架間底板拖管充填采空區漿液流動特性試驗研究

成云海，王旭東，申 昊，黃國栩

(1.山東科技大學 采礦工程研究院，山東 泰安 271001；2.山東科技大學 煤礦充填開采國家工程實驗室，山東 泰安 271000)

煤炭資源是我國最重要的基礎能源之一，在一次能源消費總量中占比接近60%[1-3]。但是，隨著煤炭資源開采量的不斷增加，煤矸石等固體廢棄物也隨之增加，傳統的矸石處理方式就是將其置于地表，嚴重違背礦山綠色發展理念[4-6]。本文根據李家壕礦井地質條件和開采情況，分析其頂板破碎規律：煤層開采后引起直接頂的垮落，而直接頂巖石破碎后，雜亂堆積。由于巖層破碎后體積將產生膨脹，因此，堆積的高度要大于直接頂巖層原來的厚度，從而使得巖塊冐落在采空區形成大量的裂隙[7-9]。其中，開度較大的裂隙形成空腔，能夠消耗大量的矸石；開度較小的形成空隙，空腔之間有的通過空隙連通，有的呈現孤立狀態。

采空區充填作業具有一定隱蔽性，通常無法直觀地觀測和掌握漿液在采空區的流動特征，導致現場工程施工及設計材料配比等存在很大的盲目性[10-14]。而物理模型試驗作為一門新型的技術科學，通過試驗研究和改善被模擬物體現象的布置和構造，把原型轉化為恰當的尺寸和形態，忽略次要因素，抓其主要因素，使一些難以實現和觀察的試驗研究成為可能[15，16]。本研究將模擬試驗引入架間底板托管充填技術領域，通過對架間底板拖管充填非膠結膏體采空區進行物理模擬和工程驗證，更加直觀地分析和研究采空區漿液流動特征。

1 采空區架間底板拖管充填技術構思

1.1 采空區架間底板拖管充填可行性分析

基于采空區矸石冐落特征和上覆巖層運動規律，在煤層開采過程中，可利用工作面后方采空區上覆巖層未大范圍垮落或未完全壓實的時間差，向巖塊碎脹區高壓注入以矸石為主的非膠結膏體。充填泵將充填漿料壓入冒落巖塊間的空腔中，高壓泵送漿液使采空區空腔趨于飽和，最終在不改造綜采支架和不影響工作面正常采煤的前提下，實現煤矸石高效、規?；幚砗屠?。其原理如圖1所示。

圖1 架間底板拖管充填原理Fig.1 Filling principle of floor towing pipe between supports

1.2 采空區架間底板拖管充填工藝

首先，在地面建立矸石倉和泵送站，通過破碎、研磨等手段將矸石加工成一定粒度的矸石顆粒，與水和粉煤灰按照特定的比例拌制成一定濃度的非膠結膏體；然后，通過工業充填泵將充填漿液沿地面管道、下料鉆孔、運輸巷主管路泵送至采煤工作面，在液壓支架人行道側布置工作面充填主管路，支架架間均勻鋪設一定長度的拖管，拖管前端與充填主管路通過三通閥連接，同時拖管前端焊接掛環并通過鏈條固定在支架上，隨采煤作業同步推進?？紤]到充填漿料脫水導致工作面溢水，從而影響工作面采煤環境，將工作面全部拖管間隔一定距離分成3～5組拖管(進行循環交替式充填作業)，當距離工作面后方一定距離檢測到溢水時，調整三通閥，進行下一組拖管充填，直至完成整個工作面的開采與充填。充填工藝如圖2所示。

圖2 架間底板拖管充填工藝Fig.2 Towing pipe filling process of the floor between supports

2 試驗方案

試驗目的是：探究非膠結膏體充填采空區在冐落巖塊間裂隙的流動特征，得到管道壓力、充填量與漿液濃度、矸石粒徑等充填材料參數之間的關系。試驗主要材料為煤矸石(毫米級)、粉煤灰和水。試驗主要設備包括：壓力變送器、電磁流量計、遠傳模塊、筆記本電腦、攪拌機、試驗泵、直通球閥等。試驗模型如圖3所示

圖3 試驗模型Fig.3 Test model

試驗流程如下：

1)采用木板拼裝尺寸為1 m×1 m×1 m的試驗箱體，將特定級配的矸石裝入試驗箱體，同時預埋充填管(?32 mm×3 mm無縫鋼管)，箱體外連接電磁流量計和壓力計組成充填管路系統。

