采空区地面充填材料选择的探讨_贺军.pdf

2142023 年第 5 期收稿日期 2022-10-26作者简介 贺军（1980），男，陕西榆林人，2008 年毕业于中央党校陕西分校经济管理专业，本科，高级工程师，主要从事地质工程、生态环境治理、地质灾害防治（治理）、保水采煤、煤基固废综合利用（处置）等工作。贺 军等：采空区地面充填材料选择的探讨贺 军等：采空区地面充填材料选择的探讨采空区地面充填材料选择的探讨贺 军1 阎宏图2 宋 伟1 （1.中煤地生态环境科技有限公司，北京 100071；2.乌审旗蒙大矿业有限责任公司，内蒙古 鄂尔多斯 017300）摘 要 为解决煤矿开采过程中形成采空区，对生态环境造成巨大破坏的问题，通过分析风积沙和粉煤灰作为充填材料，对风积沙的粒径分布、堆积密度及含水率做了相应的物理学性质测试，在工程实践中对风积沙和粉煤灰按照一定比例进行调配实验。注浆效果较好的配比为水固比为 0.5:1，灰砂比 5:5 及灰砂比 7:13 时，浆液密度为 1.6 t/m3。关键词 风积沙；粉煤灰；采空区充填；浆液配比中图分类号 TD823.7 文献标识码 A doi:10.3969/j.issn.1005-2801.2023.05.068Discussion on the Selection of Ground Filling Materials for GoafHe Jun1 Yan Hongtu2 Song Wei1(1.China Coal Land Ecological Environment Technology Co.,Ltd.,Beijing 100071;2.Uxin Banner Mengda Mining Industry Co.,Ltd.,Inner Mongolia Ordos 017300)Abstract:In order to solve the problem of huge damage to the ecological environment caused by the goaf formed during coal mining process,the size distribution,stacking density,and rate of water content of aeolian sand are tested by analyzing the use of aeolian sand and fly ash as filling materials.In engineering practice,experiments are conducted on the allocation of aeolian sand and fly ash in a certain proportion.The ratio with better grouting effect is a water solid ratio of 0.5:1,when the ash sand ratio is 5:5 and the ash sand ratio is 7:13,the slurry density is 1.6 t/m3.Key words:aeolian sand;fly ash;goaf filling;slurry ratio煤矿开采过程形成大量的采空区，随着时间的推移，采空区上方地表塌陷1，导致地层结构破坏、地层承载力减弱等不稳定因素。特此对规划范围内采空区进行地面注浆充填加固处理，控制采空区地面沉降，以保证规划后建设的地面村民住宅等建筑物安全。原方家畔煤矿采用房柱式采煤法开采3-1煤层，留下了大范围的房柱式采空区。方家畔村新农村建设项目位于 3-1 煤层房柱式采空区上方，为控制房柱式采空区地面沉降和保障方家畔村新农村建设项目实施效果，在方家畔村新农村建设项目实施前，必须对该区域房柱式采空区进行地面注浆充填加固处理，以保证地面村民住宅等建筑物安全。