莒山煤礦充填開采工作面膏體材料初步研究

郭智勇

（山西蘭花集團莒山煤礦有限公司，山西 晉城 048002）

山西蘭花集團莒山煤礦有限公司產量為90 萬t/a，礦井目前開采3 號煤。3 號煤和下組煤各自有獨立的生產系統，3 號煤采用斜井開拓，設有主斜井、副斜井和回風立井。目前3 號煤層主要采區為一采區和二采區，剩余設計可采儲量581.1 萬t。就目前所采的3 號煤層而言，可采儲量無法達到設計要求，根據上級文件精神，通過實現綠色開采的采區可增加一個回采工作面。莒山煤礦積極響應文件要求，開始在下組煤9 號煤層設計充填開采工作面，實行綠色開采。為實現工作面有效充填，根據礦井實際生產條件，對充填材料配比進行了初步研究，為后期充填材料的制備和應用提供參考。

1 工作面開采技術條件

山西蘭花集團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）九二盤區南翼，周圍無采空區及老空區。9201 工作面平均煤厚為1.50 m，層理一般，節理較發育，煤質較硬，煤層傾向3°～8°，容重為1.50 t/m3；工作面直接頂為砂質泥巖，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，中部夾薄層細粒砂巖。9201 工作面采用走向長壁采煤法，綜合機械化采煤工藝，全部充填法管理頂板，在工作面頂板完整的情況下，按照最大循環步距3.2 m（割煤4 刀）組織生產；頂板破碎時根據頂板完整性及壓力情況及時加強支護，并補充專項措施。當頂板完整時，膏體充填開采施工工藝為：割煤→隔離→充填→凝固檢修；當頂板破碎時，膏體充填開采施工工藝為： 掛網→割煤（1 刀）→掛網（支護頂板）→割煤（1 刀）→掛網（支護頂板）→割煤（1 刀）→掛網 （支護頂板）→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，材料來源如下：

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

膠結料：采用普通水泥，主要從礦井附近的水泥廠采購。

粉煤灰： 主要來源于蘭花集團下屬礦井附近的電熱廠，根據檢測結果，粉煤灰的主要化學組成如表1 所示。

表1 粉煤灰化學組成

3 充填材料強度及配比

3.1 材料強度

目前充填體強度計算方法都是基于條帶煤柱穩定性理論，針對全采全充目前沒有相關計算方法，因此長壁綜采充填體強度計算也基于條帶煤柱穩定性理論。計算模型如圖1 所示[1-2]。

圖1 充填體受載計算模型

式中：Pp為煤柱平均應力，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，根據實際煤柱留設情況，取80 m。

工作面充填開采后，膏體受力狀態變為單向應力狀態，充填體的強度可按照Bieniawski 公式計算[3-4]：

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

莒山煤礦902 采區及9201 工作面煤層埋深平均200 m，采厚按照1.5 m 計算，工作面采寬200 m。按照式（2）可得出充填體強度與安全系數之間的關系。計算表明，充填開采時充填體28 d的強度大于1 MPa 時，[σ]=65.54，即安全系數大于65.0，可滿足充填體長期穩定性要求。后期根據地表巖移觀測數據及莒山煤礦充填開采條件，可適當調整長期強度至1～2 MPa。

3.2 材料配比

為研究工作面充填材料的強度，對矸石、粉煤灰、水泥等材料進行試驗研究，根據塌落度、泌水率、凝結時間和力學性能對配比進行動態優化。根據前期大量試驗結果總結，選取煤矸石、水泥和粉煤灰的三個組分摻加量，構造九組正交試驗[5-6]。測試漿液的塌落度、泌水率和凝結時間，并制成50 mm×50 mm×50 mm 的標準試塊，將試塊進行護養處理，分別測定護養實踐為1 d、3 d、7 d、14 d、28 d 的試塊力學強度，所設計的試驗方案及試驗結果如表2、表3 所示。

表2 矸石漿配比方案及實驗結果

表3 粉煤灰漿配比方案及實驗結果

由于前后期打水需要用灰漿將水與煤矸石膏體隔離，針對莒山煤礦1 488 m 長管路，根據充填管單位長度的滿管容積，前后期都設定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性好適于管路長距離輸送。具體選擇何種配方可根據最終強度需求進行選擇。如果要求充填體最終強度達到3 MPa 以上，可選擇編號5 配方。根據表3 中粉煤灰漿配比方案及實驗結果，膏體強度需要3 MPa及以上時，可選擇編號10～12 配方。

為保證膏體達到管輸及強度設計要求，推薦配比為：

水泥：200 kg/m3；

粉煤灰：960 kg/m3；

礦井水：460 kg/m3。

根據莒山煤礦矸石經實驗室破碎的各級粒徑比例，結合配比實驗情況，推薦成品矸石使用級配范圍：

15～10 mm：5%～10%；

10～5 mm：10%～20%；

5～1.5 mm：15%～35%；

＜1.5 mm：35%～70%。

3.3 膏體快速凝固早強措施

（1）為達到快速凝固提高早期強度的目的，提高充填過程中的安全性，可在管路末端增加速凝裝置，進行外加劑添加。外加劑的使用以井下生產需求產品性能為主，須在充填試采前進行實驗。

（2）膏體經充填管路到達充填管路末端布料閥短接管出口噴泄而下，布料口短接管內穿有一水平內徑10 mm 噴桿，一端由布料口短接管內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，橡膠軟管通過一隔膜泵將速凝劑箱內的速凝劑吸出，從而源源不斷輸送到工作面后隔離區噴灑，與疾馳而下的膏體快速混合飛濺滾動流淌，使膏體瞬間變稠，從而達到消除跑漿和快速凝固的目的。

（3）速凝效果與用量有關。每方膏體加3 kg速凝劑可將膏體凝固時間從8 h 縮短為5 h，加15 kg 可將凝固時間縮短為2 h。設計每方膏體添加3～5 kg 速凝劑，可讓凝固時間縮短為4～5 h，待打水沖洗管路以及打風環節結束，拆下布料閥和短接管，即可進行下一循環作業，生產等待時間基本為零。當膏體受粉煤灰性質變化或季節變化發生緩凝時，可適當提高速凝劑用量。

4 結語

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度與配比，并提出相應的膏體快速凝固早強措施。后期在實際充填開采過程中，膏體強度及配比要根據實際開采情況做適當調整，根據產量設計合理的充填系統，并制定相應的充填開采安全技術措施，保證工作面安全綠色開采。