粉煤灰高水固化充填技術(shù)的研究與實踐

劉福廣 張國玉 安伯超 于相坤 林弈瀟

（山東安實綠色開采技術(shù)發(fā)展有限公司，山東省濟(jì)南市，250032）

粉煤灰高水固化充填技術(shù)的研究與實踐

劉福廣 張國玉 安伯超 于相坤 林弈瀟

（山東安實綠色開采技術(shù)發(fā)展有限公司，山東省濟(jì)南市，250032）

充填開采是綠色開采的重要組成部分，能夠有效地控制地表沉陷。其中粉煤灰高水固化充填技術(shù)采用粉煤灰、膠固料和水作為充填材料，具有高水、速凝、快硬、早強(qiáng)和耐低溫的特點。通過建立充填系統(tǒng)實現(xiàn)對井下的充填開采，有效地控制了覆巖下沉破裂和地表變形。該技術(shù)還可以進(jìn)行巷旁充填實現(xiàn)沿空留巷，避免留設(shè)煤柱造成資源浪費(fèi)，該充填材料具有廣泛的適應(yīng)性。

充填開采 粉煤灰高水固化充填技術(shù) 建筑物下壓煤 沿空留巷

粉煤灰高水固化充填技術(shù)是解決煤礦充填物料缺乏提供了一個新的途徑。該技術(shù)利用粉煤灰、膠固料和水作為充填材料，具有高水、速凝、快硬、早強(qiáng)和耐低溫的特點，可以用作 “三下”充填開采，也可以用做沿空留巷充填體，還可以用作防滅火、防水充填體等，具有廣泛的適應(yīng)性。

1 充填材料的研究

粉煤灰高水固化充填材料由粉煤灰、固化劑和水組成，粉煤灰與固化劑發(fā)生水化反應(yīng)后，在一定時間內(nèi)漿體全部凝結(jié)固化，形成硬化體。

1.1 粉煤灰高水固化充填材料適應(yīng)性研究

由粉煤灰、固化劑和水組成的高水固化充填材料經(jīng)過室內(nèi)試驗，各項技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)比較理想。為了把高水固化充填技術(shù)應(yīng)用到現(xiàn)場，進(jìn)行了多項試驗。配方1按照1∶0.213∶1.213（粉煤灰∶固化劑∶水）的比例進(jìn)行配制，得到的充填體強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表1所示。在這種配比的情況下，得到的漿體具有較強(qiáng)的流變特性，可用作充填開采建筑物下壓煤后的采空區(qū)，其最終強(qiáng)度能夠確保頂板的穩(wěn)定性，使地表的破壞程度控制在要求范圍之內(nèi)。配方2按照1∶0.686∶0.965（粉煤灰∶固化劑∶水）的比例進(jìn)行配制，得到的充填體強(qiáng)度數(shù)據(jù)如表1所示，得到的漿體能夠速凝，且能夠在短時間內(nèi)產(chǎn)生滿足支撐頂板的強(qiáng)度，可以用來做沿空留巷的充填體。不僅如此，還可以根據(jù)粉煤灰、固化劑和水的不同配比配制出滿足防滅火的和防水要求的充填材料。

表1 充填體強(qiáng)度試驗數(shù)據(jù)表

經(jīng)過試驗發(fā)現(xiàn)，固化劑添加量上下浮動2%對粘度、稠度、初終凝時間、強(qiáng)度影響不大；在保證粉煤灰濃度的上浮值不超過10%最好控制在5%以下的情況下，流變特性不會發(fā)生改變；在冬季寒冷條件下，不會對管道輸送產(chǎn)生太大影響，對稠度、初終凝時間、泌水率以及強(qiáng)度影響不大，可以在冬季低溫條件下進(jìn)行充填。

2 村莊下壓煤粉煤灰高水固化充填開采技術(shù)的應(yīng)用

2.1 工程概況

某煤礦充填開采設(shè)計區(qū)域為161采區(qū)，儲量為42.07萬t。該采區(qū)已按照設(shè)計的條帶式采煤法回采完畢，161采區(qū)北翼北部，開采寬度為20 m，留設(shè)寬度為20 m，采用回采率為50%的傾斜條帶法進(jìn)行了4個條帶區(qū)域的開采；北翼南部開采寬度為25 m，留設(shè)寬度為20 m，采用回采率為55%的傾斜條帶法進(jìn)行了5個條帶區(qū)的開采；161采區(qū)南翼的1612、1614、1616和1618工作面均采用開采寬度為30 m，留設(shè)寬度為20 m，回采率60%的傾斜條帶法進(jìn)行了開采。按平均回采率55%計算，尚有可開采資源18.93萬t。