2)按照設計配比拌制非膠結膏體并倒入儲漿池。

3)開始充填。打開試驗泵，觀察并記錄漿液流動情況。

4)停止充填。當儲漿池里的漿液全部充填完畢或達到試驗泵最大泵送壓力或漿液停止流動時停止充填作業。

5)拆模。靜置24 h，打開實驗箱，沿管道走向豎向剖開矸石堆，觀察并記錄試驗箱體內部漿液的分布及流動情況。

試驗編號和具體條件見表1。

表1 試驗設計方案Table 1 Test design scheme

3 漿液流動特性

3.1 漿液流動特征

非膠結膏體進入采空區后的流動特征是設計充填工藝和充填材料配比的重要依據[17]。針對非膠結膏體在采空區內的流動特征，主要圍繞漿液在采空區內的流動擴散規律、漿液擴散范圍和漿液矸石顆粒遷移分選規律進行研究[18]。漿液流動擴散過程中，矸石級配與質量濃度有明顯的分選性，沿管路走向方向，隨著遠離出漿管口，漿液中粗顆粒矸石占比逐步減少，細顆粒矸石占比逐步增加，非膠結膏體質量濃度呈降低的趨勢。這是由于在漿液遷移擴散過程中，粗顆粒矸石沉積速度快，并且在通過同一開度巖塊裂隙的時候，粗顆粒矸石容易在裂隙口發生堆積，在傾向邊界和走向邊界處形成漿液堆積點，發生堵塞效應，直至堵塞裂隙口。依據上述分析得到漿液充填采空區在冐落巖塊縫隙間流動擴散形態和路徑如圖4所示。

圖4 漿液流動擴散模擬Fig.4 Slurry flow diffusion simulation

3.2 充填管路壓力

試驗過程中，通過壓力計實時對管道壓力進行記錄，如圖5、圖6所示。由圖5可以看出，漿液中最大矸石粒徑對管道充填壓力影響較大，隨著矸石粒徑逐漸增大，管道壓力會更早達到試驗泵最大泵送壓力0.4 MPa，表明漿液中的粗顆粒矸石在巖塊裂隙中難以流動、滲透，從而增加管路堵管、炸裂的風險；觀察漿液中最大矸石粒徑為2.5 mm時，泵送過程中，管道壓力值穩定在0.2 MPa，表明漿液在試驗箱體內選擇性滲透，未完全堵塞。由圖6可知，漿液濃度變化對管道壓力的影響較小，在達到最大泵送壓力之前，隨著濃度的增大，管路壓力變化趨勢緩慢，表明漿液濃度的升高，造成矸石顆粒數量的增加，滲透性能降低。

圖5 固定濃度(75%)，最大粒徑對管道壓力影響Fig.5 Influence of maximum particle size on pipeline pressure under constant concentration(75%)

圖6 固定最大粒徑(5 mm)，濃度對管道壓力影響Fig.6 Influence of concentration on pipeline pressure under constant maximum particle size(5 mm)

3.3 瞬時流速及累計流量

各因素與漿液流速的關系如圖7所示，可以看出：采用拖管充填的方式對采空區模型進行充填，漿液從管口向四周擴散，瞬時流速迅速上升達到峰值，表明漿液會首先流動到管口臨近空腔，之后進行選擇性滲透擴散階段，漿液經有效空隙流入到下一個空腔，此過程緩慢會引起瞬時流速有明顯的降低。隨著矸石粒徑的增大，粗顆粒矸石在空隙口堆積導致裂隙口逐漸阻塞，漿液不再滲透流動；經漿液流動滲透作用，試驗箱體內累計充填量隨矸石粒徑的改變發生明顯變化；漿液濃度相同時，制備漿液的矸石顆粒越大，累計充填量越小且差距明顯；漿液中最大矸石粒徑相同時，質量濃度越大，累計充填量基本趨于穩定，但漿液擴散速度降低，導致試驗箱飽和的時間更長，如圖8所示。相同的充填作業條件下，漿液累計充填量主要取決于漿液中矸石的最大顆粒粒徑，漿液濃度影響次之。

