍繞漿液在采空區(qū)內(nèi)的流動擴散規(guī)律、漿液擴散范圍和漿液矸石顆粒遷移分選規(guī)律進(jìn)行研究[18]。漿液流動擴散過程中，矸石級配與質(zhì)量濃度有明顯的分選性，沿管路走向方向，隨著遠(yuǎn)離出漿管口，漿液中粗顆粒矸石占比逐步減少，細(xì)顆粒矸石占比逐步增加，非膠結(jié)膏體質(zhì)量濃度呈降低的趨勢。這是由于在漿液遷移擴散過程中，粗顆粒矸石沉積速度快，并且在通過同一開度巖塊裂隙的時候，粗顆粒矸石容易在裂隙口發(fā)生堆積，在傾向邊界和走向邊界處形成漿液堆積點，發(fā)生堵塞效應(yīng)，直至堵塞裂隙口。依據(jù)上述分析得到漿液充填采空區(qū)在冐落巖塊縫隙間流動擴散形態(tài)和路徑如圖4所示。

圖4 漿液流動擴散模擬Fig.4 Slurry flow diffusion simulation

3.2 充填管路壓力

試驗過程中，通過壓力計實時對管道壓力進(jìn)行記錄，如圖5、圖6所示。由圖5可以看出，漿液中最大矸石粒徑對管道充填壓力影響較大，隨著矸石粒徑逐漸增大，管道壓力會更早達(dá)到試驗泵最大泵送壓力0.4 MPa，表明漿液中的粗顆粒矸石在巖塊裂隙中難以流動、滲透，從而增加管路堵管、炸裂的風(fēng)險；觀察漿液中最大矸石粒徑為2.5 mm時，泵送過程中，管道壓力值穩(wěn)定在0.2 MPa，表明漿液在試驗箱體內(nèi)選擇性滲透，未完全堵塞。由圖6可知，漿液濃度變化對管道壓力的影響較小，在達(dá)到最大泵送壓力之前，隨著濃度的增大，管路壓力變化趨勢緩慢，表明漿液濃度的升高，造成矸石顆粒數(shù)量的增加，滲透性能降低。

圖5 固定濃度(75%)，最大粒徑對管道壓力影響Fig.5 Influence of maximum particle size on pipeline pressure under constant concentration(75%)

圖6 固定最大粒徑(5 mm)，濃度對管道壓力影響Fig.6 Influence of concentration on pipeline pressure under constant maximum particle size(5 mm)

3.3 瞬時流速及累計流量

各因素與漿液流速的關(guān)系如圖7所示，可以看出：采用拖管充填的方式對采空區(qū)模型進(jìn)行充填，漿液從管口向四周擴散，瞬時流速迅速上升達(dá)到峰值，表明漿液會首先流動到管口臨近空腔，之后進(jìn)行選擇性滲透擴散階段，漿液經(jīng)有效空隙流入到下一個空腔，此過程緩慢會引起瞬時流速有明顯的降低。隨著矸石粒徑的增大，粗顆粒矸石在空隙口堆積導(dǎo)致裂隙口逐漸阻塞，漿液不再滲透流動；經(jīng)漿液流動滲透作用，試驗箱體內(nèi)累計充填量隨矸石粒徑的改變發(fā)生明顯變化；漿液濃度相同時，制備漿液的矸石顆粒越大，累計充填量越小且差距明顯；漿液中最大矸石粒徑相同時，質(zhì)量濃度越大，累計充填量基本趨于穩(wěn)定，但漿液擴散速度降低，導(dǎo)致試驗箱飽和的時間更長，如圖8所示。相同的充填作業(yè)條件下，漿液累計充填量主要取決于漿液中矸石的最大顆粒粒徑，漿液濃度影響次之。

圖7 各因素與流速的關(guān)系Fig.7 Relationship between various factors and flow velocity

圖8 各因素對累計充填量的影響Fig.8 Influence of each factor on cumulative filling amount

3.4 漿體采空區(qū)流動特征

試驗結(jié)束后，將試驗箱靜置24 h，由于充填漿液脫水，會導(dǎo)致試驗箱漿液遷移范圍內(nèi)的矸石形成結(jié)石體[19，20]，打開試驗箱體，非膠結(jié)膏體在試驗箱內(nèi)的擴散范圍近似于半球形；利用切刀沿管路走向豎向剖開剩余矸石堆，更進(jìn)一步的分析漿液在采空區(qū)的流動特征。隨著漿液中矸石粒徑的增大，試驗箱未飽和的空腔數(shù)量顯著增多且漿液擴散范圍急劇減??；隨著深入采空區(qū)，漿液中粗矸石顆粒呈減少的趨勢，細(xì)顆粒矸石占比呈增加的趨勢，采空區(qū)堆積巖塊對漿液中的矸石分選性明顯，粗顆粒矸石更容易發(fā)生阻塞，而細(xì)顆粒矸石顆粒能通過較小的巖塊縫隙滲透到采空區(qū)深部。

