劉鵬亮，張華興，崔 鋒，孫凱華，孫萬明

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

風(fēng)積砂似膏體機(jī)械化充填保水采煤技術(shù)與實(shí)踐

劉鵬亮1,2，張華興1,2，崔 鋒1,2，孫凱華1,2，孫萬明1,2

(1.煤炭科學(xué)研究總院 開采研究分院，北京 100013；2.天地科技股份有限公司 開采設(shè)計(jì)事業(yè)部，北京 100013)

針對(duì)榆陽煤礦垮落法開采導(dǎo)致薩拉烏蘇組含水層破壞的嚴(yán)重問題，開發(fā)了風(fēng)積砂似膏體機(jī)械化充填采煤技術(shù)。充填材料以風(fēng)積砂為骨料，以堿激發(fā)粉煤灰為膠結(jié)劑，實(shí)驗(yàn)確定了配比為水砂比1∶1.3，質(zhì)量濃度72%，初始流動(dòng)度達(dá)到210 mm；提出料漿管路輸送局部阻力損失計(jì)算方法，通過現(xiàn)場自流輸送實(shí)驗(yàn)，得出單位長度彎頭阻力損失為沿程阻力損失的4.26倍，確定了14.9大倍線自流輸送管路內(nèi)徑，流量設(shè)計(jì)精度提高10%以上；采用充填站雙制漿系統(tǒng)地下設(shè)備池模式，制漿能力達(dá)360 m3/h，運(yùn)行能耗低；提出工作面充填空間整體密閉新方式，密封布消耗量僅為傳統(tǒng)掛袋方式的40%。工業(yè)性實(shí)驗(yàn)表明，采空區(qū)充填率達(dá)98.5%，工作面無明顯來壓現(xiàn)象，頂板淋水量小于2 m3/d，地表最大下沉38 mm，滿足保水開采要求，且與同類技術(shù)相比成本和生產(chǎn)效率均取得較大突破。

充填保水采煤；風(fēng)積砂似膏體；局部阻力損失；現(xiàn)場自流輸送實(shí)驗(yàn)；雙制漿系統(tǒng)；充填空間整體密閉

陜西中能煤田有限公司榆陽煤礦是陜北侏羅紀(jì)煤田榆橫礦區(qū)(北區(qū))大型礦井之一，年產(chǎn)300萬t，煤層賦存和開采條件優(yōu)越，主采3號(hào)煤，厚度3.0～3.6 m，傾角平均1°，埋深190～230 m。礦井地處毛烏素沙漠南緣，屬干旱、半干旱氣候區(qū)，水資源貧乏，生態(tài)環(huán)境脆弱。煤層上方覆蓋40 m左右的厚含水風(fēng)積砂層，特別是底部5～25 m較穩(wěn)定的薩拉烏蘇組砂礫石含水層直接覆蓋在煤系地層露頭之上，垮落法開采導(dǎo)水?dāng)嗔褞O易溝通工作面上方的含水層，對(duì)煤層安全開采和脆弱的毛烏素沙漠生態(tài)環(huán)境構(gòu)成極大威脅。

相較于條帶開采、限厚開采等以降低資源回收率為代價(jià)減小覆巖破壞程度的保水開采方式[1-2]，充填開采通過向采空區(qū)回填固體或膠結(jié)充填材料，在不損失煤炭資源的前提下達(dá)到控制采動(dòng)損害效果，是理想的環(huán)境友好型開采方法。近年來，以廢棄矸石、電廠粉煤灰等為主要充填材料的充填采煤技術(shù)在我國中東部礦區(qū)建(構(gòu))筑物下、近水體采煤方面得到快速發(fā)展和應(yīng)用[3-9]，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益，起到了示范效應(yīng)。針對(duì)西北礦區(qū)保水采煤的迫切需求及地表廣泛賦存風(fēng)積砂的特點(diǎn)，就地取材利用風(fēng)積砂作充填材料實(shí)施充填開采勢(shì)在必行。范立民于2003年提出了風(fēng)積砂充填采空區(qū)的保水采煤技術(shù)方案[10]，閆少宏等提出了一種巷柱式放頂煤充填開采方法[11]，崔鋒等對(duì)風(fēng)積砂的基本性質(zhì)及以其為骨料的膠結(jié)充填材料性能進(jìn)行了測試[12-15]，上述成果促進(jìn)了風(fēng)積砂充填采煤技術(shù)的發(fā)展，但尚未形成與風(fēng)積砂充填材料特性相適應(yīng)的料漿制備、輸送系統(tǒng)及充填采煤工藝，工程實(shí)踐缺乏，此外，充填采煤效益關(guān)系到該技術(shù)的推廣應(yīng)用價(jià)值，從材料、系統(tǒng)、工藝入手提高充填開采生產(chǎn)能力、降低成本具有重要意義。

