“三廢”膠結(jié)材料在建筑物下的充填開采實(shí)驗(yàn)

李鳳義， 王顯瑞， 姚常亮

(1.黑龍江科技大學(xué) 礦業(yè)研究院，哈爾濱 150022;2.黑龍江科技大學(xué) 安全工程學(xué)院，哈爾濱 150022;3.通化礦業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司，吉林 白山 134300)

0 引言

據(jù)對(duì)國有重點(diǎn)煤礦的統(tǒng)計(jì)，我國“三下”[1](建筑物下、水體下、鐵路下)壓煤約137.9億t，其中僅建筑物下壓煤[2]為87.6億 t，若使用常規(guī)的垮落法開采會(huì)造成地表沉陷和地下水及含水層破壞，嚴(yán)重威脅地表建筑物和各種設(shè)施的安全。目前，我國煤礦采空區(qū)土地沉陷累計(jì)約達(dá)100萬公頃，每年新增采空區(qū)6萬公頃左右，煤矸石累計(jì)堆積45億t，占地1.3萬公頃，每年新增3億t左右。充填開采通過將采空區(qū)充實(shí)，減少上覆巖層下降量，保護(hù)地表建筑物，保障含水層不破壞，不僅實(shí)現(xiàn)了綠色開采[3]，同時(shí)提高了資源回收率。文中以“三廢”膠結(jié)充填材料為研究對(duì)象，結(jié)合八寶立井+321區(qū)N4煤層工作面地質(zhì)條件，分析充填材料的性質(zhì)與充填效果，以期為建筑物下壓煤的安全回收提供借鑒。

1 工程概況

1.1 地面條件

八寶煤業(yè)立井于1955年建井，1958年投產(chǎn)，設(shè)計(jì)生產(chǎn)能力45萬t/a，經(jīng)過52 a的開采，到2010年生產(chǎn)采區(qū)已全部結(jié)束。但該井工業(yè)廣場(chǎng)煤柱仍有地質(zhì)儲(chǔ)量388萬t，可采儲(chǔ)量為350萬 t。+321區(qū)N4煤層工作面上方地表建筑物為居民住宅房、洗煤廠、公路及鐵路等，對(duì)建筑物破壞等級(jí)要求較高。

1.2 工作面地質(zhì)條件

+321區(qū)N4煤層工作面上至+300石門，下起+150石門，平均傾角62°，煤層平均厚5.5 m，煤層走向長356 m，傾斜長165 m，該采區(qū)煤層賦存形態(tài)為單斜構(gòu)造。煤層頂板為中砂巖，直接底為泥質(zhì)巖，老底為粉砂巖。

1.3 采煤方法

建筑物下開采主要的技術(shù)目標(biāo)是減少或控制地表的移動(dòng)變形。充填開采是應(yīng)用外來材料充填采空區(qū)，達(dá)到控制巖層移動(dòng)及地表沉陷的綠色開采技術(shù)，具有提高煤炭回采率、處理廢棄物的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)八寶礦煤層的地質(zhì)賦存條件、建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、地面建筑物與開采煤層的位置、以及礦井開采的經(jīng)濟(jì)效益，采用小階段水力膠結(jié)充填采煤法，可以大大地減少地表沉降，減輕開采對(duì)地面建筑物的損害程度。

2 充填材料與工藝

2.1 材料構(gòu)成與膠凝機(jī)理

“三廢”膠結(jié)充填技術(shù)的核心是充填材料，充填原材料由煤矸石、粉煤灰、礦井水和膠結(jié)材料組成。煤矸石是采煤和洗煤的副產(chǎn)品，是無機(jī)物和少量有機(jī)物的混合物，煤矸石[4]的主要化學(xué)成分是SiO2、Al2O3，粉煤灰的主要成分是 SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等氧化物，其化學(xué)組成見表1。膠結(jié)材料[5]是以普通硅酸鹽水泥為基料，與石灰、石膏、早強(qiáng)劑、速凝劑等配比而成的復(fù)合材料。

