煤礦井下膏體快速充填材料及關(guān)鍵技術(shù)研究

秦大健，王學(xué)偉

（1.國家能源充填采煤技術(shù)重點實驗室，河北 邢臺 054000；2.河北煤炭科學(xué)研究院有限公司，河北 邢臺 054000；3.河北充填采礦技術(shù)有限公司，河北 邢臺 054000）

0 引言

隨著井下優(yōu)質(zhì)資源的不斷減少，“三下”資源開采逐漸成為各大礦山企業(yè)延長礦井服務(wù)年限的一個重要手段。充填采煤技術(shù)發(fā)展與革新，也逐步成為促進(jìn)采礦行業(yè)發(fā)展、保護(hù)生態(tài)環(huán)境的一項重要技術(shù)手段。膏體充填采煤技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，逐步得到了廣泛認(rèn)可與應(yīng)用，同時也顯露出了很多技術(shù)難點和技術(shù)瓶頸，這些也成為充填技術(shù)發(fā)展的重要制約因素。傳統(tǒng)的礦山膏體充填技術(shù)，是將煤矸石、建筑垃圾、粉煤灰、水泥及少量外加劑等經(jīng)過加工處理后，按照一定的配比與水混合，在地面制成充填漿液，通過地面注漿系統(tǒng)與運輸管道等輸送至井下采空區(qū)的工藝過程[1]。但新建地面充填站存在建設(shè)成本高、管道輸送距離長、操作技術(shù)水平要求高等問題，極易出現(xiàn)料漿堵管或分層離析等現(xiàn)象[2]，影響充填效率與充填效果；地面充填站制漿充填量較大，局限性強，無法滿足井下小范圍空區(qū)充填注漿加固、防滅火等方面需要。因此，降低膏體充填材料制漿及輸送技術(shù)難度，降低充填成本，提高充填效率，實現(xiàn)小體量、小規(guī)模、區(qū)域分散的井下快速膏體充填，成為制約膏體充填技術(shù)發(fā)展的一系列關(guān)鍵問題。本文通過對膏體充填材料與配套的井下快速制漿、輸送等關(guān)鍵技術(shù)的研究，尋求解決上述問題的方法。

1 膏體快速充填材料

1.1 原材料

常見的膏體充填材料主要由粗骨料、細(xì)骨料、膠結(jié)材料及少量的外加劑組成。其中粗骨料是將煤矸石、爐渣、尾砂或建筑垃圾等通過破碎加工，制成具有一定粒度的顆粒；細(xì)骨料是將粉煤灰、黃土等材料經(jīng)過加工制成的粉料；膠結(jié)材料主要是指水泥、特制膠固粉等具有水化特性的粉體物料；外加劑主要是具有緩凝、早強等特性的化學(xué)添加劑，用于調(diào)節(jié)充填材料的性能，從而達(dá)到更好的充填效果，外加劑可根據(jù)實際情況確定摻加量[3]。

根據(jù)煤礦情況，為更好的匹配膏體井下快速充填工藝技術(shù)，研究中選用煤矸石、粉煤灰、水泥為原材料制備膏體充填材料。

（1）煤矸石取自河北邢臺葛泉礦，外觀黑色，經(jīng)顎式破碎機加工至最大粒徑＜8 mm，平均粒徑＜5 mm，級配中1.00～4.75 mm 顆粒含量為50%～70%。

（2）粉煤灰為邢臺沙河電廠，外觀淺灰色，Ⅱ級粉煤灰。

（3）水泥為邢臺金隅詠寧水泥，標(biāo)號P.S.A32.5礦渣水泥及P.O 425 普通水泥。

各種原材料化學(xué)元素分析見表1。

表1 主要原材料化學(xué)成分分析Table 1 Chemical composition analysis of main raw materials

1.2 配比試驗

在室溫20±2℃，水溫20±2℃，養(yǎng)護(hù)溫度20±1℃，濕度≥90%的標(biāo)準(zhǔn)試驗條件下，使用制備好的各種原材料，配制相同固體濃度的膏體充填材料，按照表2 配比進(jìn)行試驗。

表2 膏體材料試驗配比Table 2 Paste material test ratio

1.3 力學(xué)性能

將制備的膏體充填材料固結(jié)體通過恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱分別養(yǎng)護(hù)3、7、28 d 后，使用液壓伺服壓力機測定試塊單軸抗壓強度，如圖1～圖2 所示。

圖1 試驗1-3 單軸抗壓強度對比Fig.1 Comparison of uniaxial compressive strength of test 1-3

圖2 試驗2、4、5、6 單軸抗壓強度對比Fig.2 Comparison of uniaxial compressive strength of test 2,4,5,6

通過圖1 可以看出，在固體質(zhì)量濃度相同的膏體充填材料中，若矸石粗骨料的質(zhì)量濃度相同，隨著礦渣水泥膠結(jié)料的增加，充填體相同齡期的強度逐漸增加，水泥質(zhì)量比例從5%增加至15%，每增加5%，充填體3 d 早期強度分別增加52%、19%，28 d 后期強度分別增加26%與18%，強度增長比例有所降低。

通過圖2 可以看出，若礦渣水泥膠結(jié)材料比例相同，在一定范圍內(nèi)，隨著矸石粗骨料的增加，粉煤灰細(xì)骨料的減少，充填體強度也會隨之降低，煤矸石含量從45%增加至55%，其中每增加5%，充填體3 d 強度分別降低6.0%與4.1%，28 d 后期強度分別降低4.4%和6.8%。在其他條件不變的情況下，用普通水泥替代礦渣水泥，充填體3 d 早期強度增加6.4%，28 d 后期強度增加2.4%。