筆者及其團(tuán)隊(duì)歷經(jīng)3 a，研發(fā)出高流動(dòng)性風(fēng)積砂似膏體充填材料，建立了14.9大倍線自流輸送系統(tǒng)，采用雙制漿系統(tǒng)低能耗充填站模式，提出工作面充填空間整體密閉新方式，形成了較為完善的高效低成本風(fēng)積砂似膏體充填采煤技術(shù)，在榆陽煤礦2307綜采充填面進(jìn)行了成功試采，滿足保護(hù)上覆含水層要求，為促進(jìn)充填保水采煤技術(shù)在西北礦區(qū)應(yīng)用提供了參考和借鑒。

1 實(shí)驗(yàn)礦井及工作面概述

榆陽煤礦井田面積13.0 km2，地表為沙漠灘地及半固定沙丘地貌，地形起伏不大，如圖1所示。井田內(nèi)新生界風(fēng)積砂層平均厚約43 m，由上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組孔隙潛水和中更新統(tǒng)離石黃土孔隙裂隙潛水含水層所組成。礦井勘探期間抽水資料及鄰近礦井生產(chǎn)實(shí)踐表明：薩拉烏蘇組孔隙含水層由中粗粒砂構(gòu)成，含砂量較高，質(zhì)地較純，單位涌水量q=1.375～2.596 L/(s·m)，滲透系數(shù)k=14.234～27.463 m/d，屬中等—偏強(qiáng)含水層，是沙漠生態(tài)環(huán)境保護(hù)的重要屏障。該含水層之下，發(fā)育由第四系中更新統(tǒng)離石組黃土和新近系上新統(tǒng)保德組-靜樂組紅土共同構(gòu)成的隔水層?；鶐r含水層主要有基巖風(fēng)化帶含水層和煤系砂巖含水層，其中煤層上覆頂板砂巖、中砂巖含水層屬弱含水的砂巖裂隙含水層。在傳統(tǒng)高強(qiáng)度垮落法開采條件下，覆巖隔水層易遭到破壞，薩拉烏蘇組孔隙潛水發(fā)生漏失，工作面涌水量曾達(dá)到790 m3/h。

圖1 榆陽煤礦地表風(fēng)積砂風(fēng)貌

2307綜采充填實(shí)驗(yàn)面位于礦井西南部，北鄰2301連采工作面，南部為未采區(qū)，西為礦區(qū)邊界煤柱，東鄰南部回風(fēng)大巷。工作面走向長1 149 m，寬150 m(不含兩巷)，采厚平均3.5 m，傾角0.28°。煤層底板標(biāo)高+966～+971 m，地面標(biāo)高+1 160～+1 169 m，埋深190～198 m。地表有肖家伙場零星分布的民房。為監(jiān)測地表移動(dòng)變形情況，在開切眼上方設(shè)置走向觀測線1條，其中，控制點(diǎn)3個(gè)：A1,A2,A3，點(diǎn)間距50 m；觀測點(diǎn)29個(gè)：1～29號(hào)，點(diǎn)間距20 m，測線總長度690 m，如圖2所示，符合采動(dòng)影響觀測要求。從工作面開采起每月進(jìn)行一次觀測工作。

圖2 2307綜采充填工作面及地表移動(dòng)變形觀測點(diǎn)

2 風(fēng)積砂似膏體充填材料特性

2.1 充填材料組成

(1)風(fēng)積砂

在榆陽煤礦地表不同位置風(fēng)積砂層采集28個(gè)砂樣，通過顯微鏡觀察(圖3)[14]，主要礦物成分為石英、長石、云母等；X射線衍射儀分析得出化學(xué)成分為SiO2,Al2O3,CaO,Fe2O3和MgO等，主要成分SiO2和Al2O3分別占到65.75%和12.83%；篩分實(shí)驗(yàn)表明，風(fēng)積砂粒徑大部分集中于0.075～0.600 mm，平均0.249 mm，最大不超過1.0 mm，屬特細(xì)砂，不均勻系數(shù)Cu=2.49，曲率系數(shù)Cc=1.03；堆積密度1.503～1.543 g/cm3，孔隙率40.2%～42.5%；表觀密度2.571～2.599 g/cm3[13-14]。