表1 煤矸石與粉煤灰的化學(xué)組成Table 1 Chemical composition of coal gangue and fly ash

粉煤灰、膠結(jié)材料與礦井水混合后，生成大量的Ca(OH)2使充填漿液pH值升高，在堿性環(huán)境中能激發(fā)粉煤灰的活性;石膏使?jié){液中存在大量的SO42－，相互反應(yīng)生成硫鋁酸鈣 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O 即鈣礬石[6]，達(dá)到速凝、早強(qiáng)的效果;凝結(jié)的中、后期，隨著粉煤灰水化反應(yīng)不斷的進(jìn)行，生成硅酸鈣凝膠等膠凝物，因此材料具有強(qiáng)度持續(xù)增加的特點(diǎn)。

2.2 材料強(qiáng)度

對(duì)于充填開采，充填材料的強(qiáng)度直接影響圍巖及充填工作面的穩(wěn)定。煤礦膠結(jié)充填材料除了滿足低成本、來源廣及較小變形外，充填材料的強(qiáng)度對(duì)有效控制采空區(qū)頂板的沉降有重要影響。結(jié)合實(shí)際情況，文中考慮如下幾個(gè)影響因素:漿液的密度ρ、水泥用量c、養(yǎng)護(hù)齡期t等。

漿液密度選用1.44、1.46、1.48 g/cm3;粉煤灰選用通化礦業(yè)集團(tuán)矸石熱電廠的一級(jí)粉煤灰;水泥選用白山金剛水泥廠散裝42.5水泥;煤矸石選用八寶立井矸石山加工后的矸石。選用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的立方體模具，在0.33、3.00、7.00、28.00 d四個(gè)齡期用CTM9100萬能壓力機(jī)測(cè)定其單軸抗壓強(qiáng)度p，結(jié)果見表2。研究結(jié)果表明，充填漿液的密度、水泥的用量及養(yǎng)護(hù)齡期等因素對(duì)材料的強(qiáng)度有顯著的影響。

表2 充填試塊強(qiáng)度Table 2 Strength of filling block

2.2.1 漿液密度與充填體強(qiáng)度的關(guān)系

圖1為漿液密度與充填體強(qiáng)度關(guān)系曲線，其中強(qiáng)度為水泥用量為150 kg/m3時(shí)的平均強(qiáng)度。圖1表明，在水泥用量和養(yǎng)護(hù)齡期一定時(shí)，隨著充填漿液密度的增加，充填體的強(qiáng)度隨之增加，利用這一特性，材料配置時(shí)在保障充填體強(qiáng)度的前提下，適當(dāng)降低充填漿液的密度，可以增加漿液的流動(dòng)性同時(shí)降低充填成本。

圖1 漿液密度與充填體強(qiáng)度的關(guān)系Fig.1 Relationship between slurry density and strength of filling body

2.2.2 水泥用量與充填體強(qiáng)度的關(guān)系

圖2為漿液密度為1.46 g/cm3、養(yǎng)護(hù)齡期為3.00 d時(shí)水泥用量與充填體強(qiáng)度的關(guān)系。

圖2 水泥用量與充填體強(qiáng)度的關(guān)系Fig.2 Diagram of cement dosage and strength of filling body

圖2表明，漿液密度和養(yǎng)護(hù)齡期一定時(shí)，水泥用量對(duì)充填體的強(qiáng)度有很大影響，隨著水泥用量的增加，充填體強(qiáng)度隨之增大。根據(jù)這一特點(diǎn)，材料配置時(shí)可以根據(jù)充填工作面頂?shù)装骞芾淼男枨笤鰷p水泥的用量，從而在保障礦井安全的前提下降低充填成本。

2.2.3 養(yǎng)護(hù)齡期與充填體強(qiáng)度的關(guān)系

在漿液密度、水泥用量一定的條件下，養(yǎng)護(hù)齡期對(duì)充填體強(qiáng)度的影響見圖3所示，圖中強(qiáng)度為水泥用量150 kg/m3時(shí)的平均強(qiáng)度。圖3表明充填體的單軸抗壓強(qiáng)度受養(yǎng)護(hù)齡期影響顯著，抗壓強(qiáng)度隨養(yǎng)護(hù)齡期的延長而增加。

