某矿煤矸石胶结充填材料的配比与减沉效果研究*

宋选民，马秉红，王大威，李　发，吴　浩，张日祯，鲁志诚

（1.太原理工大学采矿工艺研究所，太原030024；2.大同焦煤矿有限集团公司，山西怀仁038300）



某矿煤矸石胶结充填材料的配比与减沉效果研究*

宋选民1，马秉红2，王大威1，李发2，吴浩1，张日祯2，鲁志诚2

（1.太原理工大学采矿工艺研究所，太原030024；2.大同焦煤矿有限集团公司，山西怀仁038300）

摘要：特厚煤层开采时，因采高大而留下的采空区空间较大，如此引起地表沉陷严重。为保护地面建（构）筑物的安全使用，充填开采可有效控制地表沉陷的影响程度。本文以大同某矿的煤矸石为基础，研制出满足充填要求并且经济的煤矸石类胶结充填材料配比，并模拟研究了不同配比充填材料的减沉效果差异，对该矿的充填开采减沉控制具有重要的实用价值。

关键词：开采沉陷；煤矸石；充填材料；配比；减沉控制

在煤矿区，大都建有高压供电线路及桁架铁塔等建（构）筑物，其作为基础设施满足了煤矿生产和矿区生活的日常使用需求。但输电线路及铁塔不可避免地要受采空区的地表沉陷影响，如地表移动量超过铁塔内部构件可以承受的临界值，将导致铁塔的塔体杆件发生变形甚至失稳破坏[1-2]，从而影响高压输电线路的正常运行及安全使用。

采用充填开采方法，可有效控制地表沉陷量[3]，减轻开采沉陷对供电线路及铁塔的安全影响程度。充填开采的主流是使用胶结材料，其优点是可泵送，充填速度快，充填效率高，初期强度较高，充填体终凝强度高。胶结充填材料大致可分为：砼充填材料、碎石充填材料、膏体充填材料、似膏体充填材料、高水充填材料等[4-5]。采用煤矸石类胶结材料进行充填开采是目前我国最普遍的一种充填工艺，煤矸石作为煤矿采矿所伴随的一种附属废料，其产量大、力学性能稳定，以矸石换取煤炭资源的高效回收，可实现矸石的安全利用与煤炭资源的绿色开采[6]。为此，对大同某矿的煤矸石，通过科学的充填配比研究，改进开采工艺技术，达到矸石不出井或少出矸，大幅度地简化充填系统，降低充填成本，使煤矿生产实现更大的经济利益和社会效益。

1　开采概况

大同某矿8503工作面长度150 m，走向长1 072 m，平均煤厚9.33 m。开采深度平均326.25 m。在该矿区范围上部有高压输电线路通过,其中333、334号铁塔大致位于该工作面顺槽附近的正上方。输电线路铁塔的基础是独立式基础，宽侧基础长为6 m，窄侧基础长为5.6 m。

2　矸石类胶结充填材料的配比试验

2.1试验材料制备

充填材料选用风积沙、煤矸石、建筑垃圾、水泥和减水剂，煤矸石来自大同某矿的采掘工程。其中粗骨料为该矿破碎后的矸石和建筑垃圾；细骨料为砂子，细度模数Mx=2.834；胶凝材料为大同水泥厂的Q425硅酸盐水泥，减水剂为聚羧酸。

煤矸石破碎后，按充填材料粒径要求进行筛分，使其满足配比试验要求。为使粗骨料具有孔隙率较小和较稳定的堆聚结构，根据混凝土材料中粗骨料级配，设计出如表1的粗骨料中各粒径的级配占比。

表1　充填材料中粗骨料的颗粒级配参数

2.2试验方案设计

地表线路铁塔安全运行的重要性很高，为此应提升充填体终凝强度以更好地保护输电铁塔线路。通过试验设计的配比，对设计配比材料的性能进行综合测定和比较。用3个影响充填材料料浆的主要因素进行比较，即充填料浆浓度A（料浆浓度以60%～85%为宜）；粗骨料和细骨料在充填料浆中的占比B；充填料浆中水泥的用量C。通过对这三个因素的控制，可进行科学有效的配比试验设计。