圖3 風(fēng)積砂顯微鏡照片[14]

(2)膠結(jié)材料

堿激發(fā)膠結(jié)材料是近年發(fā)展起來的一種新型無機(jī)非金屬膠凝材料，以具有火山灰性質(zhì)或潛在水硬活性物料(如礦渣、粉煤灰等)為主料，加入堿性激發(fā)劑對(duì)其進(jìn)行活性激發(fā)產(chǎn)生水硬性膠結(jié)性能。該材料充分利用工業(yè)廢棄物，成本較低，而強(qiáng)度、抗酸堿性、抗碳化性等均優(yōu)于硅酸鹽水泥[16]。本充填材料選用以粉煤灰為主料，石灰、石膏、水泥為堿性激發(fā)劑的膠結(jié)材料。

粉煤灰采用錦界國華電廠的Ⅲ級(jí)粉煤灰，其主要成分為SiO2,Al2O3,Fe2O3,FeO,CaO,TiO2等，平均表觀密度2.179 g/cm3；生石灰采用鈣質(zhì)生石灰，參考建筑生石灰的標(biāo)準(zhǔn)(JC/T479—1992)；石膏參照建筑材料的要求應(yīng)達(dá)到GB9776—2008規(guī)定1.6級(jí)；水泥為32.5號(hào)普通硅酸鹽水泥。

(3)水

充填材料的制備可利用礦井水。

2.2 充填材料配比實(shí)驗(yàn)

充填料漿的流變參數(shù)(流動(dòng)度、黏度、屈服應(yīng)力)及充填體終凝時(shí)間、泌水率、強(qiáng)度是膠結(jié)充填材料的主要性能指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)采用2因素4水平正交實(shí)驗(yàn)法進(jìn)行了不同配比充填材料性能測試，質(zhì)量濃度66%，69%，72%，75%，水砂比1∶0.4，1∶0.7，1∶1，1∶1.3。料漿流動(dòng)度測量如圖4所示，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表1。

圖4 風(fēng)積砂似膏體流動(dòng)度測量

與當(dāng)前礦山膠結(jié)充填材料相比[17-19]，風(fēng)積砂似膏體充填材料整體呈現(xiàn)出流動(dòng)性強(qiáng)和強(qiáng)度較高的特征。從滿足性能指標(biāo)并盡可能多利用風(fēng)積砂的角度，最終選擇了水砂比1∶1.3，質(zhì)量濃度72%的方案。

3 大倍線自流輸送可行性分析及管路內(nèi)徑確定

3.1 料漿管路輸送局部阻力損失分析

榆陽煤礦充填站位于工業(yè)廣場，料漿輸送管路沿垂直鉆孔、充填管路通道、南回風(fēng)大巷和2307工作面回風(fēng)巷到達(dá)最遠(yuǎn)的開切眼位置，長度L=2 350 m，起點(diǎn)和終點(diǎn)高差H=158 m(圖5)，充填倍線N=L/H=14.9，已超過當(dāng)前礦山最大自流倍線11.76[20]。充填料漿輸送存在泵送和自流兩種，鑒于風(fēng)積砂似膏體漿體強(qiáng)流動(dòng)性優(yōu)勢(shì)，對(duì)自流輸送方式進(jìn)行可行性研究。

表1 充填材料配比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

Table 1 Experimental results of backfill material proportioning

編號(hào)濃度/%水砂比黏度/(Pa·s)屈服應(yīng)力/Pa初始流動(dòng)度/mm終凝時(shí)間/h泌水率/%不同齡期強(qiáng)度/MPa12h3d7d28d1661∶0.40.0340.832807.52.10.182.072.864.282691∶0.70.0962.312666.20.90.212.153.304.923721∶10.2564.852066.21.00.192.203.314.774751∶1.30.8488.781905.81.30.252.563.445.025661∶0.70.1022.292706.62.70.182.093.204.716691∶10.1102.432476.51.20.191.983.124.677721∶1.30.2615.042106.01.20.202.113.234.808751∶0.40.2294.182116.00.20.282.523.685.069661∶10.0871.762696.93.10.121.522.634.0510691∶1.30.1242.612406.31.50.181.923.024.5511721∶0.40.2174.022136.20.30.222.233.264.8812751∶0.70.2434.522086.00.50.242.413.534.9813661∶1.30.1021.992606.53.50.151.762.894.2314691∶0.40.2013.872206.40.60.202.173.014.5415721∶0.70.2384.372146.10.60.172.263.344.8716751∶10.2644.961936.10.80.212.323.484.90

