某礦煤矸石膠結(jié)充填材料的配比與減沉效果研究*

宋選民，馬秉紅，王大威，李　發(fā)，吳　浩，張日禎，魯志誠

（1.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，太原030024；2.大同焦煤礦有限集團(tuán)公司，山西懷仁038300）

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某礦煤矸石膠結(jié)充填材料的配比與減沉效果研究*

宋選民1，馬秉紅2，王大威1，李發(fā)2，吳浩1，張日禎2，魯志誠2

（1.太原理工大學(xué)采礦工藝研究所，太原030024；2.大同焦煤礦有限集團(tuán)公司，山西懷仁038300）

摘要：特厚煤層開采時，因采高大而留下的采空區(qū)空間較大，如此引起地表沉陷嚴(yán)重。為保護(hù)地面建（構(gòu)）筑物的安全使用，充填開采可有效控制地表沉陷的影響程度。本文以大同某礦的煤矸石為基礎(chǔ)，研制出滿足充填要求并且經(jīng)濟(jì)的煤矸石類膠結(jié)充填材料配比，并模擬研究了不同配比充填材料的減沉效果差異，對該礦的充填開采減沉控制具有重要的實(shí)用價值。

關(guān)鍵詞：開采沉陷；煤矸石；充填材料；配比；減沉控制

在煤礦區(qū)，大都建有高壓供電線路及桁架鐵塔等建（構(gòu)）筑物，其作為基礎(chǔ)設(shè)施滿足了煤礦生產(chǎn)和礦區(qū)生活的日常使用需求。但輸電線路及鐵塔不可避免地要受采空區(qū)的地表沉陷影響，如地表移動量超過鐵塔內(nèi)部構(gòu)件可以承受的臨界值，將導(dǎo)致鐵塔的塔體桿件發(fā)生變形甚至失穩(wěn)破壞[1-2]，從而影響高壓輸電線路的正常運(yùn)行及安全使用。

采用充填開采方法，可有效控制地表沉陷量[3]，減輕開采沉陷對供電線路及鐵塔的安全影響程度。充填開采的主流是使用膠結(jié)材料，其優(yōu)點(diǎn)是可泵送，充填速度快，充填效率高，初期強(qiáng)度較高，充填體終凝強(qiáng)度高。膠結(jié)充填材料大致可分為：砼充填材料、碎石充填材料、膏體充填材料、似膏體充填材料、高水充填材料等[4-5]。采用煤矸石類膠結(jié)材料進(jìn)行充填開采是目前我國最普遍的一種充填工藝，煤矸石作為煤礦采礦所伴隨的一種附屬廢料，其產(chǎn)量大、力學(xué)性能穩(wěn)定，以矸石換取煤炭資源的高效回收，可實(shí)現(xiàn)矸石的安全利用與煤炭資源的綠色開采[6]。為此，對大同某礦的煤矸石，通過科學(xué)的充填配比研究，改進(jìn)開采工藝技術(shù)，達(dá)到矸石不出井或少出矸，大幅度地簡化充填系統(tǒng)，降低充填成本，使煤礦生產(chǎn)實(shí)現(xiàn)更大的經(jīng)濟(jì)利益和社會效益。

1　開采概況

大同某礦8503工作面長度150 m，走向長1 072 m，平均煤厚9.33 m。開采深度平均326.25 m。在該礦區(qū)范圍上部有高壓輸電線路通過,其中333、334號鐵塔大致位于該工作面順槽附近的正上方。輸電線路鐵塔的基礎(chǔ)是獨(dú)立式基礎(chǔ)，寬側(cè)基礎(chǔ)長為6 m，窄側(cè)基礎(chǔ)長為5.6 m。

2　矸石類膠結(jié)充填材料的配比試驗(yàn)

2.1試驗(yàn)材料制備

充填材料選用風(fēng)積沙、煤矸石、建筑垃圾、水泥和減水劑，煤矸石來自大同某礦的采掘工程。其中粗骨料為該礦破碎后的矸石和建筑垃圾；細(xì)骨料為砂子，細(xì)度模數(shù)Mx=2.834；膠凝材料為大同水泥廠的Q425硅酸鹽水泥，減水劑為聚羧酸。

