粉煤灰基材料采空區(qū)充填方式及評價

陳維新 金珠鵬 關(guān)顯華 李濤 張博 程妍

摘 要：為開采“三下”壓煤，結(jié)合粉煤灰基膠結(jié)材料的使用方法和基本性能，提出粉煤灰基膠結(jié)材料采空區(qū)充填技術(shù)。該技術(shù)采空區(qū)充填方式主要包括袋式、擋板式。分析評價不同充填方式的具體種類的適用性、優(yōu)缺點(diǎn)，得出結(jié)論：袋式充填種類較多，適應(yīng)性較強(qiáng);擋板式充填適用于仰斜或短壁走向開采的采空區(qū);袋式充填一般會選用部分充填并沿空留巷的方式布置充填體;擋板式全部充填的空頂距取決于擋板高度以及煤層傾角。

關(guān)鍵詞：粉煤灰基膠結(jié)材料 采空區(qū) 袋式充填 擋板式充填 充填效果

中圖分類號：TD823.7? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-4914（2022）04-279-03

一、引言

隨著煤炭的不斷開采，煤炭資源枯竭問題日益顯現(xiàn)，成為老煤炭工業(yè)礦區(qū)社會、經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的瓶頸。礦區(qū)工業(yè)廣場、鐵路、城鎮(zhèn)、水體下的保護(hù)煤柱，成為數(shù)量可觀的優(yōu)質(zhì)煤炭資源。探索上覆巖層不被破壞、地表無明顯擾動的采空區(qū)充填技術(shù)，是能夠回采這些滯留煤量，延長礦井服務(wù)年限，維持老煤炭礦區(qū)社會經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展的重要技術(shù)保障[1]。目前，應(yīng)用較普遍的是膠結(jié)材料充填采空區(qū)技術(shù)，其將水、固體垃圾（廢棄物）、膠結(jié)劑混合后[2-9]充填采空區(qū)。所用固體垃圾一般為工礦廢料，如粉煤灰、礦渣等。

粉煤灰基膠結(jié)材料充填采空區(qū)技術(shù)依托于新型粉煤灰基膠結(jié)材料。該材料具有成本低，流動性好，早期強(qiáng)度高等特點(diǎn)[10]。在進(jìn)行粉煤灰基膠結(jié)材料充填開采時，運(yùn)用管路將漿料輸送至采空區(qū)的封閉空間，漿料凝固后形成充填體，防控上覆巖層離層垮落、地面沉陷[11]。采空區(qū)的封閉空間如何布置，即充填方式的選擇，關(guān)系到充填效率、充填效果、充填造價，如馮光明[12]對超高水材料采空區(qū)充填開采技術(shù)的充填方式的充填過程、優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件進(jìn)行了評價，得出了相關(guān)結(jié)論。因此，研究粉煤灰基膠結(jié)材料采空區(qū)充填方式，對粉煤灰基膠結(jié)材料“三下”壓煤充填開采具有重要指導(dǎo)意義。

二、粉煤灰基膠結(jié)材料采空區(qū)充填技術(shù)

粉煤灰基膠結(jié)材料的主要原材料為具備一定活性的礦區(qū)廢棄粉煤灰，充填前先與HJJ系列活化劑攪拌陳置4～24h，有效激發(fā)其活性后得到灰漿，粉煤灰活化后的灰漿不凝固?；覞{中加入水泥、石灰、石膏、KYY-ZH系列早強(qiáng)緩凝劑、KYY-S系列速凝劑攪拌后得到成漿[13]。

粉煤灰基膠結(jié)材料水固比為0.95～1.25，粉煤灰占固體料的80～90%。成漿的質(zhì)量濃度一般比對應(yīng)的灰漿高8%，而且灰漿與成漿的體積比為0.97。成漿初凝時間40～140min，終凝與初凝時間差不超過30min。材料養(yǎng)護(hù)齡期8h、1d、3d、28d單軸抗壓強(qiáng)度分別為0.7～1.0MPa，2.0～2.5MPa，3.0～4.0MPa，5～7MPa[11]。成漿硬化形成的固結(jié)體具有親水性，在水環(huán)境中重結(jié)晶性較好，穩(wěn)定性良好，體積應(yīng)變較小，因此，相比其他充填材料，在井下密閉、潮濕的環(huán)境中，粉煤灰基膠結(jié)充填材料具有一定的優(yōu)勢，是一種理想的井下充填材料。