圖5 2307工作面充填管路路線

根據(jù)流體管路輸送的伯努利方程，充填料漿自流輸送能量方程為

式中，ρ為料漿密度，kg/m3；g為重力加速度，9.81 m/s2；v為出口料漿流速，m/s；I為管路總阻力損失，Pa。

式(1)表明，若能夠?qū)崿F(xiàn)料漿自流輸送，管路起點(diǎn)和終點(diǎn)高差勢(shì)能應(yīng)克服其在管路輸送過程中的阻力損失，并使出口料漿滿足一定的流量要求?？梢?，確定輸送過程阻力損失大小對(duì)分析自流輸送可行性十分重要。

管路阻力損失包括直管段沿程阻力損失Is和以90°彎頭位置為主的局部阻力損失Ib兩部分。

(1)沿程阻力損失Is為直管段總長度Ls與單位長度沿程阻力損失is之積。is常用計(jì)算公式為

式中，τ0為料漿屈服應(yīng)力，Pa；D為管路內(nèi)徑，m；η為料漿黏度，Pa·s。

(2)由于料漿在管路彎頭段流動(dòng)規(guī)律復(fù)雜，所見文獻(xiàn)中管路局部損失被整體考慮，且按管路總沿程阻力損失的10%～20%計(jì)算[21-22]，即式(2)表示為

各礦山充填管路鋪設(shè)路線不同，彎頭數(shù)目不一致甚至差異較大，采用簡單估算將造成較大的誤差。彎頭作為管路的一部分，其內(nèi)徑、通過的料漿參數(shù)與直管相同，因此彎管段阻力損失亦采用單位長度為計(jì)算單位，并以單位長度沿程阻力損失is的倍數(shù)k表示單位長度局部阻力損失ib，即

將式(3)，(4)及直管長度Ls、彎管累計(jì)長度Lb代入式(2)，得到

式中，Lb=nπr/2，n為彎頭個(gè)數(shù)，r為彎頭曲率半徑，m。

相比式(3)，(5)局部阻力損失中包含了具體管路的彎頭參數(shù)及單位長度局部阻力損失與沿程阻力損失的倍數(shù)關(guān)系，通過測試得到k值的大小即可確定局部阻力損失。

3.2 現(xiàn)場自流輸送實(shí)驗(yàn)

理論分析、數(shù)值模擬和環(huán)管實(shí)驗(yàn)在充填料漿管路輸送規(guī)律研究中發(fā)揮了重要作用[23-25]，但由于料漿輸送過程的復(fù)雜性以及模擬相似比較大等問題，所得結(jié)果常與實(shí)際存在偏差。而利用礦井閑置管路按照與設(shè)計(jì)相近的倍線、長度在現(xiàn)場進(jìn)行料漿輸送實(shí)驗(yàn)，可為研究料漿輸送規(guī)律提供更準(zhǔn)確的實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

風(fēng)積砂似膏體現(xiàn)場自流輸送實(shí)驗(yàn)的目的是確定k值大小，為榆陽煤礦14.9大倍線自流輸送可行性分析及管徑選型提供依據(jù)。實(shí)驗(yàn)利用某礦場地進(jìn)行，地面設(shè)簡易制漿站，所用充填材料與實(shí)際充填完全一致。輸送管路利用閑置排水管，型號(hào)為φ133 mm×6無縫鋼管，內(nèi)徑121 mm，管路總長2 480 m，由145 m垂直管和2 335 m井下管組成，

倍線13.1，井下巷道存在較大的坡度，因此部分線路呈現(xiàn)一定的起伏。為了盡量少占用生產(chǎn)巷道且多設(shè)置彎頭，局部采用盤管方式，管路中彎頭(均為90°)共計(jì)22個(gè)。

多次實(shí)驗(yàn)可減小數(shù)據(jù)誤差。進(jìn)行全長管路輸送實(shí)驗(yàn)后，通過拆卸管路減小總長度改變相應(yīng)的自流倍線、彎管數(shù)量，再次進(jìn)行了2次料漿輸送實(shí)驗(yàn)。巷道內(nèi)盤管及實(shí)驗(yàn)排出的料漿如圖6所示。3次實(shí)驗(yàn)管路參數(shù)及流速見表2。

