煤矿矸石粉煤灰充填技术探析_刘钧源.pdf

石材2 0 2 3 年2 期 113 石 材S H I C A I综合利用煤矿矸石粉煤灰充填技术探析刘钧源，丁晓杰，王文晶，锁 卫（南京科工煤炭科学技术研究有限公司，江苏 南京 2 10 0 18）引言如何合理、高效地利用建筑物下的煤层，成为了一个十分关键的问题。结合高阳镇房屋受损问题，选择煤矿矸石粉煤灰充填技术进行处理，并利用工作面后方采空区进行充填，可以有效地抑制地面塌陷，保护矿区的生态环境，防止地下水的破坏，增加煤矿的采出率，改善矿井的安全生产，从而达到不迁移采煤的目的，这无疑是一种新的技术发展趋势。1 煤矸石力学性能分析1.1 实验条件1.1.1 实验设备采用河北工程大学SA S-2000单轴压力试验机对矸石的物理性能进行了试验，它具有自动采集、汇总、计算和存储的能力，同时还可以实时监控和显示实验情况，计算所得的实验结果可以根据需要自动生成各种类型的实验报告（可以根据需要选取不同的参数曲线）；试验压力模为方形钢，四边角靠螺栓固定，为矸石样品提供足够的横向约束。1.1.2 试样制备本试验以某矿区煤矸石为研究对象，从矸石山顶部、中部、底部取样，根据矸石山的特性进行取样。按照“蛇形取样”的原则，将煤矸石分成二十个取样点，然后将煤矸石的样本进行混合，按照“四分”的方法进行浓缩。最后得到的煤矸石用不同等级的筛分，分级粒度为0m m 10m m、10m m 20m m、20m m30m m、30m m 40m m，并计算出不同粒度煤矸石的比重。1.2 试样方案与分析1.2.1 压实实验方案设计根据上述煤矸石分级情况，选择了六组不同粒度比例（每种粒度等级按11组成）的煤矸石样品，分别在0m m 20m m、0m m 30m m、040m m、20m m30m m、30m m 30m m、30m m 40m m、30m m 40m m、30m m 40m m、20m m 40m m 的煤矸石样品进行了一次全轴压缩试验。单轴最大抗压强度为9M Pa，加载率0.01m m/s，单次试验时，带压基本稳定，数据采集速度为1s。为了保证数据的准确、真实和有效，对每个样品的样品进行了三次试验，以防止数据的采集和无效。在试验中，对时间、轴向应力、轴向位移、轴向应变等进行了测量4。1.2.2 压实实验分析通过对煤矸石材料的单轴压缩试验，对不同煤矸石颗粒尺寸的压缩变形特征和规律进行了归纳和分析，为实际工程中充填体的变形规律和控制措施的应用奠定了基础。表 1 不同矸石粒径最大变形量汇总表矸石粒径0-200-300-4020-30 30-40 20-40最大变形量36.1531.3034.6140.9143.4038.78由表1分析可知：矸石的变形与受力之间存在着典型的非线性关系，随着受力强度的提升，形变量也会增加。当轴压为0M Pa 9M Pa 时，不同粒度的煤矸石样品的最大变形量保持在31.30m m 43.40m m，并且随着受力强度的增大，煤矸石的形变量也会出现变化。呈下降的趋势，这是因为煤矸石在不受压缩的情况下，通过煤矸石的再分布，通过煤粉的不断调整，使其变形速度趋于平稳。矸石的压缩变形分为三个阶段，即在0M Pa 4M Pa 的轴压快速变形期，在4M Pa 8 M Pa 的缓慢变形期和7 M Pa 以上的变形稳定期。试验结果显示，在快速形变阶段，样品的压缩变形速度最DOI:10.14030/ki.scaa.2023.0056 114 STONE 2 0 2 3 No.2综合利用大，从轴压超过4M Pa 起，应变率逐渐下降，从8 M Pa期起逐渐稳定，快速形变阶段的变形量可以达到60%70%，说明在充填时，应给予充填体一定的初始压力，以控制压实变形。