粉煤灰基胶结材料袋式条带充填开采实验

陈维新， 付明超， 刘世明， 赵美芳， 关显华

(1.黑龙江科技大学 矿业研究院，哈尔滨 150022;2.山东省宁阳县煤炭工业管理局，山东 泰安 271400)

0 引言

随着煤炭的不断开采，煤炭资源枯竭问题日益显现，成为老煤炭工业矿区社会、经济可持续发展的瓶颈。矿区工业广场、铁路、城镇、水体下的保护煤柱，成为数量可观的优质煤炭资源。探索上覆岩层不被破坏、地表无明显扰动的充填开采技术，是能够回采这些滞留煤量，延长矿井服务年限，维持老煤炭矿区社会经济持续发展的重要技术保障[1]。目前，充填效果较为明显的有高水充填和膏体充填两种技术。高水充填材料质量水固比为2.5，分为甲料和乙料，制浆时分两套制浆设备分别制两种浆液，然后用双管路泵送至充填地点后混合成充填浆料，充填系统复杂。膏体材料中固体质量一般占材料总重的75%～88%，浆液流动性较差，在地面制浆后一般用压力泵送至充填地点，工艺较繁琐。为此，笔者提出采用粉煤灰基胶结材料，水固质量比为0.85～1.25，流动性较好，在地面制浆后采用单管路输送。该方法在桃山矿采空区进行现场实验。

1 粉煤灰基胶结材料

粉煤灰基胶结材料由黑龙江科技大学矿业研究院研发，其特点是粉煤灰占固体料的80%～89%，首先将粉煤灰与HJJ系列活化剂、水搅拌后陈放，充分激发粉煤灰的活性后，再加入硫铝酸盐水泥、石灰、石膏、KYY－ZH系列早强缓凝剂、KYY－S系列速凝剂，搅拌形成充填浆料。

在工业实验时，粉煤灰活化时间为2～8 h，活化环境温度不低于14℃。充填材料水固比取0.95～1.25，粉煤灰活化后的灰浆不凝固，与其他添加剂混合后，初凝时间为90～140 min，终凝与初凝时间差不超过30 min。材料的8 h单轴抗压强度不小于0.7 MPa，3 d单轴抗压强度不小于2 MPa，28 d单轴抗压强度不小于5 MPa。

2 工作面概况

桃山煤矿九采三井采用走向长壁后退式采煤法，爆破落煤。桃山矿九采区三井区域综合柱状图如图1所示。

图1 综合柱状图Fig.1 Integrated histogram

充填开采实验在桃山矿九采三井93#回采右四片工作面进行。工作面采空区内采用留设木柱的方式进行顶板控制，木柱只设不收。93#煤层平均厚度为1 m，结构较简单。工作面斜长28 m，倾角约11°，走向长680 m。

3 制浆输送工艺系统

充填制浆系统主要由两套搅拌设备组成，分别是粉煤灰活化搅拌设备和成浆搅拌设备。在现场应用中，活化搅拌装置容积是成浆搅拌装置的六倍，为保证制成浆的连续性，成浆搅拌装置最少设置两个。

充填前，依据配方通过计量设备计量后，将定量的粉煤灰、水、活化剂加入活化搅拌设备中，搅拌10～20 min，陈放2～8 h。为防止浆液沉底，陈放时间内每隔30～60 min搅拌5 min。

需要充填时，将定量灰浆通过转载泵输送至所有成浆搅拌设备中，在其中一个成浆搅拌设备中，边搅拌边依次将计量好的硫铝酸盐水泥、石灰、石膏、KYY－ZH系列早强缓凝剂、KYY－S系列速凝剂加入后，搅拌5～15 min，搅拌均匀后打开出料阀门，通过160 mm特种塑料管路泵送至井下充填袋。同时，在另一个制浆搅拌装置中重复上述工艺，待第一个搅拌装置泵送完成后，即可对第二个成浆搅拌装置里的成浆进行泵送。依次完成交替循环，实现半连续制浆[2]。制浆后用渣浆泵输送浆液，当浆料输送结束时，用压风将管道剩余浆液压出。制浆输送工艺系统如图2所示。

