矸石膠結(jié)材料在邢東礦的實(shí)踐與應(yīng)用

吳俊

（冀中能源股份有限公司 邢東礦，河北 邢臺(tái) 054000）

1 概 況

邢東礦村莊及工業(yè)廣場(chǎng)煤柱壓煤量占全礦井儲(chǔ)量的87%，為有效回收煤炭資源，實(shí)現(xiàn)地面保護(hù)與煤炭開采相互協(xié)調(diào)，先后實(shí)施了巷道矸石充填、工作面矸石充填和超高水充填等開采技術(shù)。由于巷道矸石充填資源回收率低、而高水充填成本太高，綜合機(jī)械化矸石充填相比較而言，兼有充填成本低、充填產(chǎn)量高的優(yōu)勢(shì)。但散狀矸石存在粘接力低、堆積效果差、需要反復(fù)搗實(shí)才能密實(shí)接頂?shù)缺锥?，造成充填時(shí)間過長，影響矸石充填規(guī)模化生產(chǎn)。根據(jù)邢東礦12212矸石充填工作面生產(chǎn)統(tǒng)計(jì)，面長為56 m的工作面平均充填一刀需要的搗實(shí)時(shí)間為3 h左右。

為提高矸石充填材料自身的堆積效果，減少搗填實(shí)次數(shù)及充填時(shí)間，考慮在矸石中添加外加劑，即引入散狀固體膠結(jié)材料來提高充填材料的粘接性能，進(jìn)而減少架后充填搗實(shí)的次數(shù)，縮短單次充填搗實(shí)的時(shí)間，提高充填效果和充填產(chǎn)量。

膠結(jié)材料可選用電廠的粉煤灰，也可選用黃土、水泥等，不同配比及不同成分的矸石膠結(jié)材料堆積效果及搗實(shí)后的成型效果都有不同，本文通過制備不同材料、不同配比的散狀固體混合料，并進(jìn)行堆積角測(cè)試，得出最優(yōu)的材料組合及配比，同時(shí)進(jìn)行井下工業(yè)性試驗(yàn)，驗(yàn)證混合料現(xiàn)場(chǎng)堆積搗實(shí)效果。

2 矸石添加改性材料配比研究

采用EP100型室內(nèi)小型破碎機(jī)，將矸石和黃土破碎后分為n份實(shí)驗(yàn)材料，模擬不同粒徑級(jí)配和材料配比條件下充填體成型效果，設(shè)計(jì)4組實(shí)驗(yàn)。①矸石自然破碎粒徑分布條件下充填體成型效果觀測(cè)及推實(shí)堆積角測(cè)量；②矸石中、細(xì)粒占主分布條件下充填體成型效果觀測(cè)及推實(shí)堆積角測(cè)量；③矸石與黃土配比10∶1條件下充填體成型效果觀測(cè)及推實(shí)堆積角測(cè)量；④矸石與黃土配比5∶1條件下充填體成型效果觀測(cè)及推實(shí)堆積角測(cè)量。

（1）實(shí)驗(yàn)一。矸石自然破碎粒徑分布條件下充填體成型效果及推實(shí)堆積角。

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，矸石自然破碎后粗粒、中粒、細(xì)粒所占比重為25%、40%、35%，加入6%的水，模擬工程現(xiàn)場(chǎng)固體充填液壓支架推實(shí)力，推實(shí)以后撤掉千斤頂，測(cè)得平均堆積角57°，充填體成型效果一般，撤掉推壓力后部分頂部矸石沿切面滑落。

（2）實(shí)驗(yàn)二。矸石中、細(xì)粒占主分布條件下充填體成型效果及推實(shí)堆積角。

調(diào)節(jié)破碎機(jī)出料口徑，調(diào)整中、細(xì)粒顆粒出料比重，破碎后粗粒、中粒、細(xì)粒所占比重依次為22%、33%、45%，加入6%的水，模擬工程現(xiàn)場(chǎng)固體充填液壓支架推實(shí)力，推實(shí)以后撤掉千斤頂，測(cè)得平均堆積角63°，充填體成型效果有所提高，撤掉推壓力后少許頂部矸石沿切面滑落。

