某礦井泵送矸石充填工藝

李志保

(同煤集團(tuán)永定莊煤業(yè)有限責(zé)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(kù)及大量建筑物，不宜采用全部垮落采礦法。結(jié)合該礦開(kāi)采條件，利用井下巖巷掘進(jìn)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(wèn)題，又能減少矸石升井產(chǎn)生的環(huán)境污染問(wèn)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(kù)。10903(西)工作面位于109采區(qū)東翼上部。該工作面地面標(biāo)高為205.7～224.8 m，工作面標(biāo)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(duì)涌出量0.39 m3/min，相對(duì)涌出量0.36 m3/t，礦井瓦斯等級(jí)為低沼氣礦井。煤層爆炸指數(shù)僅為3.9%，無(wú)爆炸危險(xiǎn)性，無(wú)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(yùn)輸石門與排矸斜巷交叉處施工矸石緩沖倉(cāng)，矸石緩沖倉(cāng)下口施工專用矸石轉(zhuǎn)載巷，轉(zhuǎn)載巷長(zhǎng)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(zhǎng)15 m，矸石通過(guò)矸石轉(zhuǎn)載巷內(nèi)的皮帶運(yùn)輸機(jī)運(yùn)至充填泵站，通過(guò)攪拌機(jī)攪拌，再由混凝土泵通過(guò)充填管路壓送至采空區(qū)進(jìn)行充填[5]。

泵送矸石充填區(qū)域采用單一走向長(zhǎng)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(hù)[6-8]。充填管路布置遵循最短距離和最少?gòu)澒苁褂玫脑瓌t。干路充填管道由充填硐室經(jīng)10903(西)上順槽進(jìn)入工作面，干路管道水平布置于上順槽，管道每節(jié)長(zhǎng)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(zhǎng)3 m，便于在充填工程中進(jìn)行管道拆卸。充填時(shí)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(jìn)行，干路管道不斷加長(zhǎng)，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(duì)回采工作面和巷道的不利影響[9-10]。泵送矸石充填試驗(yàn)區(qū)時(shí)，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(hù)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(cè)。充填工作開(kāi)始之前，應(yīng)檢測(cè)矸石倉(cāng)、水倉(cāng)和膠結(jié)料倉(cāng)中的料位情況，檢查設(shè)備連接是否正常。同時(shí)連接充填管道，檢查充填區(qū)脫水擋墻及支護(hù)設(shè)施是否穩(wěn)定，并建立與充填泵站進(jìn)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(jìn)行補(bǔ)充。礦井生產(chǎn)中產(chǎn)生的矸石較大，無(wú)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(jī)粉碎至30 mm以下，存儲(chǔ)至采面矸石倉(cāng)備用。

(3)配料制漿。配料及時(shí)準(zhǔn)確是保證充填系統(tǒng)正常運(yùn)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(dá)到攪拌筒設(shè)定的容量后，打開(kāi)閥門進(jìn)行正常充填工作。充填過(guò)程中，由于矸石中水分含量波動(dòng)大，易導(dǎo)致測(cè)量不準(zhǔn)確，為保證充填料漿質(zhì)量，應(yīng)采用較精密的儀器進(jìn)行計(jì)量。

(4)采空區(qū)充填。當(dāng)充填料漿達(dá)到設(shè)計(jì)的質(zhì)量后，通過(guò)充填泵將料漿由管道輸送至采空區(qū)，同時(shí)及時(shí)排出因料漿脫水流進(jìn)采空區(qū)的水。當(dāng)達(dá)到預(yù)定的充填目標(biāo)后，應(yīng)及時(shí)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(duì)設(shè)備進(jìn)行清洗。清洗攪拌機(jī)時(shí)，利用水泵直接對(duì)攪拌機(jī)進(jìn)行清洗。清洗管路時(shí)，打開(kāi)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(diǎn)動(dòng)排出矸石料，用水沖洗料斗，在錐管內(nèi)裝入2個(gè)海綿球，接上錐管，關(guān)上料斗門，料斗內(nèi)裝水進(jìn)行泵送，直至海綿球從管路末端泵出。充填開(kāi)始時(shí)用高壓水沖洗管路。

3 充填體質(zhì)量分析

3.1 充填體強(qiáng)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(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖1。分析圖1可知：在相同的養(yǎng)護(hù)齡期，現(xiàn)場(chǎng)充填體強(qiáng)度低于實(shí)驗(yàn)室強(qiáng)度。充填體強(qiáng)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(shí)間過(guò)長(zhǎng)，破壞了其生成的水化產(chǎn)物，降低了充填體強(qiáng)度。

圖1 充填體強(qiáng)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(lái)說(shuō)，充填接頂率越高，充填效果越好，但在實(shí)際操作中充填效果因受到充填料強(qiáng)度、充填體剛度、充填料級(jí)配、接頂方式等因素的影響，難以實(shí)現(xiàn)完全接頂。

圖2 充填體欠接頂量統(tǒng)計(jì)

4 結(jié) 語(yǔ)

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(guò)對(duì)充填體質(zhì)量效果及充填接頂率進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)，進(jìn)一步分析了充填體質(zhì)量低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的原因，對(duì)于類似礦山有一定的參考意義。