煤矿膏体充填材料配比试验研究

唐 海，赵海龙，黄靖龙，邹复初

(湖南科技大学 煤矿安全开采技术湖南省重点实验室，湖南湘潭 411201)

利用煤矿矸石为骨料，辅以胶结料制成膏体，充填采空区是目前解放“三下”呆滞煤炭和控制地表沉陷最为有效的方法之一，一方面膏体充填采空区置换“三下”煤炭，资源回收率可达90%以上，另一方面膏体作为地下结构支撑体控制地表沉陷，可使地表下沉系数达0.1以下，因此，膏体充填采矿是解决“三下”采煤问题的理想途径。在膏体研制方面已有较多研究成果:在膏体配比方面，通常是利用煤矸石、粉煤灰和水泥作为主要材料［1－6］，进行膏体研制;在膏体输送方面，常把膏体看成非牛顿流体，利用宾汉姆模型来研究膏体在输送管道中的阻力［7－8］。但目前煤矿充填采矿的成本相对偏高，为推广该项技术在煤矿试验与应用，关键是合理地研究充填料配制和输送［9］。

根据对膏体充填工艺及上覆岩层控制理论的分析，提出膏体需具有自稳能力和强度，还应具有良好的可泵性，以便提高充填率。对取自五亩冲煤矿的矸石，运用正交实验设计，在考虑膏体性能和控制采矿成本的基础上，开展了膏体材料配比试验研究。

1 工程概况

五亩冲煤矿经过多年开采，只剩下工业广场保安煤柱未采，该处煤层走向长约840 m，倾向长约620 m，标高为－160～－320 m，对应的地表标高为+130～+140 m。保安煤柱煤层赋存稳定，结构简单，煤层倾角12～18°，平均煤厚2 m，煤层直接顶板为块状泥岩，局部夹有粉砂岩，细砂岩，厚0.47～13.1 m，平均厚3.2 m，而直接底板为粘土岩，厚0～5.94 m，平均厚1.10 m，遇水膨胀，易底鼓，强度低。为使工业广场建筑物不受开采影响，五亩冲煤矿拟采用膏体充填开采保安煤柱。煤柱范围内工作面采用走向长壁采煤法，炮采工艺，采高为2 m，支护方式为单体液压支柱支护，工作面采煤每班推进度为0.8 m，充填步距为0.8 m，当班只充填，下班撤充填区域支护。

充填站拟建在矸石山附近，距工业广场1000 m，充填系统主要由材料运输系统、矸石破碎系统、膏体制作及输送系统等组成。为节约成本，要求充填材料以矿上的矸石为主。充填方式为采空区全部充填，充填范围为走向长820 m，倾向长600 m，充填高度为2 m，且充填率不少于90%。

2 膏体性能参数确定

膏体充填采煤就是将煤矸石、粉煤灰、水泥等充填材料制作成在管道中呈“活塞流”膏状浆体，通过泵压和重力作用，经管道输送至工作面对采空区进行充填，置换出煤炭。膏体凝固后，与顶板围岩一起作为地下结构支撑上部覆岩，控制地表下沉。从充填开采工艺流程中可得出，充填开采对膏体性能要求主要体现在三个方面［5］:一是膏体应具有良好的流动性、可塑性和稳定性，以便膏体稳定地输送到采空区，提高充填体接顶率;二是膏体应具有适当的早期和后期强度，在开采中和开采后充填体能对上覆岩层起稳定的支撑作用;三是膏体凝固后应具有较小的压缩率，以防顶板覆岩下沉过大。因此，需要从可泵性、强度及压缩率等膏体性能方面，研制膏体充填料配比。

2.1 膏体可泵性

借鉴前人研究成果［1－2，5，7－11］和实践经验，为保证膏体可泵性和凝固后具有合适的强度，膏体配比时，膏体质量浓度取79% ～85%，矸石级配取粒径5 mm以下的颗粒占35% ～40%(其中3 mm以下的不少于30%)、粒径5～25 mm的颗粒占60%～65%，颗粒粒径最大不超过输送管道直径的1/4。而塌落度是衡量膏体泵送可靠性的一项简单、直观的指标，塌落度高低可直接反映膏体流动状态和摩擦阻力大小，有研究表明［11］，塌落度＞20 cm，膏体泵送阻力较小，且阻力损失趋于某一值。

2.2 膏体强度

膏体充填采煤，为使充填体能发挥支护上覆岩层能力，工作面放顶安排在下一班进行，当充填区域的支护撤出，上覆岩层对直接顶压力会部分转移至充填体，因此，充填体除保持自稳外，还需对直接顶提供支撑，防止直接顶板破坏。在实际生产中，需要考虑充填区域支护撤后进行下一循环充填间隔时间、膏体在管道输送所需时间、水泥终凝时间，通常要求膏体充填6 h后就能发挥一定的支护作用。充填区域撤出支护后，膏体自稳可按托马斯(Thomas)模型表述，其强度计算公式如下［11］:

式中，σc为充填体自稳强度，MPa;γf为充填体容重，MN.m－3;hf为充填体高度，m;l为充填步距，m。

同时在撤出支护后，充填体支护载荷为直接顶一个分层的岩层重量，参照文献［11］，6 h龄期的膏体充填体早期强度为:

式中，a为实验室充填体试块与现场临界立方体试件单轴抗压强度的比值，取1.1～1.3;b为安全系数取1.5～2.0;γf、hf意义同式(1)。

充填体充满采空区，上覆岩层只出现裂隙带和弯曲下沉带，而控制地表沉陷的关键层不发生错动破坏，此时，充填体支护上覆岩层的重量为直接顶至关键层之间岩层的重量，充填体强度应大于上覆岩层所施加的载荷［6，11］。因此，要求充填体在直接顶初次来压前、老顶初次来压前具有一定的强度。由于五亩冲煤矿直接顶初次来压步距为10～12m，老顶初次来压步距为25～27m，当开切眼为3m，按每天推采1.6m计算，工作面初采4天后直接顶来压，13天后老顶来压，故要求膏体后期强度为:4 d龄期强度大于直接顶断裂所施加的荷载，13 d龄期强度大于直接顶与老顶同时断裂所施加的荷载。通常，直接顶断裂对充填体施加的载荷q为:

式中，h、γ分别为直接顶的厚度和体积重量，取13 m 和25 kN/m3，计算得 q=0.325 MPa.

当直接顶及老顶来压时，对充填体施加的荷载p为:

式中，k为安全系数取1.5～2.0;M为采高，m。

五亩冲充填开采时，取煤层采高为2 m、充填体充填率为90%、充填步距为0.8 m，代入(1)～(4)公式，可计算出不同容重的膏体强度。表1是部分不同容重的膏体所需强度。

表1 膏体强度

2.3 膏体压缩率

充填区域支护撤后，上覆岩层施加荷载于凝固后的膏体充填体上，引起充填体压缩，导致工作面顶底板移近量增加，影响地表沉陷控制效果。一般来说，压缩率越大，岩层稳定期越长，岩层活动范围和活动程度越大，越不利于岩层稳定性控制［12］。充填体压缩率与充填材料的颗粒级配、充填料浆的泌水率和充填体的体积模量等因素有关［11］。充填料粒度分布愈广，加上合适的级配，不仅流动性愈好，还可以减小充填体凝固后裂隙，从而降低充填体压缩率。另外，充填料良好级配，加上高质量浓度，使膏体具有较好的保水性能即泌水率较小，在外荷载作用下，充填体内部水受压渗出较小。提高充填体体积模量，也可减小压缩率，但需提高充填体强度，提高其强度会提高地表沉陷的控制效果，但其提高的幅度有限［4］，并且会增加膏体配制成本。从控制膏体成本、有利于上覆岩层稳定和控制其下沉量在地表建筑物■级损伤范围考虑，压缩率应控制在4%内较合适。

3 膏体配比试验设计

充填开采时，有研究表明［13］:充填前顶底移近量对岩层移动控制影响最大，充填欠接顶量次之，充填体压缩率再次之，顶板岩梁所受载荷影响最小，同时，现场测出了在埋深为1000 m，采高为8 m，充填体的抗压强度为1.5 MPa时，充分采动后，充填材料压缩率仅为1.5% 左右。因此，充填开采中，控制地表沉陷的关键是降低充填前顶底移近量和充填欠接顶量。充填前顶底移近量与工作面的顶底板岩性、采煤工艺和支护形式有关，控制顶底移近量，主要是及时加强工作面支护和及时充填;控制充填欠接顶量，主要是提高充填率［4］，尽可能减少充填欠接顶量，在某种程度上，就是提高膏体的可泵性，使高质量浓度的充填体能及时、可靠的充填采空区。因而，膏体配比试验，需要在合适的矸石颗粒级配条件下，通过添加细粉料(目的是填充充填体裂隙，降低充填体压缩率)、充填胶结料和水等充填料的配比来研制合适质量浓度的膏体，可见影响膏体性能因素是矸石、细粉料、胶结料、水之间的质量配比及矸石级配，习惯上用质量浓度来表示膏体加水多少。

3.1 试验方法选择

膏体配比受诸如矸石级配、细粉料、胶结料、质量浓度多种因素的影响，而每种因素有不同的比例范围，如煤矸石与胶结材料质量之比取5～8、细粒料与胶结料质量之比取1～4、质量浓度取79% ～85%，故全面考虑膏体配比非常复杂。针对这种复杂类型物体研制，有不少学者采用正交试验设计方案［14－15］，取得了较好的研究成果。正交试验特点就是设计部分有代表性的试验，并通过这部分试验的结果分析了解全面试验的情况，找出最优组合的配比试验。因此，可选择正交试验设计膏体配制。

根据五亩冲煤矿现场实际情况，充填料中的细粉粒为本地产的生石灰(除填充裂隙，还可作为粘合剂，代替水泥部分功效，节省成本)、胶结料为本地产的型号为P.O42.5普通硅酸盐水泥、矸石取自本矿矸石山破碎后的矸石。通过筛分试验分析，经破碎机破碎后的矸石级配为:粒径－5 mm的颗粒为41%、粒径5～8 mm的颗粒为11%、粒径 8～12 mm的颗粒为 26%、粒径＞12 mm的颗粒为 22%，最大颗粒粒径小于20 mm，符合配制膏体的矸石级配要求。