圖7 各因素與流速的關系Fig.7 Relationship between various factors and flow velocity

圖8 各因素對累計充填量的影響Fig.8 Influence of each factor on cumulative filling amount

3.4 漿體采空區流動特征

試驗結束后，將試驗箱靜置24 h，由于充填漿液脫水，會導致試驗箱漿液遷移范圍內的矸石形成結石體[19，20]，打開試驗箱體，非膠結膏體在試驗箱內的擴散范圍近似于半球形；利用切刀沿管路走向豎向剖開剩余矸石堆，更進一步的分析漿液在采空區的流動特征。隨著漿液中矸石粒徑的增大，試驗箱未飽和的空腔數量顯著增多且漿液擴散范圍急劇減??；隨著深入采空區，漿液中粗矸石顆粒呈減少的趨勢，細顆粒矸石占比呈增加的趨勢，采空區堆積巖塊對漿液中的矸石分選性明顯，粗顆粒矸石更容易發生阻塞，而細顆粒矸石顆粒能通過較小的巖塊縫隙滲透到采空區深部。

4 工程應用驗證

4.1 工作面概況

試驗工作面為李家壕礦井31116綜采工作面，位于3-1盤區，主采3-1煤，煤層厚度為5.4～5.7 m，傾角為0°～3°，煤層節理發育煤系復雜，煤層局部含一層夾矸，夾矸厚0～0.25 m，夾矸上煤厚4.7～5.1 m，夾矸下煤厚0～0.65 m。工作面采用長壁后退式全部垮落綜合機械化采煤法，工作面傾向長度為300 m，一次采全高，采高為3.45～5.55 m。試驗期間，工作面距離充填泵位置310 m，工作面采用“三八制”作業，早班檢修，中班、夜班各按5個循環組織采煤，日割煤10刀，截深0.8 m。工作面布置如圖9所示。

圖9 工作面布置Fig.9 Working face layout

4.2 充填工藝流程設計

工程應用主要分為地面干料制備、制漿、泵送充填三個環節。首先在地面進行矸石破碎、篩分，之后利用制漿攪拌一體機等設備將水和粉煤灰拌制成一定濃度的非膠結膏體，利用防爆罐車運輸至井下充填站，然后利用充填泵加壓后通過充填主管路及架間底板拖管向冒落區進行充填?？紤]到漿液脫水對工作面設備和生產環境的影響，試驗采用拖管交替式充填作業，在工作面后方檢測到溢水時，關閉拖管前端的充填球閥，進行下一組拖管充填。充填工藝流程：磚廠破碎、篩分好的矸石→TD75帶式輸送機(稱重給料機)→制漿攪拌一體機→罐車→井下充填泵→充填管路→采空區。充填工藝流程如圖10所示。

圖10 充填工藝流程Fig.10 Filling process

4.3 工程效果及檢驗

現場共進行四組不同深度的拖管(8、12、15、18 m)充填試驗，合計泵送漿液約為44 m3，運輸過程中損失量約為12%，井下實際泵送為38.7 m3，消耗矸石量為29.79 t。根據工程現場實際充填數據記錄，矸石最大顆粒粒徑為2.5 mm、漿液質量濃度為75%，井下泵送壓力穩定在6～8 MPa，每組拖管可消耗矸石量為11.2 t，預計該工作面整體布置拖管時，年消耗矸石量可達37.0 t?，F場試驗表明：拖管深度為8 m時，在工作面支架底板處約2～3 cm會出現溢水現象；拖管布置超過12 m時，工作面無溢水現象，此時工作面推進速度與架間拖管充填協調進行。

5 結 論

1)首次將架間底板拖管充填技術應用于工程現場，并獲得試充成功。取得了工程參數和充填材料參數，解決了礦井采煤與充填作業時空干涉難題，為井下充填開采提供新思路。

2)分析了最大矸石粒徑與質量濃度對非膠結膏體充填采空區內流動特征的交互影響，得出了漿液中最大矸石粒徑為2.5 mm，漿液在采空區內的流動特性最好，能大幅度提高矸石消耗量。

3)揭示了漿液在采空區內矸石顆粒阻塞機理：漿液遷移擴散過程中，粗顆粒矸石沉積速度快，并且在通過同一開度巖塊裂隙的時候，粗顆粒矸石容易在裂隙口發生堆積，在傾向邊界和走向邊界處形成漿液堆積點。

4)物理模型試驗表明，充填漿液從出料口流出后，立即向四周擴散，矸石粒徑與質量濃度有明顯的分選性；同時由于受到重力及充填推力的作用，在垂直方向上，漿液向管口下部的滲透速度大于其向上部滲透的速度，在水平方向上，沿管口走向漿液滲透速度更快。但隨著漿液充填量的增加，漿液滲透達到一定的深度，向下及向前的滲透趨勢逐漸緩慢，漿液開始反向選擇滲透，最終漿液的擴散范圍近似為半球形。