煤矸石破碎后，按充填材料粒徑要求進(jìn)行篩分，使其滿足配比試驗(yàn)要求。為使粗骨料具有孔隙率較小和較穩(wěn)定的堆聚結(jié)構(gòu)，根據(jù)混凝土材料中粗骨料級配，設(shè)計(jì)出如表1的粗骨料中各粒徑的級配占比。

表1　充填材料中粗骨料的顆粒級配參數(shù)

2.2試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

地表線路鐵塔安全運(yùn)行的重要性很高，為此應(yīng)提升充填體終凝強(qiáng)度以更好地保護(hù)輸電鐵塔線路。通過試驗(yàn)設(shè)計(jì)的配比，對設(shè)計(jì)配比材料的性能進(jìn)行綜合測定和比較。用3個影響充填材料料漿的主要因素進(jìn)行比較，即充填料漿濃度A（料漿濃度以60%～85%為宜）；粗骨料和細(xì)骨料在充填料漿中的占比B；充填料漿中水泥的用量C。通過對這三個因素的控制，可進(jìn)行科學(xué)有效的配比試驗(yàn)設(shè)計(jì)。

根據(jù)正交試驗(yàn)方法，取漿體濃度A1為62%；A2為72%；A3為82%。細(xì)、粗骨料重量比例B1為7.5 kg/1.5 kg；B2為6 kg/3 kg；B3為4.5 kg/4.5 kg。水泥用量C1為0.3 kg；C2為0.6 kg；C3為0.9 kg。在粗、細(xì)骨料的配比設(shè)計(jì)研究中，得到三因子三水平的條件試驗(yàn)，為快速獲得能反映綜合因素影響的配比試驗(yàn)結(jié)論,希望試驗(yàn)點(diǎn)盡量地少，因此選用正交試驗(yàn)方式安排配比試驗(yàn)方案。若不考慮影響因素的交互作用，可用正交表L934安排，根據(jù)3水平3因素正交試驗(yàn)的取點(diǎn)方法，用9個最具代表性的充填材料配比試驗(yàn)組，來替代27個試驗(yàn)組，如表2。

表2　充填材料配比的正交試驗(yàn)方案表

3　充填材料的流動性及力學(xué)性能試驗(yàn)研究

3.1充填材料的流動性試驗(yàn)

充填材料料漿的流動性（或稱可泵性），是影響能否高效快速充填開采的重要性能之一，一般采用塌落度試驗(yàn)進(jìn)行測試[5,7]。各組配比材料加入設(shè)計(jì)重量的水與減水劑后，攪拌均勻。對各試驗(yàn)組做塌落度試驗(yàn)，試驗(yàn)組1、3和6發(fā)生嚴(yán)重的離析現(xiàn)象（圖1），主要是因充填材料的骨料和膠凝材料難以依靠自身的吸附力來保證水分圍繞在其周圍，拌合物的離析會大大影響泵送施工的可能性。而試驗(yàn)組9，因其塌落度＞150 mm，其拌合物漿體的流動性也不符合泵送的標(biāo)準(zhǔn)。

圖1　試驗(yàn)組3的塌落度測試

3.2充填材料的強(qiáng)度試驗(yàn)測試

將設(shè)計(jì)的各試驗(yàn)組配比的充填材料料漿攪拌均勻并放入模具后，放在振動臺上使其均勻入模，初凝8 h后脫模，置于溫度20±2℃，相對濕度95%RH以上的環(huán)境中。分別監(jiān)測各試驗(yàn)組在3d、7d和28d的單軸抗壓強(qiáng)度[7-8]。這里，只對試驗(yàn)組2、4、5、7、8充填材料進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)測試，如圖2。單軸抗壓強(qiáng)度的試驗(yàn)結(jié)果，如表3。

圖2　試驗(yàn)充填材料的抗壓強(qiáng)度測試

表3　各試驗(yàn)組單軸抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

對采空區(qū)充填體，應(yīng)有較短的初凝時間，以滿足其在很快的時間內(nèi)能自立成型，蔡嗣經(jīng)教授的充填研究[4]，從理論角度證明了需求的充填體早期強(qiáng)度隨著采高的增大而不斷增加，如表4。