本次正交试验设计煤矸石与水泥的比值取4个水平，生石灰与水泥比值取4个水平，质量浓度取4个水平，共做16次试验。

3.2 试验结果及分析

将矸石、生石灰、水泥、水按给定的质量比放入搅拌机搅拌至膏体状，后置于直径为50 mm，高为100mm的圆柱试模中，放入恒温恒湿养护箱养护，养护条件:温度25℃左右，湿度不低于90%。试验测定了膏体塌落度、膏体容重、各龄期的单轴抗压强度及13 d龄期试样的压缩率，试验结果如表2所示。在试验中，先测膏体塌落度、其次测容重、后试件脱模进行强度、压缩率测定，当发现膏体性能指标达不到要求时，该配比的膏体后续试验取消不再进行。

表2 膏体性能试验结果

从表2中可知，试验号为3～5、7～10、13～15的塌落度均小于20cm，不符合膏体塌落度＞20 cm的要求，不利于膏体的输送。16号试验在6 h、1 d龄期脱模，试样破碎，表明膏体早期强度为0，不满足充填体强度要求。结合表1可知，试验号为1～2、6、12的塌落度均大于20 cm，但龄期6 h的早期强度均小于0.19MPa，不符合早期强度要求。对照膏体塌落度、压缩率和各龄期强度的要求，只有11号试验方案满足充填开采各项技术指标要求。

3.3 膏体环管试验

取水泥、生石灰、矸石比例为1∶3∶7，质量浓度为79%的膏体，运用环管试验来模拟充填开采时充填料在矿井管道中的输送，研究该配比膏体可泵性及其在管道中运行的沿程阻力。

试验主要仪器为1台HBT90/21－200S型活塞式充填工业泵、5个PTB703平面压力变送器、1台3 m3的搅拌机及内径为125 mm的环管。管道采用管卡联接，中间一段通过架子悬空布置，长度共24 m，高度约5 m，其余水平布置，管口加固。试验系统管路总长约150 m。测压点间的位置及距离如图1所示:将200 kg水泥、600 kg生石灰、1400 kg煤矸石均匀混合后，通过皮带机进入搅拌机、同时在搅拌机中连续均匀注入585 kg水，搅拌3～5 min钟后开始泵送，料浆充满整个环管管道后，返回搅拌机再至充填泵形成循环，料浆输送稳定后测定管道压力损失，测压结果见表3所示。

图1 环管试验示意图

表3 管道压力测试结果

从表3可知:第1次起动泵后，膏体在1#至5#点之间管道输送压力损失为0.414 MPa;停泵15 min后起动泵，1#至5#点之间管道压力损失为0.42 MPa;30 min后起动泵，1#至5#点之间管道压力损失为0.44 MPa。试验结果表明膏体在150 m环管，管径125 mm，通过弯头、上下、直管正常泵送时，压力平稳，平均压力损失为0.43 MPa，压力损失相近，由此可看出，本试验中，水泥、生石灰、矸石比例为1∶3∶7配制质量浓度为79%的膏体，能平稳地泵送，可泵性好。

五亩冲煤矿充填开采，地表至充填开采工作面垂直高度为300～450 m，管道输送最长不超过2000 m，通过环管试验可知，泵送时100 m压力损失≤0.5 MPa，按100 m压力损失0.5 MPa计算，2000 m需压力为10.00 MPa。长沙飞翼股份有限公司的HGBS100.15充填工业泵，最大输送压力15 MPa，按照连续运行压力10～12 MPa，加上垂压7～10 MPa，能够满足该矿实际充填技术要求。

4 结论

1)膏体可泵性不仅与充填料颗粒级配有关，还与膏体本身质量浓度有关。在考虑膏体研制时，膏体质量浓度合适范围为79% ～85%，矸石中粒径 －5 mm的颗粒占 35% ～40%(其中－3 mm粒径不少于30%)、粒径5～25 mm的颗粒占60%～65%，颗粒粒径最大不超过输送管道直径的1/4，为较优矸石级配。膏体可泵性的好坏可用塌落度大小来表示，当塌落度＞20 cm时，膏体输送阻力较小，可泵性好。

2)膏体自稳的强度按托马斯模型表述，早期强度为支护直接顶一个分层荷载的强度，后期强度分为直接顶初始来压强度和老顶初始来压强度，其强度值等于上覆岩层所施加的载荷。

3)影响膏体性能因素是矸石、细粉料、胶结料之间的质量配比及矸石级配、质量浓度。在给定的矸石级配下，运用正交试验设计了膏体配比试验方案，得到了膏体质量浓度为79%，水泥、生石灰、矸石比例为1∶3∶7时，其强度、塌落度、压缩率均符合五亩冲煤矿充填开采膏体技术要求。

4)该方案配制的膏体可平稳泵送。同时，通过环管试验得到了管道压力损失，为选择充填工业泵提供了依据。

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