圖6 大倍線自流輸送實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場

表2 大倍線自流輸送實(shí)驗(yàn)結(jié)果

可以看出：

(1)風(fēng)積砂似膏體料漿實(shí)現(xiàn)了倍線8.5,10.5和13.1條件下自流輸送，流量隨倍線增加而減小，倍線13.1條件下流量可達(dá)到70.4 m3/h，可以預(yù)見，榆陽煤礦14.9倍線下自流輸送是可行的，流量要求可通過管徑調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)。

(2)將3次輸送實(shí)驗(yàn)相關(guān)數(shù)據(jù)代入式(5)，求得k1=4.38，k2=4.16，k2=4.24，平均值k=4.26，即單位長度彎管局部阻力損失為直管阻力損失的4.26倍。計(jì)算得3次輸送實(shí)驗(yàn)直管段、彎管段阻力損失見表3，彎管段阻力損失與直管段之比分別為4.8%,3.9%和3.6%，均未達(dá)到傳統(tǒng)估算法中的10%～20%，說明后者局部阻力損失及總阻力損失計(jì)算偏大，從而得出的出口料漿動(dòng)能即流速偏低，相同流量要求下將造成管徑設(shè)計(jì)偏大。

3.3 榆陽煤礦輸送管路內(nèi)徑確定

榆陽煤礦充填料漿輸送管路中彎頭個(gè)數(shù)n=5，曲率半徑r=1.5 m，彎管段累計(jì)長度Lb=n(πr)/2=12m，則直管段長度Ls=L-Lb=2 338 m。將管路參數(shù)、風(fēng)積砂似膏體料漿流變參數(shù)及k=4.26代入式(5)，得到幾組常用管路內(nèi)徑對(duì)應(yīng)的料漿流速及流量，見表4。根據(jù)單管路180 m3/h的流量設(shè)計(jì)要求，選擇了內(nèi)徑156 mm、壁厚10 mm的16Mn無縫鋼管管路。系統(tǒng)建成后測得管路出口實(shí)際流速2.66 m/s，流量184 m3/h，與設(shè)計(jì)誤差僅1.7%，滿足生產(chǎn)要求。而采用傳統(tǒng)估算法，整體局部阻力損失按沿程阻力損失最低10%考慮，通過式(3)得到流量180 m3/h條件下管路內(nèi)徑D=0.16 m，將其代入式(5)并結(jié)合榆陽煤礦實(shí)際流量和管徑關(guān)系，預(yù)計(jì)流量達(dá)到202 m3/h以上，誤差率達(dá)到12%。

表3 本方法與傳統(tǒng)估算法中管路局部阻力損失對(duì)比

Table 3 Comparison of local resistance loss in the pipeline between this method and the traditional

實(shí)驗(yàn)序號(hào)全管路沿程阻力損失/MPa彎管段阻力損失/MPa局部阻力損失與沿程阻力損失之比/%本文方法傳統(tǒng)估算法12.980.184.823.480.183.910～2032.380.113.6

表4 管徑與流速、流量對(duì)應(yīng)值

Table 4 Corresponding value of pipe diameter,flow velocity and flow

序號(hào)管路內(nèi)徑/m流速/(m·s-1)流量/(m3·s-1)10.0650.3431.620.1091.1988.830.1562.64181.040.1652.98203.4

管路輸送實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐表明，局部阻力損失考慮彎管段具體長度，并通過實(shí)驗(yàn)獲取單位長度局部阻力損失與沿程阻力損失的倍數(shù)關(guān)系，可較準(zhǔn)確的得到管路局部阻力損失大小，使得流量設(shè)計(jì)精度比傳統(tǒng)估算法提高10%以上。

4 雙制漿系統(tǒng)低能耗充填站模式

風(fēng)積砂似膏體充填料漿制備系統(tǒng)由初漿罐、輔料罐(儲(chǔ)裝激發(fā)劑)、水泥罐、成漿罐、風(fēng)積砂篩分輸送系統(tǒng)及粉煤灰?guī)旖M成。制漿過程為：向初漿罐注入定量水，啟動(dòng)攪拌電機(jī)，注入粉煤灰制成初漿；風(fēng)積砂原料采用偏心式同步水平篩(篩孔尺寸25 mm)除雜，成品砂通過帶式輸送機(jī)和電子膠帶秤完成輸送和計(jì)量；初漿、輔料、水泥和風(fēng)積砂按照設(shè)定比例輸送至成漿罐均勻攪拌。料漿制備過程物料定量輸送、液位監(jiān)測等均采用自動(dòng)化控制。

