煤礦泵送矸石膏體充填開(kāi)采技術(shù)研究

代　衛(wèi)

(1.鄭州神火生達(dá)礦業(yè)有限公司，河南　鄭州　450000; 2.河南理工大學(xué) 能源學(xué)院，河南 　焦作　454150)

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煤礦泵送矸石膏體充填開(kāi)采技術(shù)研究

代衛(wèi)1,2

(1.鄭州神火生達(dá)礦業(yè)有限公司，河南鄭州450000; 2.河南理工大學(xué) 能源學(xué)院，河南 焦作454150)

摘要某礦面臨嚴(yán)重的承壓水開(kāi)采問(wèn)題和建筑物下壓煤開(kāi)采問(wèn)題。針對(duì)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(shù)措施，分析了膏體充填的優(yōu)勢(shì)，并針對(duì)該礦具體條件對(duì)材料配置進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，確定了矸石粉煤灰膏體的材料來(lái)源，實(shí)施采充平行式高檔普采膏體充填采煤方法后，預(yù)計(jì)可多采出煤炭資源3 000多萬(wàn)t，可以延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限25年以上。

關(guān)鍵詞承壓水；建筑物；膏體充填；材料配置

某礦保有資源儲(chǔ)量1.278億t，其中受承壓水威脅的資源儲(chǔ)量9 837.1萬(wàn)t(占總保有資源儲(chǔ)量的77%)，建筑物壓煤680.6萬(wàn)t，正常塊段煤炭資源量只有757.6萬(wàn)t。可見(jiàn)，該礦煤炭資源面臨嚴(yán)重的承壓水開(kāi)采問(wèn)題和建筑物下壓煤開(kāi)采問(wèn)題。針對(duì)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(shù)措施，在可靠保證開(kāi)采安全的前提下，可以最大限度地采出煤炭資源，延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限。

1工程概況

礦井井田最大走向長(zhǎng)度5.6 km，平均走向長(zhǎng)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(chǔ)量12 782.7萬(wàn)t(氣煤8 298.9萬(wàn)t、肥煤4 458.9萬(wàn)t、天然焦24.9萬(wàn)t).其中，受水威脅資源9 837.1萬(wàn)t(占總保有資源儲(chǔ)量的77 %)，礦井主采煤層8煤層保有資源儲(chǔ)量2 575.6萬(wàn)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(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單，煤層上部含1層深褐色碳質(zhì)細(xì)砂巖夾石，厚度為0.2～0.66 m.

2膏體充填優(yōu)勢(shì)性分析

充填開(kāi)采是安全、高采出率開(kāi)采建筑物等“三下一上”壓煤的最有效技術(shù)途徑，已經(jīng)有上百年發(fā)展歷史。進(jìn)入21世紀(jì)以后，在我國(guó)東中部地區(qū)“三下”壓煤開(kāi)采中，充填采煤技術(shù)得到了發(fā)展，近年來(lái)，逐漸發(fā)展起來(lái)的膏體充填開(kāi)采新技術(shù)，在多個(gè)煤礦獲得成功應(yīng)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(wú)臨界流速、不需脫水”的膏狀漿體，在泵壓或重力作用下，通過(guò)管道輸送到井下采煤工作面采空區(qū)，形成支撐控制采空區(qū)上覆巖層結(jié)構(gòu)的采煤方法。

膏體充填開(kāi)采需要利用大量的固體廢物，具有比較顯著的優(yōu)勢(shì)，主要表現(xiàn)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(qiáng)度條件下，濃度高，水泥(膠結(jié)料)用量少。膏體充填所用膠結(jié)料為普通水泥或?qū)楦囿w充填開(kāi)發(fā)的膠結(jié)料，價(jià)格較低，一般只有超高水材料的1/3～1/4. 4) 適應(yīng)范圍廣。在經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)，強(qiáng)度調(diào)節(jié)范圍大，通常水泥(膠結(jié)料)用量80～250 kg/m3可以配制出抗壓強(qiáng)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(kāi)采底板采動(dòng)破壞深度小、地表開(kāi)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(gè)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(fù)合泵送劑、復(fù)合速凝早強(qiáng)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(fù)合泵送劑、復(fù)合速凝早強(qiáng)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(jié)約成本，矸石充填原料應(yīng)高細(xì)破碎加工，經(jīng)過(guò)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(yàn)

根據(jù)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(yàn)，充填材料初步配比試驗(yàn)選用的水泥為當(dāng)?shù)厣a(chǎn)的32.5級(jí)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(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1，表2.

