郭智勇

（山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048002）

山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司產(chǎn)量為90 萬(wàn)t/a，礦井目前開(kāi)采3 號(hào)煤。3 號(hào)煤和下組煤各自有獨(dú)立的生產(chǎn)系統(tǒng)，3 號(hào)煤采用斜井開(kāi)拓，設(shè)有主斜井、副斜井和回風(fēng)立井。目前3 號(hào)煤層主要采區(qū)為一采區(qū)和二采區(qū)，剩余設(shè)計(jì)可采儲(chǔ)量581.1 萬(wàn)t。就目前所采的3 號(hào)煤層而言，可采儲(chǔ)量無(wú)法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，根據(jù)上級(jí)文件精神，通過(guò)實(shí)現(xiàn)綠色開(kāi)采的采區(qū)可增加一個(gè)回采工作面。莒山煤礦積極響應(yīng)文件要求，開(kāi)始在下組煤9 號(hào)煤層設(shè)計(jì)充填開(kāi)采工作面，實(shí)行綠色開(kāi)采。為實(shí)現(xiàn)工作面有效充填，根據(jù)礦井實(shí)際生產(chǎn)條件，對(duì)充填材料配比進(jìn)行了初步研究，為后期充填材料的制備和應(yīng)用提供參考。

1 工作面開(kāi)采技術(shù)條件

山西蘭花集團(tuán)莒山煤礦有限公司下組煤首采的9201 工作面位于9#煤輔助水平（+700 m）九二盤區(qū)南翼，周圍無(wú)采空區(qū)及老空區(qū)。9201 工作面平均煤厚為1.50 m，層理一般，節(jié)理較發(fā)育，煤質(zhì)較硬，煤層傾向3°～8°，容重為1.50 t/m3；工作面直接頂為砂質(zhì)泥巖，平均厚度為3.2 m；直接底為泥巖，平均厚度4.7 m，灰黑色，致密，性脆，中部夾薄層細(xì)粒砂巖。9201 工作面采用走向長(zhǎng)壁采煤法，綜合機(jī)械化采煤工藝，全部充填法管理頂板，在工作面頂板完整的情況下，按照最大循環(huán)步距3.2 m（割煤4 刀）組織生產(chǎn)；頂板破碎時(shí)根據(jù)頂板完整性及壓力情況及時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，并補(bǔ)充專項(xiàng)措施。當(dāng)頂板完整時(shí)，膏體充填開(kāi)采施工工藝為：割煤→隔離→充填→凝固檢修；當(dāng)頂板破碎時(shí)，膏體充填開(kāi)采施工工藝為： 掛網(wǎng)→割煤（1 刀）→掛網(wǎng)（支護(hù)頂板）→割煤（1 刀）→掛網(wǎng)（支護(hù)頂板）→割煤（1 刀）→掛網(wǎng) （支護(hù)頂板）→割煤 （1 刀）→隔離→充填→凝固檢修。

2 充填材料分析

莒山煤礦回采工作面主要充填材料為矸石粉煤灰，材料來(lái)源如下：

骨料：采用煤矸石作為充填骨料，未經(jīng)加工的洗矸和原矸在生產(chǎn)上不能滿足要求，作為充填骨料時(shí)，需要通過(guò)破碎到最大粒徑15 mm 的粒級(jí)。

膠結(jié)料：采用普通水泥，主要從礦井附近的水泥廠采購(gòu)。

粉煤灰： 主要來(lái)源于蘭花集團(tuán)下屬礦井附近的電熱廠，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果，粉煤灰的主要化學(xué)組成如表1 所示。

表1 粉煤灰化學(xué)組成

3 充填材料強(qiáng)度及配比

3.1 材料強(qiáng)度

目前充填體強(qiáng)度計(jì)算方法都是基于條帶煤柱穩(wěn)定性理論，針對(duì)全采全充目前沒(méi)有相關(guān)計(jì)算方法，因此長(zhǎng)壁綜采充填體強(qiáng)度計(jì)算也基于條帶煤柱穩(wěn)定性理論。計(jì)算模型如圖1 所示[1-2]。

圖1 充填體受載計(jì)算模型

式中：Pp為煤柱平均應(yīng)力，MPa；γ 為煤柱上覆巖層平均容重，MN/m3；H 為平均采深，m；We為煤層采出條帶寬度，m；Wp為條帶煤柱寬度，根據(jù)實(shí)際煤柱留設(shè)情況，取80 m。

工作面充填開(kāi)采后，膏體受力狀態(tài)變?yōu)閱蜗驊?yīng)力狀態(tài)，充填體的強(qiáng)度可按照Bieniawski 公式計(jì)算[3-4]：

式中：W /h 為煤柱寬高比；當(dāng)W /h＞5 時(shí)n 取1.4，其他情況取1；σm為充填體28 d 的強(qiáng)度，取1 MPa。

莒山煤礦902 采區(qū)及9201 工作面煤層埋深平均200 m，采厚按照1.5 m 計(jì)算，工作面采寬200 m。按照式（2）可得出充填體強(qiáng)度與安全系數(shù)之間的關(guān)系。計(jì)算表明，充填開(kāi)采時(shí)充填體28 d的強(qiáng)度大于1 MPa 時(shí)，[σ]=65.54，即安全系數(shù)大于65.0，可滿足充填體長(zhǎng)期穩(wěn)定性要求。后期根據(jù)地表巖移觀測(cè)數(shù)據(jù)及莒山煤礦充填開(kāi)采條件，可適當(dāng)調(diào)整長(zhǎng)期強(qiáng)度至1～2 MPa。