2.2 充填開采方案設(shè)計

2.2.1 充填系統(tǒng)

（1）采煤年需要充填量

式中：Q1——年需要充填量，m3／a；

Q——年產(chǎn)量，t／a；

γ——原煤比重，t／m3；

Z——充采比；

K1——充填料原體積與初次沉縮后體積之比；

K2——充填料流失系數(shù)。

（2）地面充填設(shè)備配置

主要設(shè)備和設(shè)施有成漿攪拌槽、膠固料倉、粉煤灰初漿攪拌罐、輸送管道、電腦控制系統(tǒng)等裝置，如圖1所示。

圖1 地面充填站示意圖

2.2.2 充填開采工藝流程

充填開采工藝流程為：原條帶開采工作面巷道修復(fù)條帶采空區(qū)擋墻砌筑→原條帶采空區(qū)充填→煤柱回采→煤柱回采后新采空區(qū)充填。

充填開采順序要考慮兩方面因素，一是充填超前，保證回采順序的有序銜接，避免充填滯后影響回采；二是要保障充填體有合適的養(yǎng)護(hù)時間，以提高充填體強(qiáng)度，保證充填體對頂板的有效支撐作用。

2.2.3 充填材料制備及輸送

（1）固化劑由罐車輸送到固化劑倉。

（2）首先向粉煤灰盛漿罐打入水，然后按配比由罐車向盛漿罐打入粉煤灰，一邊打入粉煤灰一邊攪拌。

（3）攪拌好的料漿輸送到攪拌槽內(nèi)，同時按比例加入固化劑，在攪拌槽內(nèi)進(jìn)行攪拌，充分?jǐn)嚢韬蠼?jīng)鉆孔管道輸送到充填采空區(qū)。充填材料制備系統(tǒng)工藝流程如圖2所示。

2.3 效益分析

（1）161采區(qū)采用膠結(jié)充填開采后，16＃煤層可采煤炭18.93萬t，按照目前煤炭銷售情況，充填后噸煤利潤按照150元計算，則16＃煤層開采后可得銷售利潤為2839.5萬元。

（2）采用充填開采，不僅可減少煤炭損失，提高資源回收率，而且可延長礦井服務(wù)年限，促進(jìn)礦井高效、安全生產(chǎn)，對促進(jìn)地方經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要作用，還能消除地面粉煤灰堆積造成的環(huán)境污染與破壞等問題。

圖2 充填制備系統(tǒng)工藝流程

3 沿空留巷粉煤灰高水固化充填技術(shù)的應(yīng)用

3.1 工程概況

某煤礦16＃煤層的16105工作面地面位置位于礦井工業(yè)廣場西南側(cè)。煤層賦存穩(wěn)定，煤層厚度為1.31～1.45 m，平均厚度為1.37 m，工作面煤層較薄，煤層結(jié)構(gòu)較簡單，煤層傾角平緩，平均傾角為4°。該煤層屬氣肥煤，組分以鏡質(zhì)為主，屬低中灰、中高硫、特低磷煤。為了合理開發(fā)現(xiàn)有煤炭資源、提高煤炭采出率，在16105運(yùn)輸巷采用高水膠結(jié)充填材料機(jī)械化構(gòu)筑充填帶，實現(xiàn)沿空留巷。

3.2 充填開采方案設(shè)計

3.2.1 充填系統(tǒng)

圖3 充填硐室設(shè)備布置平面示意圖

（1）充填站。充填泵站設(shè)在161采區(qū)聯(lián)絡(luò)巷中，充填站需占用一段巷道或硐室 （長×寬×高=30 m×4.5 m×5 m），硐室設(shè)備布置圖如圖3所示。