（3）實(shí)驗(yàn)三。矸石與黃土配比10∶1條件下充填體成型效果及推實(shí)堆積角。

在矸石中加入10%黃土，加入6%的水，在黃土作用下散料矸石出現(xiàn)一定的粘聚效果，模擬工程現(xiàn)場(chǎng)固體充填液壓支架推實(shí)力，推實(shí)以后撤掉千斤頂，測(cè)得平均堆積角69°，充填體成型效果明顯提高，撤掉推壓力后矸石不再沿切面滑落。

（4）實(shí)驗(yàn)四。矸石與黃土配比5∶1條件下充填體成型效果及推實(shí)安息。

在矸石中加入20%黃土，加入6%的水，相比黃土含量10%時(shí)散料矸石粘聚效果急劇增加，模擬工程現(xiàn)場(chǎng)固體充填液壓支架推實(shí)力，推實(shí)以后撤掉千斤頂，測(cè)得平均堆積角近90°，充填體成型效果非常好，撤掉推壓力后充填體形成具備較高強(qiáng)度的垂直墻體。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，從充填體成型和強(qiáng)度效果來看，5∶1效果最佳，但同時(shí)該配比條件下充填體粘性太大，對(duì)材料投放、存儲(chǔ)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)會(huì)產(chǎn)生一定影響，存在堵倉的風(fēng)險(xiǎn)；10∶1時(shí)充填體成型效果和強(qiáng)度可以接受，且對(duì)材料投放、存儲(chǔ)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)影響較小，但考慮10∶1條件下室內(nèi)實(shí)驗(yàn)矸石與黃土得以充分混合攪拌，能得到滿意的效果。

3 矸石添加改性材料現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)

為驗(yàn)證添加10∶1改性材料的矸石實(shí)際充填效果，在1100南部采區(qū)南翼充填工作面實(shí)施了固體充填材料碾壓改性工業(yè)性試驗(yàn)。試驗(yàn)地點(diǎn)為邢東礦11233工作面，試驗(yàn)材料為洗選矸石分別添加膠結(jié)粉、水泥、黃土，材料配比均為10∶1?，F(xiàn)場(chǎng)充填搗實(shí)情況顯示，矸石中添加3種改性材料后，混合料均有較大的粘度，搗實(shí)1～2次即可成型，堆積角可達(dá)80°以上，對(duì)提高充填率及搗實(shí)效果有良好的促進(jìn)作用。矸石充填改性材料工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表1，矸石充填不同添加改性材料工業(yè)試驗(yàn)效果如圖1～圖3所示。

表1 矸石充填改性材料工業(yè)性試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比Table 1 Comparison of industrial test results of gangue filling modified materials

圖1 矸石充填添加膠結(jié)粉碾壓改性工業(yè)試驗(yàn)效果Fig.1 Industrial test effect of cemented powder rolling modification for gangue filling

圖2 矸石充填添加水泥碾壓改性工業(yè)試驗(yàn)效果Fig.2 Industrial test effect of gangue filling with cement rolling modification

圖3 矸石充填添加黃土碾壓改性工業(yè)試驗(yàn)效果Fig.3 Industrial test effect of gangue filling with loess rolling modification

4 結(jié) 語

通過矸石添加改性材料的配比研究及現(xiàn)場(chǎng)工業(yè)性試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)矸石與改性材料在配比10∶1時(shí)有良好的成型效果及強(qiáng)度，且對(duì)材料投放、存儲(chǔ)、運(yùn)輸環(huán)節(jié)影響較小，3種改性材料中，黃土噸煤增加成本較小，對(duì)實(shí)現(xiàn)高效充填開采，提高充填效果具有良好促進(jìn)作用，充填體密實(shí)充填率達(dá)到85%以上。