1 充填材料的选择采空区注浆的充填材料一般就地选择供应量充足、价格低廉、性能指标满足要求的材料，矿井周边可利用的材料有风积沙、煤矸石、黄土、粉煤灰、水泥、建筑垃圾等固废，不同的材料不同的配比所配成的充填材料性能千差万别2。但结合采空区注浆的经验和原材料的就地取材性，提出采空区注浆材料必须满足以下方面的性能要求：1）流动性。注浆材料必须达到一定的坍落度，满足注浆系统管道泵送的要求。2）稳定性。注浆材料在管道中停留数小时不沉淀、不分层、不离析，注浆材料的分层厚度要满足管道泵送和形成稳定支撑体的要求。3）泌水性。注浆材料保水性能好，在泵送至井下采空区形成充填体前后，充填体的泌水量不能影响原有采空区的工作环境3。4）强度。注浆材料形成充填体后，必须具有较高的后期强度和较低的压缩率，以发挥承载结构2152023 年第 5 期贺 军等：采空区地面充填材料选择的探讨贺 军等：采空区地面充填材料选择的探讨的作用，才能够充分发挥充填减少地表开采沉陷的效果，保证上覆顶板的安全。根据上述性能要求，当地矿区周边有大量的风积沙等可以利用，因此选择风积沙、粉煤灰、水泥等作为采空区注浆的充填材料进行分析。陕北榆林地区，地处毛乌素沙漠的南端，地表覆盖着大面积的风积沙。风积沙，又名风成沙，由风吹沉积而成的砂土。其粒径主要分布在0.0740.250 mm之间，含量高达90%以上，大于0.25 mm 的颗粒极少，仅为 0.1%，而小于 0.074 mm 的颗粒也只有不足 9%，不均匀系数约为 1.354-5。风积沙的主要矿物成分为石英、长石、云母等，主要化学成分为 SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3、MgO。粉煤灰可取自电厂，不低于水工混凝土掺用粉煤灰技术规范（DL/T 5055-2007）级标准，含水率小于 1%，堆积密度 0.70.85 t/m3。粉煤灰适当的添加，可部分替代水泥6，节省水泥用量，同时有益于充填体的和易性和泵送性。2 充填材料理论配比采用泵送方式进行充填，充填料必须具备和易性、泵送性、泌水性及最终支护强度等综合要求。根据其他矿井充填的相关经验数据，初步选用的充填材料配方见表 1。表 1 材料配比参数表质量浓度/%膏体配比/（kg/m3）75.0风积沙粉煤灰水泥水1034426120457根据上述配比配置充填体质量浓度为 75%，强度为 4.0 MPa 左右。该配比为初步方案，根据工程经验和矿山实际，以充填膏体质量浓度、体积密度、坍落度为流变（流动）性能衡量指标，以充填膏体试体标准养护条件下的单轴无侧限抗压强度为凝固性能和强度参数衡量指标，下一步需要根据充填膏体性能参数，进行充填材料配比实验，结合实验结果及实际情况综合确定充填材料配比。3 材料物理性能测试3.1 粒径分布不同孔径的筛子能够筛分对应尺寸的物料，通过 2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm筛子对风积沙粒径筛分，取一定量（假设为 m 克）的风积沙样品，筛分可得到通过不同方孔筛的样品质量分别为m、n（n=15 g），对其通过率进行计算：N=mn/m （1）将矿区附近风积沙称量 500 g，进行筛分试验，依次通过 2.36 mm、1.18 mm、0.6 mm、0.3 mm、0.15 mm 方孔筛，对每个粒径范围的风积沙进行称量，计算得到每个粒径范围的通过率绘制风积沙粒径分布曲线，通过分析绘制的曲线图图 1 可知，风积沙粒径均小于 0.6 mm，小于 0.3 mm 粒径风积沙占 70%，具体结果见表 2。注浆工程的另一种注浆材料，粉煤灰为当地电厂运输至地面充填站，不低于水工混凝土掺用粉煤灰技术规范（DL/T 5055-2007）级标准。表 2 风积沙粒径分布表筛眼目数/目筛眼孔径/mm通过率/%161.18100300.6099.9500.3069.91000.1540.85图 1 风积沙颗粒分析曲线3.2 堆积密度堆积密度是把粉尘或者粉料自由填充于某一容器中，在刚填充完成后所测得的单位体积质量。