表4　充填材料的早期強(qiáng)度要求[4]

該礦采高9.33 m，由表4可確定充填體早期強(qiáng)度不得小于0.55 MPa。據(jù)此推斷，試驗(yàn)組8未能滿足充填體早期強(qiáng)度的要求。

此外，充填體強(qiáng)度也有理論上的要求，考慮充填體存在不確定性因素，根據(jù)金屬礦山的經(jīng)驗(yàn)[4]，取安全系數(shù)n=2.0，則充填體的強(qiáng)度滿足公式

式中：σc為充填體理論強(qiáng)度，MPa；K為充填間距與充填體寬度的比值，且K=c/b，c是充填間距，m，b為充填體寬度，m；γ為覆巖密度，MN/m3；H為采深，m；h為充填體高度，m。

由此，提升充填比例雖可適當(dāng)降低充填材料的強(qiáng)度，但稍高強(qiáng)度的充填材料采用條帶式充填更能大幅度地降低充填成本，前提是須控制K的合理取值，即科學(xué)經(jīng)濟(jì)地設(shè)計(jì)充填寬度和充填間距參數(shù)。

4　不同充填材料減沉效果的數(shù)值模擬分析

4.1模擬模型建立和邊界條件的確定

大同某礦8503工作面，頂?shù)装鍘r性穩(wěn)定，一般為砂巖或泥巖。應(yīng)用FLAC-3D軟件，將整體工作面開采范圍劃分單元86 760個，節(jié)點(diǎn)111 860個。構(gòu)造模擬模型為長640 m，寬480 m，高326.25 m的長方體單元組結(jié)構(gòu)，長度方向?yàn)檠毓ぷ髅孀呦颉挾确较驗(yàn)檠毓ぷ髅鎯A向、高度從地表算起，根據(jù)實(shí)際情況，在水平面方向施加約束，各個巖層之間受到自身的原巖應(yīng)力和相互作用力，對各個巖層施加自重載荷并輸入物理力學(xué)參數(shù)。假設(shè)數(shù)值模擬建立模型最下部巖層十分穩(wěn)定，不存在水平位移和垂直位移，模型最上部巖層為自由邊界。數(shù)值模擬模型，如圖3。

圖3　充填開采減沉的數(shù)值模擬模型

4.2各試驗(yàn)配比材料的充填減沉效果的對比分析

用FLAC-3D模擬時，分別在鐵塔的四個獨(dú)立基座處設(shè)置監(jiān)測點(diǎn)，對未充填正常開采的地表沉陷情況進(jìn)行模擬跟蹤，得到如圖5、6的地表沉陷模擬結(jié)果，數(shù)值模擬z方向最大垂直位移達(dá)到4 941.6 mm，然后分別模擬2、4、5、7試驗(yàn)組全充填開采的不同減沉效果。

圖5　未充填與不同配比材料充填開采傾向沉降曲線

圖6　未充填與不同配比材料充填開采走向沉降曲線

通過對比分析課題組研制出的4種不同配比充填材料的地表沉陷模擬成果，試驗(yàn)組2和試驗(yàn)組4充填材料可達(dá)到一定的充填減沉效果，但不如5、7配比的減沉效果好。試驗(yàn)組5和試驗(yàn)組7充填開采的控制減沉效果明顯。全充填開采時，可使用試驗(yàn)組2和4的配比材料；條帶充填開采時，因整體充填比例減小，可考慮使用試驗(yàn)組5和7的高強(qiáng)度充填配比材料，但應(yīng)注意充填材料的成本控制要求。