國內(nèi)外充填站制漿能力僅60～150 m3/h，且常采用單套系統(tǒng)運(yùn)行，成為制約充填開采生產(chǎn)能力的因素之一。鑒于此，本充填站采用兩套180 m3/h制漿系統(tǒng)集中布置同時(shí)作業(yè)，平面如圖7(a)所示，制備的漿液通過2條管路輸送至工作面，最大充填能力達(dá)到360 m3/h。雙制漿系統(tǒng)主要設(shè)備見表5。

表5 雙制漿系統(tǒng)主要設(shè)備

Table 5 Main equipments of double pulping systems

序號(hào)設(shè)備名稱規(guī)格型號(hào)數(shù)量備注1初漿罐100m38每系統(tǒng)4個(gè)2輔料罐80m32每系統(tǒng)1個(gè),儲(chǔ)裝生石灰和石膏混合料3水泥罐80m32每系統(tǒng)1個(gè)4成漿罐16m32每系統(tǒng)1個(gè)5風(fēng)積砂篩分輸送系統(tǒng)200t/h2每系統(tǒng)1套6粉煤灰?guī)?800m32每系統(tǒng)1個(gè)

圖7 榆陽煤礦充填站布置及實(shí)景

由于儲(chǔ)料罐高度較大，向上供水、打灰、輸料過程造成較大的能耗浪費(fèi)，增加運(yùn)行成本。因此，充填站設(shè)計(jì)采用地下設(shè)備池的方式，如圖5(b)所示：初漿罐、輔料罐、水泥罐置于地面以下10 m，罐體頂部與地面平行，實(shí)現(xiàn)水平打灰；風(fēng)積砂存儲(chǔ)、篩分、輸送系統(tǒng)由地面至下方10 m依次布置，篩分過程風(fēng)積砂自然向下輸送；成漿罐置于地面以下15 m、設(shè)備池中央，頂部與上述設(shè)備底部齊平，初漿及各類物料向其水平輸送，取得了明顯的降低能耗效果?，F(xiàn)場設(shè)備池中制漿設(shè)備如圖7(b)所示。

5 工作面充填空間整體密閉新方式

膠結(jié)充填采煤工作面采用短步距“采煤—充填—充填體凝固”循環(huán)工序向前推進(jìn)，每個(gè)循環(huán)采煤后如何高質(zhì)量、快速地構(gòu)建充填空間是提高充填效率的途徑之一。目前常采用在支架后方吊掛高強(qiáng)纖維布縫制的充填袋，向袋內(nèi)充入充填漿液的方式[5]，解決了在地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜的采空區(qū)構(gòu)建密閉空間的難題，但存在工人作業(yè)環(huán)境不安全，掛袋數(shù)量多，布料消耗量大等問題。

提出了充填空間整體密閉新方式：采煤后，將纖維布沿支架后方頂?shù)装迦娣e鋪設(shè)，在支架位置依靠其機(jī)械力將上下兩層纖維布擠緊，由此后方采空區(qū)形成密閉空間，如圖8所示。支架具備的相關(guān)結(jié)構(gòu)和功能如下：后部設(shè)操作間，采空區(qū)側(cè)為固定擋板和升降擋板，固定擋板與液壓支架底座為一體，升降擋板與固定擋板滑移連接，其頂端設(shè)置柔性墊。充填空間整體密閉的具體操作為：從工作面開切眼開始，在支架后方將纖維布沿頂板、開切眼煤壁和底板全長鋪設(shè)，纖維布的兩個(gè)余邊拉至支架操作間，然后升起升降擋板，將頂、底布夾持在升降擋板與頂梁之間，工作面兩端頭將纖維布縫合或密閉處理，即形成封閉的充填空間。風(fēng)積砂似膏體料漿通過管路充入后部空間直至充滿。充填體凝固期間，工人在支架操作間續(xù)接纖維布為下個(gè)循環(huán)做準(zhǔn)備。當(dāng)充填體凝固強(qiáng)度達(dá)到要求后，降下升降擋板，支架前移，將纖維布從充填體上脫下，進(jìn)行下個(gè)循環(huán)采煤充填作業(yè)。正在脫下纖維布的充填體如圖7(b)中的充填體所示。