3.2 材料配比

為研究工作面充填材料的強(qiáng)度，對(duì)矸石、粉煤灰、水泥等材料進(jìn)行試驗(yàn)研究，根據(jù)塌落度、泌水率、凝結(jié)時(shí)間和力學(xué)性能對(duì)配比進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化。根據(jù)前期大量試驗(yàn)結(jié)果總結(jié)，選取煤矸石、水泥和粉煤灰的三個(gè)組分摻加量，構(gòu)造九組正交試驗(yàn)[5-6]。測(cè)試漿液的塌落度、泌水率和凝結(jié)時(shí)間，并制成50 mm×50 mm×50 mm 的標(biāo)準(zhǔn)試塊，將試塊進(jìn)行護(hù)養(yǎng)處理，分別測(cè)定護(hù)養(yǎng)實(shí)踐為1 d、3 d、7 d、14 d、28 d 的試塊力學(xué)強(qiáng)度，所設(shè)計(jì)的試驗(yàn)方案及試驗(yàn)結(jié)果如表2、表3 所示。

表2 矸石漿配比方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表3 粉煤灰漿配比方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由于前后期打水需要用灰漿將水與煤矸石膏體隔離，針對(duì)莒山煤礦1 488 m 長(zhǎng)管路，根據(jù)充填管單位長(zhǎng)度的滿管容積，前后期都設(shè)定45 m3灰漿即可，能有效將管路中的水與矸石膏體完全隔離。

根據(jù)表2 可知，矸石漿配比膏體坍落度范圍260～280 mm，膏體不易離析且流動(dòng)性好適于管路長(zhǎng)距離輸送。具體選擇何種配方可根據(jù)最終強(qiáng)度需求進(jìn)行選擇。如果要求充填體最終強(qiáng)度達(dá)到3 MPa 以上，可選擇編號(hào)5 配方。根據(jù)表3 中粉煤灰漿配比方案及實(shí)驗(yàn)結(jié)果，膏體強(qiáng)度需要3 MPa及以上時(shí)，可選擇編號(hào)10～12 配方。

為保證膏體達(dá)到管輸及強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，推薦配比為：

水泥：200 kg/m3；

粉煤灰：960 kg/m3；

礦井水：460 kg/m3。

根據(jù)莒山煤礦矸石經(jīng)實(shí)驗(yàn)室破碎的各級(jí)粒徑比例，結(jié)合配比實(shí)驗(yàn)情況，推薦成品矸石使用級(jí)配范圍：

15～10 mm：5%～10%；

10～5 mm：10%～20%；

5～1.5 mm：15%～35%；

＜1.5 mm：35%～70%。

3.3 膏體快速凝固早強(qiáng)措施

（1）為達(dá)到快速凝固提高早期強(qiáng)度的目的，提高充填過(guò)程中的安全性，可在管路末端增加速凝裝置，進(jìn)行外加劑添加。外加劑的使用以井下生產(chǎn)需求產(chǎn)品性能為主，須在充填試采前進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

（2）膏體經(jīng)充填管路到達(dá)充填管路末端布料閥短接管出口噴泄而下，布料口短接管內(nèi)穿有一水平內(nèi)徑10 mm 噴桿，一端由布料口短接管內(nèi)壁穿出并焊接快速接頭，可與帶快速接頭和U 型卡的橡膠軟管相連，橡膠軟管通過(guò)一隔膜泵將速凝劑箱內(nèi)的速凝劑吸出，從而源源不斷輸送到工作面后隔離區(qū)噴灑，與疾馳而下的膏體快速混合飛濺滾動(dòng)流淌，使膏體瞬間變稠，從而達(dá)到消除跑漿和快速凝固的目的。

（3）速凝效果與用量有關(guān)。每方膏體加3 kg速凝劑可將膏體凝固時(shí)間從8 h 縮短為5 h，加15 kg 可將凝固時(shí)間縮短為2 h。設(shè)計(jì)每方膏體添加3～5 kg 速凝劑，可讓凝固時(shí)間縮短為4～5 h，待打水沖洗管路以及打風(fēng)環(huán)節(jié)結(jié)束，拆下布料閥和短接管，即可進(jìn)行下一循環(huán)作業(yè)，生產(chǎn)等待時(shí)間基本為零。當(dāng)膏體受粉煤灰性質(zhì)變化或季節(jié)變化發(fā)生緩凝時(shí)，可適當(dāng)提高速凝劑用量。

4 結(jié)語(yǔ)

初步分析了莒山煤礦有限公司下組煤首采的9201 工作面膏體充填材料的強(qiáng)度與配比，并提出相應(yīng)的膏體快速凝固早強(qiáng)措施。后期在實(shí)際充填開(kāi)采過(guò)程中，膏體強(qiáng)度及配比要根據(jù)實(shí)際開(kāi)采情況做適當(dāng)調(diào)整，根據(jù)產(chǎn)量設(shè)計(jì)合理的充填系統(tǒng)，并制定相應(yīng)的充填開(kāi)采安全技術(shù)措施，保證工作面安全綠色開(kāi)采。