表1矸石膏體材料配比試驗(yàn)初步結(jié)果表

表2　矸石-粉煤灰膏體材料配比試驗(yàn)初步結(jié)果表

關(guān)于充填管道出口加速凝劑試驗(yàn)近期也取得明顯進(jìn)展，見(jiàn)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(shí)現(xiàn)2 h凝固。需要指出的是表3中除摻加速凝劑外，沒(méi)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(yàn)表明：

1) 單獨(dú)破碎矸石與水泥混合制作成的膏體質(zhì)量較差，一般泌水率偏高，早期強(qiáng)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(qiáng)度偏低問(wèn)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(dòng)性能，在相同流動(dòng)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(qiáng)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?dāng)嚢韬? h左右即凝固，并達(dá)到0.1～0.2 MPa抗壓強(qiáng)度，后期強(qiáng)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(kāi)采方案設(shè)計(jì)

8煤層平均厚度為1.90 m，由于8煤頂板堅(jiān)硬，備選方案中為控制8煤開(kāi)采對(duì)底板的破壞深度，采用充填開(kāi)采?？紤]到煤層條件和該礦實(shí)際開(kāi)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(shí)進(jìn)行，即在工作面前部進(jìn)行正常采煤的，同時(shí)在工作面后部進(jìn)行充填，具體可以概括為：

1) 工作面頂板采用單體支柱支護(hù)?？紤]到8煤層直接頂板為堅(jiān)硬、厚層莊灰?guī)r，非常穩(wěn)定，以及斷層比較多，工作面長(zhǎng)度變化比較大，充填工作面頂板采用單體支柱支護(hù)，便于適應(yīng)工作面長(zhǎng)度變化。

2) 在充填工作面控頂區(qū)末排設(shè)計(jì)配置專門的隔離裝置。初步考慮隔離裝置每臺(tái)寬1.5 m，與刮板輸送機(jī)節(jié)長(zhǎng)一致，隔離裝置上下左右具有適當(dāng)?shù)纳炜s功能，頂和底端有柔性發(fā)泡橡膠條，采空側(cè)內(nèi)掛塑料布，利用柔性發(fā)泡橡膠條把塑料布上端與頂板擠緊，把下端與底板壓實(shí)防漏；隔離裝置升降由千斤頂完成，設(shè)計(jì)每次經(jīng)過(guò)2 h內(nèi)的準(zhǔn)備即具備充填條件，后續(xù)準(zhǔn)備工作保證每班充填工作能夠連續(xù)進(jìn)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(zhǎng)度150 m，采空區(qū)全部充填，則每一循環(huán)充填量570 m3左右，仍然執(zhí)行該礦現(xiàn)行的三八工作制，三班采煤和充填，邊采邊充，工作面日進(jìn)尺可達(dá)到6 m，月產(chǎn)量5～6萬(wàn)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(shí)間3 h，有比較充足的準(zhǔn)備和管道清洗時(shí)間。

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

5) 膏體充填工作面采用沿空留巷。在充填工作面靠下一區(qū)段未采工作面?zhèn)鹊幕夭上锏劳ㄟ^(guò)端部隔離裝置控制充填，實(shí)現(xiàn)沿空留巷，保留的巷道作為下區(qū)段工作面回采巷道。

6) 膏體充填工作面采用往復(fù)式開(kāi)采，減少工作面搬家時(shí)間和費(fèi)用。

膏體充填工藝系統(tǒng)在充填原材料給料、計(jì)量、攪拌與泵送環(huán)節(jié)采用計(jì)算機(jī)程序化控制，系統(tǒng)自動(dòng)根據(jù)充填泵送能力變化調(diào)節(jié)配比攪拌速度，根據(jù)矸石水分等自動(dòng)調(diào)節(jié)配合比例，保證每批次攪拌料漿質(zhì)量合格。充填系統(tǒng)對(duì)可能產(chǎn)生粉塵的環(huán)節(jié)統(tǒng)一設(shè)計(jì)除塵措施，充填站設(shè)備清洗廢水廢料循環(huán)使用，井下管道清洗廢水沉淀排放，達(dá)到國(guó)家有關(guān)環(huán)境保護(hù)要求，具體的工藝流程見(jiàn)圖1.

圖1　濕排粉煤灰膏體充填工藝流程圖

5結(jié)論

通過(guò)對(duì)井下泵送矸石膏體充填開(kāi)采技術(shù)研究與實(shí)施，為承壓水體下煤層開(kāi)采提供了技術(shù)支持和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，延長(zhǎng)了礦井服務(wù)年限，以往該礦對(duì)于底板承壓水威脅嚴(yán)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(yù)計(jì)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(wàn)t，主要分布在-350 m水平以下，按照2/3適宜膏體充填開(kāi)采，則可多采出煤炭資源3 000多萬(wàn)t，可以延長(zhǎng)礦井服務(wù)年限25 年以上。

參考文獻(xiàn)

[1]劉坤，周華強(qiáng)，鄭立軍，等.膏體充填條帶開(kāi)采技術(shù)[J].煤炭科學(xué)技術(shù),2010,38(2)：10-14.

·專題綜述·

(E-mail)fkyuanhaijun@163.com

·技術(shù)經(jīng)驗(yàn)·

(E-mail)496585168@qq.com

[2]胡炳南.我國(guó)煤礦充填開(kāi)采技術(shù)及其發(fā)展趨勢(shì)[J].煤炭科學(xué)技術(shù)，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(jiǎn)介：袁海軍(1976—)，男，山西晉城人，1999年畢業(yè)于河北建筑科技學(xué)院，工程師，主要從事煤礦生產(chǎn)技術(shù)管理工作 張志強(qiáng)(1972—)，男，山西臨汾人，2014年畢業(yè)于太原理工大學(xué)，主要從事礦山機(jī)電技術(shù)工作

收稿日期：2015-03-17 2014-03-10

中圖分類號(hào)：TD823.7

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1672-0652(2015)04-0031-03