圖8 工作面充填空間整體密閉示意

充填空間整體密閉新方式的優(yōu)勢(shì)：工人全程在支架操作間作業(yè)，安全性得到保障；利用支架機(jī)械力實(shí)現(xiàn)纖維布密封，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了作業(yè)效率；布料消耗量大幅度減少，以2307工作面為例，若采用袋式充填，袋尺寸按照10 m(長)×3 m(寬)×3.5 m(高)考慮，整個(gè)采空區(qū)需掛袋6 000個(gè)，布料總用量90萬m2；采用本方式布料消耗約36萬m2，減少54萬m2，僅為掛袋方式的40%。

6 風(fēng)積砂似膏體機(jī)械化充填采煤實(shí)踐

6.1 充填采煤系統(tǒng)運(yùn)行

2012年10月，榆陽煤礦風(fēng)積砂似膏體機(jī)械化充填采煤系統(tǒng)建成，11月底進(jìn)行了2307工作面充填開采工業(yè)性實(shí)驗(yàn)。截止2013年12月中旬，工作面共推進(jìn)310 m，采出煤量21.3萬t，共充填料漿約17萬m3，消耗風(fēng)積砂11.1萬t、粉煤灰8.3萬t、激發(fā)劑1.2萬t、礦井水8.5萬t。后因礦井關(guān)閉，充填開采未能繼續(xù)實(shí)施。

工業(yè)性實(shí)驗(yàn)前期，系統(tǒng)磨合度不足，工人對(duì)充填工藝操作尚不熟練，現(xiàn)場實(shí)施問題較多，生產(chǎn)效率較低，后期逐漸發(fā)揮了較高水平。

6.2 保水采煤效果

工作面共進(jìn)行了72個(gè)采煤充填循環(huán)。每個(gè)循環(huán)結(jié)束后沿工作面全長對(duì)充填接頂情況進(jìn)行察看和記錄。由于充填體泌水率低以及現(xiàn)場管理嚴(yán)格，統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，采空區(qū)平均充填率高達(dá)98.5%。

工作面共有綜采充填支架88架，每隔10架設(shè)置1個(gè)壓力測站。2012-12-11—2013-12-11的實(shí)測數(shù)據(jù)表明，工作面中部壓力相對(duì)較大，往機(jī)頭、機(jī)尾逐漸減小，但頂板壓力整體較小，隨工作面推進(jìn)變化趨勢(shì)較平緩，頂板沒有明顯的周期來壓。工作面中部47號(hào)支架工作阻力-時(shí)間(P-T)曲線如圖9所示。

圖9 工作面中部47號(hào)支架P-T曲線

圖10 地表下沉曲線與工作面相對(duì)位置

地表最終下沉曲線如圖10所示，最大下沉38 mm，位于22號(hào)測點(diǎn)，距開切眼水平距離196 m。地表建筑物未受影響。

基于上述實(shí)測數(shù)據(jù)，建立相似材料模型對(duì)2307工作面垮落法開采和風(fēng)積砂似膏體充填開采上覆巖層破壞程度進(jìn)行分析：垮落法開采“三帶”特征明顯，導(dǎo)水?dāng)嗔褞Ц叨?45 m，貫穿隔水層，薩拉烏蘇組潛水遭到破壞；充填開采頂板未發(fā)生垮落，僅在下位頂板產(chǎn)生少量離層，未對(duì)隔水層產(chǎn)生破壞，實(shí)測工作面頂板淋水量小于2 m3/d。表明風(fēng)積砂似膏體充填開采覆巖破壞輕微，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)水資源的效果。

6.3 生產(chǎn)效率和成本

據(jù)筆者調(diào)研統(tǒng)計(jì)，目前膠結(jié)充填采煤單工作面生產(chǎn)能力20萬～30萬 t/a，噸煤充填成本110～140元。相比之下，本技術(shù)通過采用大能力充填系統(tǒng)和工作面充填空間整體密閉方式，每2 d完成步距6.4 m的采煤充填循環(huán)，月推進(jìn)度88 m，生產(chǎn)能力達(dá)到60萬 t/a，提高近1倍；由于風(fēng)積砂就地取材，同時(shí)制漿工藝簡單、充填站能耗低、自流輸送、工作面密閉布料消耗量小等多項(xiàng)措施優(yōu)化，噸煤充填成本約81.5元(表6)，降低35%。

表6 風(fēng)積砂似膏體噸煤充填成本構(gòu)成

Table 6 Ton coal filling cost of aeolian sand paste-like 元

充填材料(含密封布)費(fèi)固定資產(chǎn)折舊費(fèi)充填系統(tǒng)運(yùn)行費(fèi)人工費(fèi)其他合計(jì)55.37.31.17.010.881.5