針對鐵塔基座周圍監(jiān)測點(diǎn)的位移監(jiān)測，可得到4種配比材料充填開采以及正常開采的下沉量，如圖5和圖6。

地表開采沉陷引起高壓輸電鐵塔的危險(xiǎn)程度，一般有3方面的判定準(zhǔn)則：1）根據(jù)高壓輸電鐵塔基礎(chǔ)的不均勻沉降判定，國標(biāo)規(guī)定：底部基座間距6 m時，不均勻沉降值應(yīng)控制在22 mm以內(nèi)。如超過此值，將致使鐵塔基礎(chǔ)出現(xiàn)彎曲甚至扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，未充填和各種充填情況下鐵塔下沉模擬結(jié)果，如表5、表6。2）根據(jù)高壓輸電鐵塔的傾斜度控制參數(shù)判定，隨地表不均勻沉陷的出現(xiàn)，將導(dǎo)致高壓輸電鐵塔發(fā)生傾斜，國家規(guī)定“傾斜度不得超過允許范圍的1%”。3）高壓鐵塔的基座間距允許變化量要求判定，為保證高壓輸電鐵塔基座的穩(wěn)定性，國家規(guī)定：基座間距離變化量不得超過基座間距的0.004倍。經(jīng)模擬研究，可得基座在未充填和各種配比材料充填開采情況下鐵塔安全性評價，如表7。

表5　333號鐵塔的模擬沉降值　單位：mm

根據(jù)表6和表7，分析判定333號和334號鐵塔的安全性。配比試驗(yàn)材料2和4，充填開采時，不能滿足保護(hù)地表鐵塔的減沉控制效果；配比材料5和7可滿足保護(hù)鐵塔的減沉控制效果，通過充填開采可實(shí)現(xiàn)高壓輸電鐵塔安全運(yùn)行的目標(biāo)。

表6　334號鐵塔模擬沉降值　單位：mm

表7　未充填和各充填開采鐵塔安全性評價結(jié)果

5　結(jié)論

針對大同某礦8503工作面開采地表沉陷導(dǎo)致高壓輸電鐵塔線路存在的安全隱患問題，本文制定了煤矸石膠結(jié)材料的充填開采方案，并對各試驗(yàn)配比材料的充填性能及控制減沉效果進(jìn)行研究分析，有以下簡要結(jié)論：

1）基于正交試驗(yàn)，研制出4種適宜泵送充填的煤矸石類膠結(jié)充填材料，即配比2、4、5、7的充填材料，且均能滿足充填早期自立成型的最低強(qiáng)度0.55 MPa的要求。

2）塌落度試驗(yàn)測試表明，試驗(yàn)配比1、3、6、9材料的流動性較差，不符合泵送充填的料漿性能標(biāo)準(zhǔn)。

3）各配比充填材料的3、7和28d抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)表明，試驗(yàn)配比8的早期強(qiáng)度未能滿足充填體的最低強(qiáng)度要求。

4）基于Flac-3D的數(shù)值模擬結(jié)果，分析比較各配比材料充填開采的減沉控

制效果的差異。配比材料2和4，充填開采后不滿足地表供電線路鐵塔的安全保護(hù)效果；配比材料5和7，充填后，可實(shí)現(xiàn)保護(hù)地面高壓輸電鐵塔及線路安全運(yùn)行的最終目標(biāo)。

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（編輯：楊鵬）

Study on the Mixing Proportion of Coal Gangue Cemented Filling Materials and Subsidence Control Effect in a Mine

SONG Xuanmin1, MA Binghong2, WANG Dawei1，LI Fa2，WU Hao1, ZHANG Rizhen2, LU Zhicheng2
(1. Institute of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，030024; 2. Datong Coking Coal Group Ltd.，Huairen，038300, China)

Abstract:When mining of the thick coal seam, a large range of goaf will appears because of large mining height, so that the serious surface subsidence will come. For the protection of the surface buildings’safety, the fillingminingcan effectivelycontrol the surface subsidence. Based on coal gangue of a mine in Datongcity, the coal gangue cemented fillingmaterials that satisfies with the filling requirements and have better economy and reasonably ratio was made in the paper, the filling effect of different mixing proportion materials was simulated, and it has the important application value to filling mining and control subsidence in the coal mine.

Keywords:miningsubsidence；coal gangue; fillingmaterials；ratio；control subsidence

作者簡介：宋選民（1963-），男，山西永濟(jì)人，博士，教授，博士生導(dǎo)師，從事采礦工程科研教學(xué)工作。

基金項(xiàng)目：中國華能集團(tuán)公司總部科技重點(diǎn)計(jì)劃項(xiàng)目(HNKJ14- H30- 01)

收稿日期：2016- 01- 21

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.001

文章編號：1672- 5050（2016）01- 0001- 05

中圖分類號：TD323

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A