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莒山煤矿充填开采工作面膏体材料初步研究

2023-11-06 42 上传者：管理员

摘要：以莒山煤矿拟进行工作面采空区充填开采的9201工作面为研究背景，对膏体充填材料进行了初步研究，在分析工作面开采技术条件的基础上，通过理论分析计算了充填体的安全系数，通过实验对充填材料配比进行了分析，确定了合理的配比方案，给出了膏体快速凝固早强措施，为后期实际充填开采材料的设计与应用提供参考。

关键词：
充填开采
工作面
矸石
粉煤灰
膏体充填
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山西兰花集团莒山煤矿有限公司产量为90万t/a，矿井目前开采3号煤。3号煤和下组煤各自有独立的生产系统，3号煤采用斜井开拓，设有主斜井、副斜井和回风立井。目前3号煤层主要采区为一采区和二采区，剩余设计可采储量581.1万t。就目前所采的3号煤层而言，可采储量无法达到设计要求，根据上级文件精神，通过实现绿色开采的采区可增加一个回采工作面。莒山煤矿积极响应文件要求，开始在下组煤9号煤层设计充填开采工作面，实行绿色开采。为实现工作面有效充填，根据矿井实际生产条件，对充填材料配比进行了初步研究，为后期充填材料的制备和应用提供参考。

1、工作面开采技术条件

山西兰花集团莒山煤矿有限公司下组煤首采的9201工作面位于9#煤辅助水平（+700 m）九二盘区南翼，周围无采空区及老空区。9201工作面平均煤厚为1.50 m，层理一般，节理较发育，煤质较硬，煤层倾向3°～8°，容重为1.50 t/m3；工作面直接顶为砂质泥岩，平均厚度为3.2 m；直接底为泥岩，平均厚度4.7 m，灰黑色，致密，性脆，中部夹薄层细粒砂岩。9201工作面采用走向长壁采煤法，综合机械化采煤工艺，全部充填法管理顶板，在工作面顶板完整的情况下，按照最大循环步距3.2 m（割煤4刀）组织生产；顶板破碎时根据顶板完整性及压力情况及时加强支护，并补充专项措施。当顶板完整时，膏体充填开采施工工艺为：割煤→隔离→充填→凝固检修；当顶板破碎时，膏体充填开采施工工艺为：挂网→割煤（1刀）→挂网（支护顶板）→割煤（1刀）→挂网（支护顶板）→割煤（1刀）→挂网（支护顶板）→割煤（1刀）→隔离→充填→凝固检修。

2、充填材料分析

莒山煤矿回采工作面主要充填材料为矸石粉煤灰，材料来源如下：

骨料：采用煤矸石作为充填骨料，未经加工的洗矸和原矸在生产上不能满足要求，作为充填骨料时，需要通过破碎到最大粒径15 mm的粒级。

胶结料：采用普通水泥，主要从矿井附近的水泥厂采购。

粉煤灰：主要来源于兰花集团下属矿井附近的电热厂，根据检测结果，粉煤灰的主要化学组成如表1所示。

表1 粉煤灰化学组成

3、充填材料强度及配比

3.1 材料强度

目前充填体强度计算方法都是基于条带煤柱稳定性理论，针对全采全充目前没有相关计算方法，因此长壁综采充填体强度计算也基于条带煤柱稳定性理论。计算模型如图1所示[1,2]。

图1 充填体受载计算模型

式中：Pp为煤柱平均应力，MPa;γ为煤柱上覆岩层平均容重，MN/m3;H为平均采深，m;We为煤层采出条带宽度，m;Wp为条带煤柱宽度，根据实际煤柱留设情况，取80 m。

工作面充填开采后，膏体受力状态变为单向应力状态，充填体的强度可按照Bieniawski公式计算[3,4]:

式中：W/h为煤柱宽高比；当W/h>5时n取1.4，其他情况取1；σm为充填体28 d的强度，取1 MPa。

莒山煤矿902采区及9201工作面煤层埋深平均200 m，采厚按照1.5 m计算，工作面采宽200 m。按照式（2）可得出充填体强度与安全系数之间的关系。计算表明，充填开采时充填体28 d的强度大于1 MPa时，[σ]=65.54，即安全系数大于65.0，可满足充填体长期稳定性要求。后期根据地表岩移观测数据及莒山煤矿充填开采条件，可适当调整长期强度至1～2 MPa。