圖3 養(yǎng)護(hù)齡期與充填體強(qiáng)度的關(guān)系Fig.3 Diagram of curing age and strength of filling body

2.3 充填工藝

利用相關(guān)設(shè)備將矸石(粒徑≤5 mm)、水泥、粉煤灰分別運(yùn)輸、稱量、輸送至成漿罐，混合攪拌成漿后，沿充填鉆孔和井下充填管路自流輸送至充填工作面，充填工藝流程如圖4所示。

圖4 基本工藝流程Fig.4 Basic process

3 充填效果

通過建立地表和巖層移動(dòng)觀測(cè)站研究開采沉陷和建筑物的破壞規(guī)律。采空區(qū)充填后利用監(jiān)測(cè)設(shè)備從下至上分別對(duì)充填體內(nèi)部、充填體區(qū)域頂?shù)装逡平俊⒊涮顓^(qū)域上覆巖層以及地表下沉量進(jìn)行觀測(cè)。

3.1 充填體觀測(cè)

首先對(duì)充填體進(jìn)行觀測(cè)，發(fā)現(xiàn)充填體的邊緣地帶容易出現(xiàn)裂痕，而充填體核心地帶均勻、致密，在觀察過程中沒有裂隙和斷面出現(xiàn)，原因是邊緣地帶由于受到礦山壓力的重新分布，造成應(yīng)力集中，核心地帶受到頂?shù)装搴瓦吘壍貛У淖饔?，處于三向受力狀態(tài)，其承壓能力比較大。核心地帶是控制上覆巖層移動(dòng)的主要承載體，對(duì)充填體的充填效果、壓縮率起決定性作用，因此，充填體整體穩(wěn)定。充填體效果如圖5所示。

圖5 工作面充填體Fig.5 Filling body in working face

3.2 充填體區(qū)域頂?shù)装逡平坑^測(cè)

一般情況下，充填體區(qū)域頂?shù)装宓囊平繉?duì)充填體的充填效果有顯著地影響。在充填區(qū)域頂板內(nèi)每隔20 m設(shè)一個(gè)測(cè)點(diǎn)，充填后對(duì)頂?shù)装逡平窟M(jìn)行數(shù)據(jù)采集(圖6)。通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)可知，充填體區(qū)域頂?shù)装逡平縮為60～120 mm，最大下沉量為142 mm。

圖6 充填區(qū)頂?shù)装逡平孔兓疐ig.6 Displacement of roof and floor in filling area

3.3 充填區(qū)域上覆巖層觀測(cè)

使用YS(B)型礦用全方位鉆孔窺視儀觀測(cè)充填區(qū)域頂板的深度破壞情況，發(fā)現(xiàn)頂板僅出現(xiàn)垂直方向淺部的裂隙發(fā)育，未產(chǎn)生深部破壞，上覆巖層未產(chǎn)生傳統(tǒng)垮落法那樣的“三帶破壞”，結(jié)構(gòu)較完整。

3.4 地表下沉量監(jiān)測(cè)

在充填區(qū)域正上方地面設(shè)立觀測(cè)裝置，從工作面推進(jìn)開始進(jìn)行連續(xù)觀測(cè)，地表最大下沉量為16 mm，在預(yù)期控制范圍內(nèi)，符合規(guī)程要求，基本上保障地面建筑物無破壞。

4 結(jié)論

(1)“三廢”膠結(jié)充填材料的優(yōu)勢(shì)在于能消除地面粉煤灰、煤矸石堆積造成的環(huán)境污染與破壞，實(shí)現(xiàn)生態(tài)礦區(qū)、綠色礦山。

(2)充填材料的漿液密度、水泥用量及養(yǎng)護(hù)齡期等因素對(duì)充填體的單軸抗壓強(qiáng)度有顯著影響。在相同條件下，充填體單軸抗壓強(qiáng)度隨各因素的增大而增強(qiáng)。

(3)對(duì)地表和充填區(qū)域上覆巖層的觀測(cè)分析表明:“三廢”膠結(jié)充填開采不僅能提高八寶立井資源回收率，減少了煤炭損失，還能解決煤礦采空區(qū)地表建筑物沉陷和“三下”壓煤安全開采的問題。

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