莒山煤矿充填开采工作面膏体材料初步研究

郭智勇

（山西兰花集团莒山煤矿有限公司，山西 晋城 048002）

山西兰花集团莒山煤矿有限公司产量为90 万t/a，矿井目前开采3 号煤。3 号煤和下组煤各自有独立的生产系统，3 号煤采用斜井开拓，设有主斜井、副斜井和回风立井。目前3 号煤层主要采区为一采区和二采区，剩余设计可采储量581.1 万t。就目前所采的3 号煤层而言，可采储量无法达到设计要求，根据上级文件精神，通过实现绿色开采的采区可增加一个回采工作面。莒山煤矿积极响应文件要求，开始在下组煤9 号煤层设计充填开采工作面，实行绿色开采。为实现工作面有效充填，根据矿井实际生产条件，对充填材料配比进行了初步研究，为后期充填材料的制备和应用提供参考。

1 工作面开采技术条件

山西兰花集团莒山煤矿有限公司下组煤首采的9201 工作面位于9#煤辅助水平（+700 m）九二盘区南翼，周围无采空区及老空区。9201 工作面平均煤厚为1.50 m，层理一般，节理较发育，煤质较硬，煤层倾向3°～8°，容重为1.50 t/m3；工作面直接顶为砂质泥岩，平均厚度为3.2 m；直接底为泥岩，平均厚度4.7 m，灰黑色，致密，性脆，中部夹薄层细粒砂岩。9201 工作面采用走向长壁采煤法，综合机械化采煤工艺，全部充填法管理顶板，在工作面顶板完整的情况下，按照最大循环步距3.2 m（割煤4 刀）组织生产；顶板破碎时根据顶板完整性及压力情况及时加强支护，并补充专项措施。当顶板完整时，膏体充填开采施工工艺为：割煤→隔离→充填→凝固检修；当顶板破碎时，膏体充填开采施工工艺为： 挂网→割煤（1 刀）→挂网（支护顶板）→割煤（1 刀）→挂网（支护顶板）→割煤（1 刀）→挂网 （支护顶板）→割煤 （1 刀）→隔离→充填→凝固检修。

2 充填材料分析

莒山煤矿回采工作面主要充填材料为矸石粉煤灰，材料来源如下：

骨料：采用煤矸石作为充填骨料，未经加工的洗矸和原矸在生产上不能满足要求，作为充填骨料时，需要通过破碎到最大粒径15 mm 的粒级。

胶结料：采用普通水泥，主要从矿井附近的水泥厂采购。

粉煤灰： 主要来源于兰花集团下属矿井附近的电热厂，根据检测结果，粉煤灰的主要化学组成如表1 所示。

表1 粉煤灰化学组成

3 充填材料强度及配比

3.1 材料强度

目前充填体强度计算方法都是基于条带煤柱稳定性理论，针对全采全充目前没有相关计算方法，因此长壁综采充填体强度计算也基于条带煤柱稳定性理论。计算模型如图1 所示[1-2]。

图1 充填体受载计算模型

式中：Pp为煤柱平均应力，MPa；γ 为煤柱上覆岩层平均容重，MN/m3；H 为平均采深，m；We为煤层采出条带宽度，m；Wp为条带煤柱宽度，根据实际煤柱留设情况，取80 m。

工作面充填开采后，膏体受力状态变为单向应力状态，充填体的强度可按照Bieniawski 公式计算[3-4]：

式中：W /h 为煤柱宽高比；当W /h＞5 时n 取1.4，其他情况取1；σm为充填体28 d 的强度，取1 MPa。

莒山煤矿902 采区及9201 工作面煤层埋深平均200 m，采厚按照1.5 m 计算，工作面采宽200 m。按照式（2）可得出充填体强度与安全系数之间的关系。计算表明，充填开采时充填体28 d的强度大于1 MPa 时，[σ]=65.54，即安全系数大于65.0，可满足充填体长期稳定性要求。后期根据地表岩移观测数据及莒山煤矿充填开采条件，可适当调整长期强度至1～2 MPa。

3.2 材料配比

为研究工作面充填材料的强度，对矸石、粉煤灰、水泥等材料进行试验研究，根据塌落度、泌水率、凝结时间和力学性能对配比进行动态优化。根据前期大量试验结果总结，选取煤矸石、水泥和粉煤灰的三个组分掺加量，构造九组正交试验[5-6]。测试浆液的塌落度、泌水率和凝结时间，并制成50 mm×50 mm×50 mm 的标准试块，将试块进行护养处理，分别测定护养实践为1 d、3 d、7 d、14 d、28 d 的试块力学强度，所设计的试验方案及试验结果如表2、表3 所示。

表2 矸石浆配比方案及实验结果

表3 粉煤灰浆配比方案及实验结果

由于前后期打水需要用灰浆将水与煤矸石膏体隔离，针对莒山煤矿1 488 m 长管路，根据充填管单位长度的满管容积，前后期都设定45 m3灰浆即可，能有效将管路中的水与矸石膏体完全隔离。

根据表2 可知，矸石浆配比膏体坍落度范围260～280 mm，膏体不易离析且流动性好适于管路长距离输送。具体选择何种配方可根据最终强度需求进行选择。如果要求充填体最终强度达到3 MPa 以上，可选择编号5 配方。根据表3 中粉煤灰浆配比方案及实验结果，膏体强度需要3 MPa及以上时，可选择编号10～12 配方。

为保证膏体达到管输及强度设计要求，推荐配比为：

水泥：200 kg/m3；

粉煤灰：960 kg/m3；

矿井水：460 kg/m3。

根据莒山煤矿矸石经实验室破碎的各级粒径比例，结合配比实验情况，推荐成品矸石使用级配范围：

15～10 mm：5%～10%；

10～5 mm：10%～20%；

5～1.5 mm：15%～35%；

＜1.5 mm：35%～70%。

3.3 膏体快速凝固早强措施

（1）为达到快速凝固提高早期强度的目的，提高充填过程中的安全性，可在管路末端增加速凝装置，进行外加剂添加。外加剂的使用以井下生产需求产品性能为主，须在充填试采前进行实验。

（2）膏体经充填管路到达充填管路末端布料阀短接管出口喷泄而下，布料口短接管内穿有一水平内径10 mm 喷杆，一端由布料口短接管内壁穿出并焊接快速接头，可与带快速接头和U 型卡的橡胶软管相连，橡胶软管通过一隔膜泵将速凝剂箱内的速凝剂吸出，从而源源不断输送到工作面后隔离区喷洒，与疾驰而下的膏体快速混合飞溅滚动流淌，使膏体瞬间变稠，从而达到消除跑浆和快速凝固的目的。

（3）速凝效果与用量有关。每方膏体加3 kg速凝剂可将膏体凝固时间从8 h 缩短为5 h，加15 kg 可将凝固时间缩短为2 h。设计每方膏体添加3～5 kg 速凝剂，可让凝固时间缩短为4～5 h，待打水冲洗管路以及打风环节结束，拆下布料阀和短接管，即可进行下一循环作业，生产等待时间基本为零。当膏体受粉煤灰性质变化或季节变化发生缓凝时，可适当提高速凝剂用量。

4 结语

初步分析了莒山煤矿有限公司下组煤首采的9201 工作面膏体充填材料的强度与配比，并提出相应的膏体快速凝固早强措施。后期在实际充填开采过程中，膏体强度及配比要根据实际开采情况做适当调整，根据产量设计合理的充填系统，并制定相应的充填开采安全技术措施，保证工作面安全绿色开采。