基于粉煤灰基膠結(jié)材料的使用方法及基本性能，該采空區(qū)充填技術(shù)由制漿，輸漿，充填三部分工藝系統(tǒng)組成[13]，如圖1所示。制漿包括灰漿、成漿制備系統(tǒng)。輸漿由灰漿轉(zhuǎn)運(yùn)和成漿輸送兩個步驟組成。運(yùn)用成漿制備系統(tǒng)得到灰漿，然后用A渣漿泵經(jīng)管路，泵送到成漿制備系統(tǒng)，得到成漿。然后通過B渣漿泵經(jīng)管路，泵送至充填工作面。

采空區(qū)充填的主要工作是布置密閉空間，使?jié){料約束在密閉空間凝固后形成充填體，防控上覆巖層垮落、移動。密閉空間的布置，即充填方式，主要包括袋式、擋板式兩種。充填方式的選擇主要取決于煤層賦存及開采條件、充填造價、地面沉降要求。

三、采空區(qū)充填方式及評價

（一）袋式充填

1.袋式充填種類。袋式充填是將方形特制袋作為密封空間，袋的材質(zhì)一般為聚乙烯等柔性塑料。充填時，充填袋四周必須架設(shè)模板、支柱，以實(shí)行充填體接頂、避免潰袋。根據(jù)充填率，袋式充填可分為袋式部分充填、袋式全部充填兩類。

袋式全部充填是將采空區(qū)全部充滿。袋式部分充填，以單一長壁綜采工作面為例，如圖2所示，按布置方式可分為條帶式、柱式兩類。圖2中，L2=0，L1>0時為條帶式充填，充填袋沿工作面開采方向布置，充填后形成條帶。條帶間距L1需考慮頂板巖性、空頂距、充填后上覆巖層離層、破斷等情況，一般通過數(shù)值模擬或計(jì)算確定。柱式充填是將每個充填袋作為單獨(dú)充填體分布于采空區(qū)，每一個充填袋為一個“煤柱”，各充填袋在開采方向的間距L2>0，柱式充填一般會在沿空留巷側(cè)形成充填條帶，用于沿空留巷。此外，袋式充填的充填袋長邊一般與傾向平行，以便于支設(shè)支柱模板和充填體接頂，條帶式充填一般會在下巷沿采空區(qū)留巷，作為下一個采區(qū)的上巷。

2.袋式充填適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)分析。袋式充填原則上適用于一切開采條件。考慮支設(shè)支柱、模板難度，部分充填在實(shí)際中一般適用于煤層傾角在12°以內(nèi)，沿走向開采的采空區(qū)。全部袋式充填一般用于水平或近水平煤層的采空區(qū)。其中，柱式充填需用于頂板巖性極好、空頂距較大的煤層采空區(qū)。

袋式部分充填的優(yōu)點(diǎn)是材料用量、充填工作量較少、充填效果比較直觀，缺點(diǎn)是空頂面積大。袋式全部充填優(yōu)點(diǎn)是能最大限度的保證充填效果，即使個別發(fā)生潰袋，也基本不會影響充填整體效果。缺點(diǎn)是充填工作量繁多，勞動組織復(fù)雜，采充容易產(chǎn)生接續(xù)問題降低充采效率。

（二）擋板式充填

1.擋板式充填種類。擋板式充填封閉空間的封閉面大部分由煤（巖）壁、頂、底板組成，只有一面是人工支設(shè)的擋板。擋板根據(jù)現(xiàn)場情況選擇木質(zhì)或鐵質(zhì)（如建筑模板）。根據(jù)采煤方法可分為置換式、全部充填。

