陳維新， 付明超， 劉世明， 趙美芳， 關顯華

(1.黑龍江科技大學 礦業(yè)研究院，哈爾濱 150022;2.山東省寧陽縣煤炭工業(yè)管理局，山東 泰安 271400)

0 引言

隨著煤炭的不斷開采，煤炭資源枯竭問題日益顯現(xiàn)，成為老煤炭工業(yè)礦區(qū)社會、經(jīng)濟可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。礦區(qū)工業(yè)廣場、鐵路、城鎮(zhèn)、水體下的保護煤柱，成為數(shù)量可觀的優(yōu)質煤炭資源。探索上覆巖層不被破壞、地表無明顯擾動的充填開采技術，是能夠回采這些滯留煤量，延長礦井服務年限，維持老煤炭礦區(qū)社會經(jīng)濟持續(xù)發(fā)展的重要技術保障[1]。目前，充填效果較為明顯的有高水充填和膏體充填兩種技術。高水充填材料質量水固比為2.5，分為甲料和乙料，制漿時分兩套制漿設備分別制兩種漿液，然后用雙管路泵送至充填地點后混合成充填漿料，充填系統(tǒng)復雜。膏體材料中固體質量一般占材料總重的75%～88%，漿液流動性較差，在地面制漿后一般用壓力泵送至充填地點，工藝較繁瑣。為此，筆者提出采用粉煤灰基膠結材料，水固質量比為0.85～1.25，流動性較好，在地面制漿后采用單管路輸送。該方法在桃山礦采空區(qū)進行現(xiàn)場實驗。

1 粉煤灰基膠結材料

粉煤灰基膠結材料由黑龍江科技大學礦業(yè)研究院研發(fā)，其特點是粉煤灰占固體料的80%～89%，首先將粉煤灰與HJJ系列活化劑、水攪拌后陳放，充分激發(fā)粉煤灰的活性后，再加入硫鋁酸鹽水泥、石灰、石膏、KYY－ZH系列早強緩凝劑、KYY－S系列速凝劑，攪拌形成充填漿料。

在工業(yè)實驗時，粉煤灰活化時間為2～8 h，活化環(huán)境溫度不低于14℃。充填材料水固比取0.95～1.25，粉煤灰活化后的灰漿不凝固，與其他添加劑混合后，初凝時間為90～140 min，終凝與初凝時間差不超過30 min。材料的8 h單軸抗壓強度不小于0.7 MPa，3 d單軸抗壓強度不小于2 MPa，28 d單軸抗壓強度不小于5 MPa。

2 工作面概況

桃山煤礦九采三井采用走向長壁后退式采煤法，爆破落煤。桃山礦九采區(qū)三井區(qū)域綜合柱狀圖如圖1所示。

圖1 綜合柱狀圖Fig.1 Integrated histogram

充填開采實驗在桃山礦九采三井93#回采右四片工作面進行。工作面采空區(qū)內采用留設木柱的方式進行頂板控制，木柱只設不收。93#煤層平均厚度為1 m，結構較簡單。工作面斜長28 m，傾角約11°，走向長680 m。

3 制漿輸送工藝系統(tǒng)

充填制漿系統(tǒng)主要由兩套攪拌設備組成，分別是粉煤灰活化攪拌設備和成漿攪拌設備。在現(xiàn)場應用中，活化攪拌裝置容積是成漿攪拌裝置的六倍，為保證制成漿的連續(xù)性，成漿攪拌裝置最少設置兩個。

充填前，依據(jù)配方通過計量設備計量后，將定量的粉煤灰、水、活化劑加入活化攪拌設備中，攪拌10～20 min，陳放2～8 h。為防止?jié){液沉底，陳放時間內每隔30～60 min攪拌5 min。

需要充填時，將定量灰漿通過轉載泵輸送至所有成漿攪拌設備中，在其中一個成漿攪拌設備中，邊攪拌邊依次將計量好的硫鋁酸鹽水泥、石灰、石膏、KYY－ZH系列早強緩凝劑、KYY－S系列速凝劑加入后，攪拌5～15 min，攪拌均勻后打開出料閥門，通過160 mm特種塑料管路泵送至井下充填袋。同時，在另一個制漿攪拌裝置中重復上述工藝，待第一個攪拌裝置泵送完成后，即可對第二個成漿攪拌裝置里的成漿進行泵送。依次完成交替循環(huán)，實現(xiàn)半連續(xù)制漿[2]。制漿后用渣漿泵輸送漿液，當漿料輸送結束時，用壓風將管道剩余漿液壓出。制漿輸送工藝系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 充填工藝系統(tǒng)Fig.2 Pulping process and systems