图2 充填工艺系统Fig.2 Pulping process and systems

4 采空区充填方案

4.1 充填袋及模板支设

充填袋的材质采用防水耐腐蚀的高分子材料加工制作，具有高强、抗静电及抗阻燃的性能。充填袋尺寸可根据煤层高度变化作适当调整。

根据桃山矿充填工作面长度、采煤进尺等因素，设计充填袋长 5.00 m、高 1.05 m、宽 2.00 m，充填袋设有吊挂固定处，连接管路处及排气口。模板采用聚乙烯塑料软板，长1 m、高1 m、厚2 cm，两个模板搭接距离不少于10 cm。采用松木支柱，两支柱距离为20 cm。要充填时，首先根据充填体长、宽支设木支柱，然后在木支柱内侧铺设塑料模板，最后将充填袋在模板内侧展开用细绳将充填袋吊挂起来，并将充填袋入料口和排气口置于模板外。充填工作面模板、支柱及固定充填袋照片见图3。

图3 模板和支柱及充填袋吊挂照片Fig.3 Photo of templates，pillars and filling bags fixed

4.2 充填方式

由于顶底板岩性良好，所以采用沿走向条带式部分充填，空区内的布置方式为带状间隔布置，充填条带宽5.0 m，与煤层倾向平行，充填条带带间隔2.0 m，充填率70%。考虑接续工作面巷道布置，设计采用沿空留巷方式，充填条带距运输巷边界的距离不超过3.0 m，实验充填体距运输巷边界为2.4 m。输送浆料管道在通风巷贴煤壁布置。走向条带充填在采空区内的布置方式如图4所示。

图4 走向条带充填在采空区内的布置Fig.4 Arrangement of strike band filling coal mining in mine area

4.3 充填工艺

充填制备站年工作300 d，即ta=300，采用“三八制”作业，两采一充，即一班充填、检修，两班采煤，昼夜完成一个充采循环，最大充填量为390 m3，年充填量为11.7万 m3，解放压煤23.4万 t。

5 袋式充填效果分析

5.1 现场充填效果

随机十个充填日检测井下充填袋入料口浆料。接取的料浆一部分在井下用维卡仪测定初凝时间t，一部分倒入7.07 mm×7.07 mm×7.07 mm三联试模，在井下养护后，采用WDS－50A压力机测定单轴抗压强度σc，结果见表1。材料的凝结和抗压性能达到预期目标，说明充填材料能够适应充填系统和充填工艺的要求。

表1 平均单轴抗压强度及凝结时间Table 1 Average uniaxial compressive strength and setting time

在随机的十个充填日内，充填体的接顶率均达到96%以上。剩余4%是由于充填袋在充填过程中打褶而未充满导致。现场充填前后如图5所示。

图5 充填前后对比Fig.5 Photograph of filling effect

5.2 充填区域顶底板移近量监测

在距开切眼6、30、90 m，布置三个测区，每个测区在工作面中间和两侧布置三个测点。采用ADL2.5测杆对顶底板一个月内的移近量进行观测，顶底板移近量最大为9.4 mm，最小为8.1 mm，平均移动量为8.6 mm，所有测区均在3 d的移近量增长最快，3 d后移近量增长逐渐减缓，21 d时测点顶底板移近速度趋近于0，120 d时测点顶底板移近量均无明显变化。这说明在充填体的作用下顶底板达到了相对稳定的状态[3－4]。

5.3 地表观测

在充填区域地表设立观测装置。从工作面推进开始进行连续观测，两年内测量八次，其地表最大下沉量为20 mm，符合规程要求，能够保障地面建筑物无破坏[5－6]。

6 结论

(1)粉煤灰基胶结充填材料形成充填体后，早期强度增长迅速，凝结时间既可以满足泵送要求，又能及时凝固自立，缩短了拆除充填体模板时间，能够很好地适应袋式条带充填的采充工艺要求。

(2)袋式条带充填属于部分充填，较全部充填具有充填消耗量少，制浆系统投资少等优势。

(3)袋式条带充填采煤法在“三下”采煤无须留设保护煤柱，资源采出率提高40%，地表减沉效果明显。该研究可以为今后“三下”采煤提供参考。

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