（1）置換式充填。置換式充填分為柱式、連采式置換兩種。柱式置換充填開采工藝，如圖3所示。必須先采A煤柱，然后用擋板（墻）與煤（巖）壁形成封閉空間，充填等體積量的充填漿料，完成部分充填。如全部充填，則待之前充填料漿硬化后，再開采B煤柱。連采式置換充填開采工藝，如圖4所示，待連采機(jī)采煤后，設(shè)置擋板進(jìn)行充填。充填工作面一般采用雙翼對拉開采，每兩個采場巷道同時回采，采場巷道開采分為五個開采階段，每個開采階段完成后要及時對采場巷道進(jìn)行充填。五個充填開采階段分別為A-A、G-G，B-B、H-H，C-C、I-I，D-D、J-J，E-E、K-K，然后是邊角煤充填開采階段，分別為F、M-M、N-N、O-O，其余邊角煤只開采不充填。

（2）全部充填。以單一傾斜長壁工作面實(shí)行采空區(qū)全部充填為例。需自開切眼到最小控頂距的3/5處開始支設(shè)擋板，而且擋板的高度，應(yīng)使充填后，空頂距L應(yīng)小于最大空頂距，如圖5所示。在擋板高度一定的情況下，煤層傾角越大，L值越大。充填管路入料口布置于模板最上方。如果工作面較長或采空區(qū)有部分落矸，可以沿工作面間隔布置入料管路，避免有漏充區(qū)，增加充實(shí)率。如果沿空留巷，留巷側(cè)擋板水壓較大，單體液壓支柱排列密集，工作量較大，很可能會超過留巷產(chǎn)生的效益，因此該種方法一般不會沿空留巷。如果煤層厚度較小，傾角較大，頂板較好控頂距較大也可不設(shè)擋板。

2.擋板式充填適用條件及優(yōu)缺點(diǎn)分析。柱式置換式充填一般與房柱式開采相結(jié)合進(jìn)行采空區(qū)充填，實(shí)現(xiàn)充采結(jié)合。巷式置換充填只適用于連采機(jī)采煤空區(qū)。由于俯斜開采或長壁走向開采擋板支設(shè)難度或工作量較大，所以，擋板式全部充填適用于仰斜開采或者短壁開采。

置換式充填的優(yōu)點(diǎn)是采充先后進(jìn)行，生產(chǎn)接續(xù)較易掌控。缺點(diǎn)是產(chǎn)煤量較低。全部充填方法的優(yōu)點(diǎn)是充填系統(tǒng)較簡單，充填材料快速膠結(jié)固化，與原煤層頂?shù)装逍纬赏暾暗刭|(zhì)體”，能最大程度地實(shí)現(xiàn)回采煤層上覆巖層無破斷、地表無明顯沉陷的充填開采。缺點(diǎn)是充填量較大，采充接續(xù)較困難。

四、結(jié)論

一是基于粉煤灰基膠結(jié)材料的采空區(qū)充填技術(shù)，考慮煤層賦存以及開采條件、充填造價、地表下沉量要求等提出了袋式、擋板式兩類主要的充填方式。袋式充填種類較多，適應(yīng)性較強(qiáng)，工藝較復(fù)雜;擋板式充填適用于仰斜或短壁走向開采的采空區(qū)，工藝較簡單。

二是袋式充填一般會選用部分充填的形式并采用沿空留巷的方式布置充填體。擋板式充填中的置換式充填可以是部分或全部充填方式。擋板式全部充填的空頂距取決于擋板高度以及煤層傾角。

[基金項(xiàng)目：黑龍江省自然科學(xué)基金聯(lián)合引導(dǎo)項(xiàng)目（LH2019E119）]

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（作者單位：1.黑龍江科技大學(xué)礦業(yè)工程學(xué)院 黑龍江哈爾濱 150022;2.中國礦業(yè)大學(xué)（北京）能源與礦業(yè)學(xué)院 北京 10083）

[第一作者簡介：陳維新（1984—），男，山西忻州人，漢族，講師，碩士，研究方向：破碎圍巖治理，充填開采。]

（責(zé)編：若佳）