根据正交试验方法，取浆体浓度A1为62%；A2为72%；A3为82%。细、粗骨料重量比例B1为7.5 kg/1.5 kg；B2为6 kg/3 kg；B3为4.5 kg/4.5 kg。水泥用量C1为0.3 kg；C2为0.6 kg；C3为0.9 kg。在粗、细骨料的配比设计研究中，得到三因子三水平的条件试验，为快速获得能反映综合因素影响的配比试验结论,希望试验点尽量地少，因此选用正交试验方式安排配比试验方案。若不考虑影响因素的交互作用，可用正交表L934安排，根据3水平3因素正交试验的取点方法，用9个最具代表性的充填材料配比试验组，来替代27个试验组，如表2。

表2　充填材料配比的正交试验方案表

3　充填材料的流动性及力学性能试验研究

3.1充填材料的流动性试验

充填材料料浆的流动性（或称可泵性），是影响能否高效快速充填开采的重要性能之一，一般采用塌落度试验进行测试[5,7]。各组配比材料加入设计重量的水与减水剂后，搅拌均匀。对各试验组做塌落度试验，试验组1、3和6发生严重的离析现象（图1），主要是因充填材料的骨料和胶凝材料难以依靠自身的吸附力来保证水分围绕在其周围，拌合物的离析会大大影响泵送施工的可能性。而试验组9，因其塌落度＞150 mm，其拌合物浆体的流动性也不符合泵送的标准。

图1　试验组3的塌落度测试

3.2充填材料的强度试验测试

将设计的各试验组配比的充填材料料浆搅拌均匀并放入模具后，放在振动台上使其均匀入模，初凝8 h后脱模，置于温度20±2℃，相对湿度95%RH以上的环境中。分别监测各试验组在3d、7d和28d的单轴抗压强度[7-8]。这里，只对试验组2、4、5、7、8充填材料进行强度试验测试，如图2。单轴抗压强度的试验结果，如表3。

图2　试验充填材料的抗压强度测试

表3　各试验组单轴抗压强度试验结果

对采空区充填体，应有较短的初凝时间，以满足其在很快的时间内能自立成型，蔡嗣经教授的充填研究[4]，从理论角度证明了需求的充填体早期强度随着采高的增大而不断增加，如表4。

表4　充填材料的早期强度要求[4]

该矿采高9.33 m，由表4可确定充填体早期强度不得小于0.55 MPa。据此推断，试验组8未能满足充填体早期强度的要求。

此外，充填体强度也有理论上的要求，考虑充填体存在不确定性因素，根据金属矿山的经验[4]，取安全系数n=2.0，则充填体的强度满足公式

式中：σc为充填体理论强度，MPa；K为充填间距与充填体宽度的比值，且K=c/b，c是充填间距，m，b为充填体宽度，m；γ为覆岩密度，MN/m3；H为采深，m；h为充填体高度，m。

由此，提升充填比例虽可适当降低充填材料的强度，但稍高强度的充填材料采用条带式充填更能大幅度地降低充填成本，前提是须控制K的合理取值，即科学经济地设计充填宽度和充填间距参数。

4　不同充填材料减沉效果的数值模拟分析

4.1模拟模型建立和边界条件的确定

大同某矿8503工作面，顶底板岩性稳定，一般为砂岩或泥岩。应用FLAC-3D软件，将整体工作面开采范围划分单元86 760个，节点111 860个。构造模拟模型为长640 m，宽480 m，高326.25 m的长方体单元组结构，长度方向为沿工作面走向、宽度方向为沿工作面倾向、高度从地表算起，根据实际情况，在水平面方向施加约束，各个岩层之间受到自身的原岩应力和相互作用力，对各个岩层施加自重载荷并输入物理力学参数。假设数值模拟建立模型最下部岩层十分稳定，不存在水平位移和垂直位移，模型最上部岩层为自由边界。数值模拟模型，如图3。

图3　充填开采减沉的数值模拟模型

4.2各试验配比材料的充填减沉效果的对比分析

用FLAC-3D模拟时，分别在铁塔的四个独立基座处设置监测点，对未充填正常开采的地表沉陷情况进行模拟跟踪，得到如图5、6的地表沉陷模拟结果，数值模拟z方向最大垂直位移达到4 941.6 mm，然后分别模拟2、4、5、7试验组全充填开采的不同减沉效果。

图5　未充填与不同配比材料充填开采倾向沉降曲线

图6　未充填与不同配比材料充填开采走向沉降曲线

通过对比分析课题组研制出的4种不同配比充填材料的地表沉陷模拟成果，试验组2和试验组4充填材料可达到一定的充填减沉效果，但不如5、7配比的减沉效果好。试验组5和试验组7充填开采的控制减沉效果明显。全充填开采时，可使用试验组2和4的配比材料；条带充填开采时，因整体充填比例减小，可考虑使用试验组5和7的高强度充填配比材料，但应注意充填材料的成本控制要求。