压实验中，煤矸石样品的变形量为31.30m m，在快速形变阶段的变形量是23.12m m，是试验组中最小的一种，说明煤矸石颗粒尺寸对压缩变形具有最好的抵抗能力，可以作为实际生产中煤矸石颗粒大小的选取。因此，结合煤矿矸石粉煤灰充填材料性能，可以发现材料性能与实际承载力变化之间有直接关系。在这一视角下，结合工程的实际施工需求，可以对煤矿矸石粉煤灰充填材料的配比进行调整，并对煤矸石、粉煤灰、水泥、添加剂、水的配比进行优化，从而提高煤矿矸石粉煤灰充填技术的实际应用水平。2 煤矿矸石粉煤灰充填技术流程煤矿矸石粉煤灰充填技术在实际应用中，其操作要填充管线，按照破碎加工、材料混合搅拌、充填的方式进行填充，充填的过程是一个先将煤矸石破碎加工，然后把煤矸石、粉煤灰、水泥和水按一定比例混合、搅匀，用充填泵输送到井下充填采空区的过程。3 煤矿矸石粉煤灰充填技术应用分析全采全充填是指利用采空区的胶结固体废料填充整个采空区。采用全充填技术对覆盖层和地面变形的控制是最佳的，且具有较大的充填量。目前，我国在进行农村下充填采矿技术时，主要采取了矸石充填、膏体充填、高浓度充填三种充填技术。高浓度充填与糊状充填相比，尽管填充物的品质略差，但其高密度的浆液流动性好，更利于充填，因此，地面沉降的治理也是较为理想的。此外，由于高密度注浆的质量控制与输送更加容易，出现堵塞的机率极小，系统运行稳定可靠，设备投资也不高，故采用高密度胶结充填技术，其填充液的浓度为75%8 0%。3.1 充填采煤岩层移动规律以往采空区顶板多采用垮落开采方法，在开采过程中，煤层上部覆岩经常会产生周期性的断裂带，即周期性的来压，而在纵向上则呈现出三条明显的分带：崩落带、裂隙带和弯曲沉降带。但在充填回采过程中，由于顶板取代了原来的煤层，导致了顶板的运动规律发生了很大的变化。3.2 固体充填采煤岩层移动要素与控制分析3.2.1 充填体最终高度比最后的填充物高度是指在充填物再覆岩层作用下，其压缩变形与初始高度之比。对于固体充填，其最终高度比的大小直接影响到等效开采的高度，从而影响到覆盖层和地面的位移。目前，我国常用的固体填料如矸石、粉煤灰等，因物料之间存在着一定的间隙，且本身具有较大的孔隙度，因此，在采空区覆岩的持续作用下，其体积将不断减小。因此，充填材料本身的抗压强度直接影响到覆岩层和地面的运动变形，根据不同的填料粒径和配比进行优选，优选出最优的混合料。另外，在充填物进入采空区后，对其进行有效的初期压缩，使充填回采达到最大限度，也是十分必要的。在实际工程中，在充填式液压支架后面均安设置专用的打实装置，使充填材料在顶板上进行初期压缩，经过有效的打实，最后的最终压头高度比例可以达到8 0%2。3.2.2 充填前顶板下沉量回采后，其周围煤岩的受力状况会发生变化，在应力再分配的过程中，会产生局部的应力集中，尤其是在工作面前面会产生超前支撑。由于提前支承压力的影响，工作面前方的顶板与煤层必然会产生下陷，尽管采空区充填物可以有效地承担大部分的覆岩荷载，从而减小了超前支承的强度，但仍然会产生顶板沉降。针对这种塌陷，目前的回采技术已不能很好地控制这种沉降，只有采用液压支架的主动支承才能使充填前的下沉量达到最小。在常规矿井中，为了防止液压支架支承损坏，通常采用“让压”法，而在回采过程中，液压支架既要兼顾采空区，又要兼顾工作面和采空区，因此需要提高液压支架的有效支撑作用。根据工程实际和有关的研究，在充填和回采过程中，液压支架的顶梁的应力由低到高逐渐增大，这说明必须保证后端的支撑足够的支撑，从而有效地降低充填石材2 0 2 3 年2 期 115 石 材S H I C A I综合利用前的下沉量。