4 采空區(qū)充填方案

4.1 充填袋及模板支設

充填袋的材質采用防水耐腐蝕的高分子材料加工制作，具有高強、抗靜電及抗阻燃的性能。充填袋尺寸可根據(jù)煤層高度變化作適當調整。

根據(jù)桃山礦充填工作面長度、采煤進尺等因素，設計充填袋長 5.00 m、高 1.05 m、寬 2.00 m，充填袋設有吊掛固定處，連接管路處及排氣口。模板采用聚乙烯塑料軟板，長1 m、高1 m、厚2 cm，兩個模板搭接距離不少于10 cm。采用松木支柱，兩支柱距離為20 cm。要充填時，首先根據(jù)充填體長、寬支設木支柱，然后在木支柱內側鋪設塑料模板，最后將充填袋在模板內側展開用細繩將充填袋吊掛起來，并將充填袋入料口和排氣口置于模板外。充填工作面模板、支柱及固定充填袋照片見圖3。

圖3 模板和支柱及充填袋吊掛照片F(xiàn)ig.3 Photo of templates，pillars and filling bags fixed

4.2 充填方式

由于頂?shù)装鍘r性良好，所以采用沿走向條帶式部分充填，空區(qū)內的布置方式為帶狀間隔布置，充填條帶寬5.0 m，與煤層傾向平行，充填條帶帶間隔2.0 m，充填率70%。考慮接續(xù)工作面巷道布置，設計采用沿空留巷方式，充填條帶距運輸巷邊界的距離不超過3.0 m，實驗充填體距運輸巷邊界為2.4 m。輸送漿料管道在通風巷貼煤壁布置。走向條帶充填在采空區(qū)內的布置方式如圖4所示。

圖4 走向條帶充填在采空區(qū)內的布置Fig.4 Arrangement of strike band filling coal mining in mine area

4.3 充填工藝

充填制備站年工作300 d，即ta=300，采用“三八制”作業(yè)，兩采一充，即一班充填、檢修，兩班采煤，晝夜完成一個充采循環(huán)，最大充填量為390 m3，年充填量為11.7萬 m3，解放壓煤23.4萬 t。

5 袋式充填效果分析

5.1 現(xiàn)場充填效果

隨機十個充填日檢測井下充填袋入料口漿料。接取的料漿一部分在井下用維卡儀測定初凝時間t，一部分倒入7.07 mm×7.07 mm×7.07 mm三聯(lián)試模，在井下養(yǎng)護后，采用WDS－50A壓力機測定單軸抗壓強度σc，結果見表1。材料的凝結和抗壓性能達到預期目標，說明充填材料能夠適應充填系統(tǒng)和充填工藝的要求。

表1 平均單軸抗壓強度及凝結時間Table 1 Average uniaxial compressive strength and setting time

在隨機的十個充填日內，充填體的接頂率均達到96%以上。剩余4%是由于充填袋在充填過程中打褶而未充滿導致?，F(xiàn)場充填前后如圖5所示。

圖5 充填前后對比Fig.5 Photograph of filling effect

5.2 充填區(qū)域頂?shù)装逡平勘O(jiān)測

在距開切眼6、30、90 m，布置三個測區(qū)，每個測區(qū)在工作面中間和兩側布置三個測點。采用ADL2.5測桿對頂?shù)装逡粋€月內的移近量進行觀測，頂?shù)装逡平孔畲鬄?.4 mm，最小為8.1 mm，平均移動量為8.6 mm，所有測區(qū)均在3 d的移近量增長最快，3 d后移近量增長逐漸減緩，21 d時測點頂?shù)装逡平俣融吔?，120 d時測點頂?shù)装逡平烤鶡o明顯變化。這說明在充填體的作用下頂?shù)装暹_到了相對穩(wěn)定的狀態(tài)[3－4]。

5.3 地表觀測

在充填區(qū)域地表設立觀測裝置。從工作面推進開始進行連續(xù)觀測，兩年內測量八次，其地表最大下沉量為20 mm，符合規(guī)程要求，能夠保障地面建筑物無破壞[5－6]。

6 結論

(1)粉煤灰基膠結充填材料形成充填體后，早期強度增長迅速，凝結時間既可以滿足泵送要求，又能及時凝固自立，縮短了拆除充填體模板時間，能夠很好地適應袋式條帶充填的采充工藝要求。

(2)袋式條帶充填屬于部分充填，較全部充填具有充填消耗量少，制漿系統(tǒng)投資少等優(yōu)勢。

(3)袋式條帶充填采煤法在“三下”采煤無須留設保護煤柱，資源采出率提高40%，地表減沉效果明顯。該研究可以為今后“三下”采煤提供參考。

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