7 結(jié) 論

(1)風(fēng)積砂似膏體充填材料以風(fēng)積砂為骨料，以堿激發(fā)粉煤灰為膠結(jié)材料，具有料漿流動(dòng)性強(qiáng)和充填體強(qiáng)度較高等特征，實(shí)驗(yàn)確定了配比為水砂比1∶1.3，質(zhì)量濃度72%。

(2)提出料漿管路輸送局部阻力損失計(jì)算方法，通過現(xiàn)場自流輸送模擬實(shí)驗(yàn)，得出單位長度彎頭阻力損失為沿程阻力損失的4.26倍，選定了14.9大倍線自流輸送管路內(nèi)經(jīng)，使流量設(shè)計(jì)精度提高10%以上。

(3)充填站采用雙制漿系統(tǒng)低能耗布置模式，工作面充填空間采用整體密閉新方式，提高了充填效率，降低了成本。

(4)采空區(qū)充填率、工作面支架工作阻力、頂板淋水量、地表下沉監(jiān)測表明，風(fēng)積砂似膏體充填開采對(duì)覆巖破壞程度輕微，上覆含水層得到有效保護(hù)，且該技術(shù)生產(chǎn)效率和成本取得較大突破。

(5)鑒于風(fēng)積砂似膏體充填體良好的力學(xué)性能及巖層移動(dòng)控制效果，應(yīng)優(yōu)化充填材料配比、研究部分充填開采可行性以進(jìn)一步提高經(jīng)濟(jì)效益，推動(dòng)該技術(shù)在西北礦區(qū)保水采煤方面更廣闊的應(yīng)用前景。

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Technology and practice of mechanized backfill mining for water protection with aeolian sand paste-like

LIU Peng-liang1,2，ZHANG Hua-xing1,2，CUI Feng1,2，SUN Kai-hua1,2，SUN Wan-ming1,2

(1.MiningResearchBranch，ChinaCoalResearchInstitute，Beijing100013，China；2.CoalMiningandDesignDepartment,TiandiScienceandTechnologyCo.,Ltd.,Beijing100013,China)

In order to overcome the serious problem of Salawusu Formation Aquifer damage caused by caving mining in Yuyang Coal Mine,the technique of mechanized backfill mining with aeolian sand paste-like was developed.Aeolian sand was used as aggregate and alkali-activated fly ash was used as cementing agent in the backfill material.Water-sand ratio was 1∶1.3 and the mass concentration was 72%,while slurry initial fluidity could reach 210 mm.The authors proposed the local resistance loss calculation method of slurry pipeline transportation,and the field gravity transport test results showed that the resistance loss of unit length elbow was 4.26 times as big as the loss of resistance along path,thus the pipeline diameter with 14.9 lines of self flowing was determined,and the pipeline flow design precision was improved by more than 10%.The backfill capacity could reach 360 m3/h and the running energy consumption was lower because of adopting backfill station model with double pulping system and underground equipment pool.The authors also put forward whole backfill space sealing which cloth consumption was only 40% of bag backfill.Industrial test showed that the backfill mining technique meet the requirements of water resources protection,primarily because the backfill rate was 98.5% in goaf,strata behavior appeared slightly,roof water leaching was less than 2 m3/d,and surface subsidence value was only 38 mm.There were great breakthroughs in cost and production efficiency in this technology comparing with similar one.

backfill mining for water protection;aeolian sand paste-like;local resistance loss;field flow test;underground equipment pool;whole backfill space sealing

10.13225/j.cnki.jccs.2016.5044

2016-10-17

2016-11-20責(zé)任編輯:許書閣

國家科技重大專項(xiàng)資助項(xiàng)目(2016ZX05045-007-003);天地科技股份有限公司技術(shù)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目(KJ-2014-TDKC-15)

劉鵬亮(1980—)，男，河北元氏人，副研究員，博士研究生。Tel:010-84263136，E-mail:liupengliang@tdkcsj.com

TD823

A

0253-9993(2017)01-0118-09

劉鵬亮，張華興，崔鋒，等.風(fēng)積砂似膏體機(jī)械化充填保水采煤技術(shù)與實(shí)踐[J].煤炭學(xué)報(bào),2017,42(1):118-126.

Liu Pengliang，Zhang Huaxing，Cui Feng,et al.Technology and practice of mechanized backfill mining for water protection with aeolian sand paste-like[J].Journal of China Coal Society,2017,42(1):118-126.doi:10.13225/j.cnki.jccs.2016.5044