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。
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。
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
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。
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%。
(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。
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。