针对铁塔基座周围监测点的位移监测，可得到4种配比材料充填开采以及正常开采的下沉量，如图5和图6。

地表开采沉陷引起高压输电铁塔的危险程度，一般有3方面的判定准则：1）根据高压输电铁塔基础的不均匀沉降判定，国标规定：底部基座间距6 m时，不均匀沉降值应控制在22 mm以内。如超过此值，将致使铁塔基础出现弯曲甚至扭转的现象，未充填和各种充填情况下铁塔下沉模拟结果，如表5、表6。2）根据高压输电铁塔的倾斜度控制参数判定，随地表不均匀沉陷的出现，将导致高压输电铁塔发生倾斜，国家规定“倾斜度不得超过允许范围的1%”。3）高压铁塔的基座间距允许变化量要求判定，为保证高压输电铁塔基座的稳定性，国家规定：基座间距离变化量不得超过基座间距的0.004倍。经模拟研究，可得基座在未充填和各种配比材料充填开采情况下铁塔安全性评价，如表7。

表5　333号铁塔的模拟沉降值　单位：mm

根据表6和表7，分析判定333号和334号铁塔的安全性。配比试验材料2和4，充填开采时，不能满足保护地表铁塔的减沉控制效果；配比材料5和7可满足保护铁塔的减沉控制效果，通过充填开采可实现高压输电铁塔安全运行的目标。

表6　334号铁塔模拟沉降值　单位：mm

表7　未充填和各充填开采铁塔安全性评价结果

5　结论

针对大同某矿8503工作面开采地表沉陷导致高压输电铁塔线路存在的安全隐患问题，本文制定了煤矸石胶结材料的充填开采方案，并对各试验配比材料的充填性能及控制减沉效果进行研究分析，有以下简要结论：

1）基于正交试验，研制出4种适宜泵送充填的煤矸石类胶结充填材料，即配比2、4、5、7的充填材料，且均能满足充填早期自立成型的最低强度0.55 MPa的要求。

2）塌落度试验测试表明，试验配比1、3、6、9材料的流动性较差，不符合泵送充填的料浆性能标准。

3）各配比充填材料的3、7和28d抗压强度试验表明，试验配比8的早期强度未能满足充填体的最低强度要求。

4）基于Flac-3D的数值模拟结果，分析比较各配比材料充填开采的减沉控

制效果的差异。配比材料2和4，充填开采后不满足地表供电线路铁塔的安全保护效果；配比材料5和7，充填后，可实现保护地面高压输电铁塔及线路安全运行的最终目标。

参考文献：

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[4]蔡嗣经.矿山充填力学基础(第2版)[M].北京：冶金工业出版社, 2009.10.

[5]邓初首,夏勇.混凝土坍落度影响因素的试验研究[J].混凝土,2006(01):65- 66, 89.

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[8]曹辉,张佳琳.煤矿采空区充填工艺及进展[J].中国煤炭,2009(03):57- 60.

（编辑：杨鹏）

Study on the Mixing Proportion of Coal Gangue Cemented Filling Materials and Subsidence Control Effect in a Mine

SONG Xuanmin1, MA Binghong2, WANG Dawei1，LI Fa2，WU Hao1, ZHANG Rizhen2, LU Zhicheng2
(1. Institute of Mining Technology，Taiyuan University of Technology，Taiyuan，030024; 2. Datong Coking Coal Group Ltd.，Huairen，038300, China)

Abstract:When mining of the thick coal seam, a large range of goaf will appears because of large mining height, so that the serious surface subsidence will come. For the protection of the surface buildings’safety, the fillingminingcan effectivelycontrol the surface subsidence. Based on coal gangue of a mine in Datongcity, the coal gangue cemented fillingmaterials that satisfies with the filling requirements and have better economy and reasonably ratio was made in the paper, the filling effect of different mixing proportion materials was simulated, and it has the important application value to filling mining and control subsidence in the coal mine.

Keywords:miningsubsidence；coal gangue; fillingmaterials；ratio；control subsidence

作者简介：宋选民（1963-），男，山西永济人，博士，教授，博士生导师，从事采矿工程科研教学工作。

基金项目：中国华能集团公司总部科技重点计划项目(HNKJ14- H30- 01)

收稿日期：2016- 01- 21

DOI:10.3969/j.cnki.issn1672-5050sxmt.2016.01.001

文章编号：1672- 5050（2016）01- 0001- 05

中图分类号：TD323

文献标志码：A