2 膏體快速充填工藝技術(shù)

膏體快速充填工藝主要包括材料制備、漿液輸送、空區(qū)充填等工藝流程，主要是指將地面加工制備好的預(yù)混膏體充填固體物料通過投料孔輸送至井下，在井下加水?dāng)嚢韬笸ㄟ^管路泵送加壓至快速充填系統(tǒng)二次攪拌加壓，最后充填至采空區(qū)的過程。膏體快速工藝流程如圖3 所示。

圖3 膏體快速工藝流程Fig.3 Rapid paste process

2.1 材料制備

將矸石、爐渣、建筑垃圾等大塊固體廢棄物經(jīng)過粗破與細(xì)破等工序加工而成的粗骨料，與粉煤灰、黃土等經(jīng)過晾曬、篩分（如需要）等工藝加工而成的細(xì)骨料，以及制備好的固廢基礦山膏體充填專用膠結(jié)材料，按照預(yù)先實驗得出的配比各自進(jìn)行稱量后，加入預(yù)混裝置，加工攪拌制成預(yù)制膏體充填固體材料，具體工藝流程如圖4 所示。

圖4 原材料的制備工藝流程Fig.4 Preparation process of raw materials

將各種固體物料預(yù)制成無需井下稱量、可直接加水制漿的膏體充填固體材料，對井下配制的膏體充填料漿，對濃度、泌水率、塌落度等技術(shù)要求低，極大的降低了膏體充填技術(shù)難度，提高充填效率，擴(kuò)大了膏體充填的適用范圍。

2.2 漿液輸送

將預(yù)制膏體充填固體材料通過投料孔輸送至井下儲料倉，在使用時，根據(jù)需要稱量一定比例的固體物料，加入適量的水后，通過臥式雙軸攪拌機混合攪拌，制成膏體充填料漿，再通過高壓泵送系統(tǒng)輸送至快速充填系統(tǒng)，經(jīng)過二次攪拌加壓后，輸送至待充填區(qū)域。

快速充填系統(tǒng)，是指具有模塊化和集成化的快速充填系統(tǒng)，主要包括4 個儲料攪拌模塊、1 個高壓泵送系統(tǒng)模塊、連接管路及其他輔助設(shè)備模塊等，各模塊可根據(jù)需要組合集成，可利用膠輪車制成移動式快速充填系統(tǒng)，或布置于采空區(qū)附近巷道內(nèi)，制成半固定式快速充填系統(tǒng)。快速充填系統(tǒng)工藝流程如圖5 所示。

圖5 快速充填系統(tǒng)工藝流程Fig.5 Process Flow of Rapid Filling System

快速充填系統(tǒng)可根據(jù)需要將各模塊自由組合，制成移動式或半固定式的充填系統(tǒng)，就近布置于待充填區(qū)域附近，可配合井下制漿泵送系統(tǒng)使用，也可單獨使用。模塊化與集成化的結(jié)合使快速充填系統(tǒng)有了更廣的使用空間，為井下快速充填、定點定量充填以及井下突發(fā)情況應(yīng)急處置，提供了更安全、更高效、更快速的技術(shù)方法。

2.3 空區(qū)充填

空區(qū)充填，主要包括采空區(qū)密閉、采空區(qū)預(yù)留或鉆孔鋪設(shè)充填管路、采空區(qū)注漿充填等工藝。采空區(qū)密閉是用金屬網(wǎng)及塑料編織布建造密閉墻，用單體液壓支架或木點柱作為縱向支撐梁，密閉墻與巖壁或煤壁連接處以沙袋或煤渣袋進(jìn)行加強密閉；采空區(qū)預(yù)留或鉆孔鋪設(shè)充填管路是在采空區(qū)上部接近頂板處預(yù)留或鉆孔鋪設(shè)充填管路，充填管路末端與密閉墻之間距離為20～30 m。充填密閉墻構(gòu)造速度快、成本低，對金屬網(wǎng)及塑料編織布等施工材料要求低，整個充填工藝簡單，能夠滿足井下快速充填空區(qū)密閉要求。空區(qū)充填現(xiàn)場布置如圖6 所示。

圖6 空區(qū)充填現(xiàn)場布置平面示意Fig.6 The plane layout of filling site in empty area

3 結(jié)論

（1）膏體快速充填材料以煤矸石、粉煤灰等固體廢棄物為骨料，以水泥為膠結(jié)材料，在滿足采空區(qū)充填需求的基礎(chǔ)上，能夠?qū)崿F(xiàn)固體廢棄物的綜合利用，保證了井下充填需要，又節(jié)能環(huán)保。

（2）膏體快速充填工藝物料加工與制漿工藝分離，地面制備預(yù)制固體物料，井下制漿，能夠降低地面充填站建設(shè)成本，實現(xiàn)膏體少量化、分散性、區(qū)域性的快速充填。

（3）井下制漿、泵送、快速充填等工藝設(shè)備，具有小型化、模塊化、自動化、集成化的特點，能夠根據(jù)輸送距離自行選擇加壓能力，減少了堵管風(fēng)險，降低了膏體充填的技術(shù)難度，為膏體充填技術(shù)的發(fā)展提供了新的方向。