3.2 材料配比

为研究工作面充填材料的强度，对矸石、粉煤灰、水泥等材料进行试验研究，根据塌落度、泌水率、凝结时间和力学性能对配比进行动态优化。根据前期大量试验结果总结，选取煤矸石、水泥和粉煤灰的三个组分掺加量，构造九组正交试验[5,6]。测试浆液的塌落度、泌水率和凝结时间，并制成50 mm×50 mm×50 mm的标准试块，将试块进行护养处理，分别测定护养实践为1 d、3 d、7 d、14 d、28 d的试块力学强度，所设计的试验方案及试验结果如表2、表3所示。

由于前后期打水需要用灰浆将水与煤矸石膏体隔离，针对莒山煤矿1 488 m长管路，根据充填管单位长度的满管容积，前后期都设定45 m3灰浆即可，能有效将管路中的水与矸石膏体完全隔离。

根据表2可知，矸石浆配比膏体坍落度范围260～280 mm，膏体不易离析且流动性好适于管路长距离输送。具体选择何种配方可根据最终强度需求进行选择。如果要求充填体最终强度达到3 MPa以上，可选择编号5配方。根据表3中粉煤灰浆配比方案及实验结果，膏体强度需要3 MPa及以上时，可选择编号10～12配方。

表2 矸石浆配比方案及实验结果

为保证膏体达到管输及强度设计要求，推荐配比为：

水泥：200 kg/m3;

粉煤灰：960 kg/m3;

矿井水：460 kg/m3。

表3 粉煤灰浆配比方案及实验结果根据莒山煤矿矸石经实验室破碎的各级粒径比例，结合配比实验情况，推荐成品矸石使用级配范围：

15～10 mm:5%～10%;

10～5 mm:10%～20%;

5～1.5 mm:15%～35%;

<1.5 mm:35%～70%。

3.3 膏体快速凝固早强措施

(1）为达到快速凝固提高早期强度的目的，提高充填过程中的安全性，可在管路末端增加速凝装置，进行外加剂添加。外加剂的使用以井下生产需求产品性能为主，须在充填试采前进行实验。

(2）膏体经充填管路到达充填管路末端布料阀短接管出口喷泄而下，布料口短接管内穿有一水平内径10 mm喷杆，一端由布料口短接管内壁穿出并焊接快速接头，可与带快速接头和U型卡的橡胶软管相连，橡胶软管通过一隔膜泵将速凝剂箱内的速凝剂吸出，从而源源不断输送到工作面后隔离区喷洒，与疾驰而下的膏体快速混合飞溅滚动流淌，使膏体瞬间变稠，从而达到消除跑浆和快速凝固的目的。

(3）速凝效果与用量有关。每方膏体加3 kg速凝剂可将膏体凝固时间从8 h缩短为5 h，加15 kg可将凝固时间缩短为2 h。设计每方膏体添加3～5 kg速凝剂，可让凝固时间缩短为4～5 h，待打水冲洗管路以及打风环节结束，拆下布料阀和短接管，即可进行下一循环作业，生产等待时间基本为零。当膏体受粉煤灰性质变化或季节变化发生缓凝时，可适当提高速凝剂用量。

4、结语

初步分析了莒山煤矿有限公司下组煤首采的9201工作面膏体充填材料的强度与配比，并提出相应的膏体快速凝固早强措施。后期在实际充填开采过程中，膏体强度及配比要根据实际开采情况做适当调整，根据产量设计合理的充填系统，并制定相应的充填开采安全技术措施，保证工作面安全绿色开采。

参考文献:

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[2]钱鸣高,许家林,王家臣.再论煤炭的科学开采[J].北京:煤炭学报,2018,43(1):1-13.

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[5]刘坤,周华强,郑立军,等.膏体充填条带开采技术[J].北京:煤炭科学技术,2010,38(2):10-14.

[6]许峰.桑峨矿12303工作面充填开采技术应用探讨[J].江西煤炭科技,2022(1):11-13.

文章来源:郭智勇.莒山煤矿充填开采工作面膏体材料初步研究[J].江西煤炭科技,2023(04):90-92.