与以前的四柱液压支架相比，新型六柱液压支架增加了两根柱子，将被动支座变成了主动支座，可以极大地提高后柱的承载力，有效地控制了顶板的预沉量。3.2.3 固体充填欠接顶量在充填过程中，由于受多种地质条件的影响，不管是哪一种物质，都具有一定的流动性，当充填物进入采空区后，很容易发生滑动，从而造成充填体与顶板之间出现-定的问隙，这种间隙的高度称为“充填不足”。为了保证最佳的充填效果，应逐步优化充填装置的工艺参数，提高充填工艺的适应性，提高充填工艺的管理水平，减少欠顶的数量。根据这一要求，在充填式采煤机的后部安装了专用的打桩装置，并使打桩板与顶板相接触，保证了充填体的接顶3。4 煤矿矸石粉煤灰充填技术的应用结果检验4.1 试验设备煤矿矸石粉煤灰充填过程中，考虑到其材料性能对煤矿矸石粉煤灰充填技术的实际应用会产生直接的影响。在对煤矿矸石粉煤灰充填材料的实际应用进行分析中，对煤矿矸石粉煤灰充填材料的性能试验设备以凝固时间测定仪、RM T-301岩石以及混凝土力学试验系统、ND J-1型旋转粘度计测定仪、塌落度筒等为主，通过对煤矿矸石粉煤灰充填材料的流动度、凝结时间、粘度以及抗压强度等进行统计与计算。4.2 试样制备本试验通过现场调研及资料收集，得到不同矿区所使用的粉煤灰-煤矸石充填材料配方进行矿矸石粉煤灰充填技术的应用结果检验。本实验以优选的6组粉煤灰-煤矸石充填材料配方为研究对象，对其流动度、粘度、初凝时间、抗压强度等决定充填技术应用效果的关键物理性能进行实验分析4.3 试验过程煤矿矸石粉煤灰充填材料的性能检验与分析中，流动度的实验包含漏斗、铁架台、透明塑料板等，具体过程如下：按照比例配制浆液，并将粉煤灰、煤矸石以及水泥、搅拌在一起，完成搅拌后，添加适量的水，获得充填料浆。煤矿矸石粉煤灰充填材料的凝结时间测定与分析中，则是利用净浆标准稠度以及凝结时间测定仪进行测定。具体过程如下：对煤矿矸石粉煤灰充填材料进行称重，并在按照比例配置浆液后，将其搅拌均匀。利用凝结时间测定仪按照30m i n/次的频率进行测试。粘度测定则是利用ND J-1型旋转粘度计进行测定，根据煤矿矸石粉煤灰充填材料浆液粘度范围，选择转子以及转速，抗压强度测试则需要参照混凝土物理力学性能试验方法（G B T 5008 12019）制作煤矿矸石粉煤灰充填材料标准试样，并根据标准要求进行养护及单轴抗压实验。4.4 试验结果分析在对煤矿矸石粉煤灰充填材料的整体性能进行研究与分析中，则需要从不同指标的角度，对煤矿矸石粉煤灰充填材料的实际应用展开讨论，选择7天的材料抗压强度进行分析，具体结果如表2所示：表 2 煤矿矸石粉煤灰充填材料性能分析 流动度（m m）粘度（m p a s）初凝时间（h）抗压强度（M Pa）K 12202558.52.062K 22402986.02.48 2K 32503345.51.965K 42403056.52.68 8K 526021412.51.495K 623028 67.03.325K 718 04324.53.563煤矿矸石粉煤灰充填材料的性能变化，在煤矿矸石粉煤灰充填技术的实际应用中，要结合项目实际需求，对煤矿矸石粉煤灰充填材料的配比进行优化，从而满足实际施工的综合水平。参 考 文 献1 冯武林.矸石粉煤灰充填开采控制地表沉降探讨J.煤矿现代 化,2 0 15（1）:10 6-10 7,10 9.2 赵志鹏.辛置煤矿充填开采可行性分析J.能源与节能,2 0 2 2 （4）:152-154.3 杨震.粉煤灰矸石胶结充填体的固化特性与底板稳定性分析 D .青岛理工大学,2 0 11.4 王宁.粉煤灰矸石煤矿充填料浆管道流阻测试的实验研究 D .青岛理工大学,2 0 11.