4 工程應(yīng)用驗證

4.1 工作面概況

試驗工作面為李家壕礦井31116綜采工作面，位于3-1盤區(qū)，主采3-1煤，煤層厚度為5.4～5.7 m，傾角為0°～3°，煤層節(jié)理發(fā)育煤系復(fù)雜，煤層局部含一層夾矸，夾矸厚0～0.25 m，夾矸上煤厚4.7～5.1 m，夾矸下煤厚0～0.65 m。工作面采用長壁后退式全部垮落綜合機械化采煤法，工作面傾向長度為300 m，一次采全高，采高為3.45～5.55 m。試驗期間，工作面距離充填泵位置310 m，工作面采用“三八制”作業(yè)，早班檢修，中班、夜班各按5個循環(huán)組織采煤，日割煤10刀，截深0.8 m。工作面布置如圖9所示。

圖9 工作面布置Fig.9 Working face layout

4.2 充填工藝流程設(shè)計

工程應(yīng)用主要分為地面干料制備、制漿、泵送充填三個環(huán)節(jié)。首先在地面進(jìn)行矸石破碎、篩分，之后利用制漿攪拌一體機等設(shè)備將水和粉煤灰拌制成一定濃度的非膠結(jié)膏體，利用防爆罐車運輸至井下充填站，然后利用充填泵加壓后通過充填主管路及架間底板拖管向冒落區(qū)進(jìn)行充填?？紤]到漿液脫水對工作面設(shè)備和生產(chǎn)環(huán)境的影響，試驗采用拖管交替式充填作業(yè)，在工作面后方檢測到溢水時，關(guān)閉拖管前端的充填球閥，進(jìn)行下一組拖管充填。充填工藝流程：磚廠破碎、篩分好的矸石→TD75帶式輸送機(稱重給料機)→制漿攪拌一體機→罐車→井下充填泵→充填管路→采空區(qū)。充填工藝流程如圖10所示。

圖10 充填工藝流程Fig.10 Filling process

4.3 工程效果及檢驗

現(xiàn)場共進(jìn)行四組不同深度的拖管(8、12、15、18 m)充填試驗，合計泵送漿液約為44 m3，運輸過程中損失量約為12%，井下實際泵送為38.7 m3，消耗矸石量為29.79 t。根據(jù)工程現(xiàn)場實際充填數(shù)據(jù)記錄，矸石最大顆粒粒徑為2.5 mm、漿液質(zhì)量濃度為75%，井下泵送壓力穩(wěn)定在6～8 MPa，每組拖管可消耗矸石量為11.2 t，預(yù)計該工作面整體布置拖管時，年消耗矸石量可達(dá)37.0 t?，F(xiàn)場試驗表明：拖管深度為8 m時，在工作面支架底板處約2～3 cm會出現(xiàn)溢水現(xiàn)象；拖管布置超過12 m時，工作面無溢水現(xiàn)象，此時工作面推進(jìn)速度與架間拖管充填協(xié)調(diào)進(jìn)行。

5 結(jié) 論

1)首次將架間底板拖管充填技術(shù)應(yīng)用于工程現(xiàn)場，并獲得試充成功。取得了工程參數(shù)和充填材料參數(shù)，解決了礦井采煤與充填作業(yè)時空干涉難題，為井下充填開采提供新思路。

2)分析了最大矸石粒徑與質(zhì)量濃度對非膠結(jié)膏體充填采空區(qū)內(nèi)流動特征的交互影響，得出了漿液中最大矸石粒徑為2.5 mm，漿液在采空區(qū)內(nèi)的流動特性最好，能大幅度提高矸石消耗量。

3)揭示了漿液在采空區(qū)內(nèi)矸石顆粒阻塞機理：漿液遷移擴散過程中，粗顆粒矸石沉積速度快，并且在通過同一開度巖塊裂隙的時候，粗顆粒矸石容易在裂隙口發(fā)生堆積，在傾向邊界和走向邊界處形成漿液堆積點。

4)物理模型試驗表明，充填漿液從出料口流出后，立即向四周擴散，矸石粒徑與質(zhì)量濃度有明顯的分選性；同時由于受到重力及充填推力的作用，在垂直方向上，漿液向管口下部的滲透速度大于其向上部滲透的速度，在水平方向上，沿管口走向漿液滲透速度更快。但隨著漿液充填量的增加，漿液滲透達(dá)到一定的深度，向下及向前的滲透趨勢逐漸緩慢，漿液開始反向選擇滲透，最終漿液的擴散范圍近似為半球形。