（2）井下充填設(shè)備配置。充填設(shè)備為KFYY-25型煤礦用注漿泵的充填泵、攪拌桶、供液管路以及無縫鋼管等，充填最大流量為25 m3／h。

3.2.2 充填工藝

巷旁充填是將充填體全部置于采空區(qū)。為保證充填工作的順利進(jìn)行，必須做好工作面前方提前鋪網(wǎng)、打錨桿和支架前移后的支護(hù)等工作。

（1）工作面前方提前鋪網(wǎng)、打錨桿。為保證充填空間頂板的完整與架后作業(yè)人員的安全，在工作面支架拉移前，需對支架前方距運(yùn)輸巷煤壁沿傾向長度為6 m的范圍內(nèi)頂板進(jìn)行錨網(wǎng)支護(hù)。

圖4 充填空間支護(hù)示意圖

（2）支架前移后頂板支護(hù)。支架前移之前，要詳細(xì)檢查支架后面頂板的完好狀態(tài)?？窟\(yùn)輸巷一側(cè)的支架前移時，要做到帶壓移架，使頂板保持完整。確認(rèn)頂板完整后再進(jìn)行充填空間的支護(hù)，充填空間支護(hù)示意圖如圖4所示。

充填初期，需在切眼充填體底部預(yù)留2～3個排水口，生產(chǎn)過程中每隔50 m留1個放水口寬度為1 m的免充填區(qū)，以保證上方工作面采空區(qū)老塘水自流疏放。充填巷道支護(hù)形式如圖5所示。

（3）充填體穩(wěn)定性控制措施。為提高充填體的橫向抗變形能力，在充填體中置入錨栓來約束充填體的橫向變形，以提高充填體整體支護(hù)性能。

4 結(jié)論

（1）粉煤灰高水固化充填技術(shù)采用粉煤灰、固化劑和水混合組成的漿體能夠在較長時間內(nèi)不產(chǎn)生結(jié)塊，具有較好的流動性，可通過管道輸送；該混合漿體的初凝和終凝時間間隔較短，具有速凝的性能；漿體固化后，能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的抗壓強(qiáng)度。

圖5 充填巷道支護(hù)形式示意圖

（2）對建筑物下壓煤進(jìn)行粉煤灰高水固化充填，不僅可以把建筑物下壓煤全部采出，而且還保證了地面建筑物破壞程度在控制范圍內(nèi)。

（3）通過在16105運(yùn)輸巷采用粉煤灰高水固化充填技術(shù)進(jìn)行巷旁充填，實施沿空留巷，避免了留設(shè)煤柱，減少了巷道掘進(jìn)量，同時能夠保證巷道的正常工作，產(chǎn)生了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。

（4）粉煤灰高水固化充填材料通過調(diào)節(jié)粉煤灰、固化劑和水的比例產(chǎn)生不同的效果，能夠用于各種不同的用途，而且利用粉煤灰做充填材料，既能保護(hù)環(huán)境，又能降低充填成本，具有廣闊的應(yīng)用前景和良好經(jīng)濟(jì)效益。

［1］郝寶生，張書國 .矸石與粉煤灰混合充填開采的試驗研究 ［J］.中國煤炭，2009（11）

［2］于春生，牛宗濤 .煤礦膏體充填綠色開采體系研究［J］.中州煤炭，2009 （11）

［3］李建輝，馮光明等 .綜采沿空留巷巷旁支護(hù)技術(shù)與應(yīng)用 ［J］.中國礦業(yè)，2009 （3）

Research and practice of coal ash high proportion water solid filling mining technology

Liu Fuguang，Zhang Guoyu，An Bochao，Yu Xiangkun，Lin Yixiao
（Shandong Anshi Green Mining Technology Development Co.，Ltd，Ji'nan，Shandong 250032，China）

Filling mining is an important part of the green mining，which can effectively control surface subsidence.Coal ash high water solidifying filling technology adopts coal ash，cementing materials and water as filling materials with characteristics of high proportion water，quicklysolidification，rapid-hardening，early strength，low temperature resistance.Filling system has been implemented for underground filling mining and effectively control strata subsidence and fracture and also ground deformation.This technology also achieves gob-side entry retaining by roadside filling which avoids the waste of resources and generates great economic benefits.This filling material is extensive adaptability.

filling mining，coal ash high water solidifying filling technology，coal under building，gob-side entry retaining

TD823

A

劉福廣 （1963-），男，山東安丘人，研究員，現(xiàn)任山東安實綠色開采技術(shù)發(fā)展有限公司董事長。

（責(zé)任編輯 孫英浩）