将风积沙及粉煤灰烘干后，经漏斗匀速倒入容量筒中，直至试样装满并超出容量筒瓶口，用直尺将多余试样沿同中心线向反方向刮平，再称量试样质量。同样试验重复三次，取平均值。堆积密度计算公式如下：=（M1-M2）/V （2）式中：为堆积密度，t/m3；M1为容量筒及样品质量，t；M2为容量筒质量，t。经测试计算，粉煤灰堆积密度均值为 0.8 t/m3，风积沙堆积密度均值为 1.55 t/m3，如图 2，堆积密度可反映单位体（物质颗粒之间的闭口、开口孔隙及颗粒之间的空隙体积）物质颗粒密度，从数据可以看出同质量风积沙相比于粉煤灰堆积更为紧实，空隙体积较小。2162023 年第 5 期 图 2 粉煤灰-风积沙堆积密度曲线按照水泥配比和无水泥配比进行测试。设计时，质量比中粉煤灰占比 2.9%，沙子占比 68.35%，水泥占比 11.60%，水占比 17.15%。3.3 含水率将风积沙浸水后，擦干表面流动水，称取一定质量，置于烘箱中烘至恒重，冷却后称量，计算湿沙含水率，如图 3，计算公式如下：=（M湿-M干）/M干 （3）式中：为含水率，%；M湿为湿沙质量，g；M干为干沙质量，g。将湿沙称取 100 g，置于烘箱中进行烘干，温度设置为 100，待烘干至恒重，取出冷却后称重。以上步骤重复 4 次，带入公式计算后，取平均值。经计算，湿沙含水率均值为 8.11%。图 3 风积沙含水率4 浆液制备及特性分别固定水灰比，不同注浆材料占比，配置成浆料，用玻璃棒充分搅拌，混合均匀后进行浆体密度测量。将粉煤灰及风积沙按照一定占比，每隔 10%设置一组实验，与矿井水混合制备成不同水灰比浆液，用玻璃棒充分搅拌，混合均匀后进行浆体密度测量。试样配置完成后，对浆液泌水率进行测试。浆液配置表见表 3。表 3 浆液配置表水固比灰砂比水/g粉煤灰/g风积沙/g浆液密度/（g/cm3）泌水率/%0.5:16:44004803201.7341.75:54004004001.6045.44:64003204801.4553.93:74002405601.4555.30.45:16:43604803201.7434.25:53604004001.6842.24:63603204801.6444.93:73602405601.5655.60.4:16:43204803201.8431.45:53204004001.836.84:63203204801.839.33:73202405601.6449.64.1 浆液密度为研究浆液不同水灰比及粉煤灰-风积沙不同占比条件下浆液性质，对配置好的浆液进行密度测试。固定水灰比，改变粉煤灰与风积沙占比，浆液密度随粉煤灰减少而降低。风积沙属于颗粒物，无法溶于水，在重力条件下容易沉积至烧杯底部，在搅拌条件下，少量风积沙悬浮至中上部浆液内，粉煤灰遇水搅拌后呈糊状，在浆液输送过程中可以包裹风积沙，实现顺利输送。在浆液密度方面，粉煤灰占比对其影响较大。4.2 泌水率为进一步确定浆液注入采空区后，自然状态下的泌水性，对浆液进行泌水分析。先用湿布润湿容器，将浆液一次装入，盖上保鲜膜进行静置。每隔10 min 用洗耳球吸出泌水一次，以后每隔 20 min 吸水一次，直至连续三次无泌水为止。每次吸水前 5 min，将筒底一侧垫高约 1 cm，使筒倾斜，以便于吸水。吸水后，将筒轻轻放平盖好。将每次吸出的水都注入带塞的量筒中，最后计算出总的泌水量。将数值带入公式（4）进行计算：B=Ww/（W/M）（M1-M2）100%（4）式中：B为泌水率，%；Ww为累计吸水总量，g；W 为浆液拌合物的用水量，g；M 为浆液总质量，g；M1为筒及试样质量，g；M2为筒质量，g。将试验数值带入可知，固定水灰比条件下，随（下转第 219 页）2192023 年第 5 期狄 平：营盘壕煤矿无轨胶轮车智能调度系统的设计研究狄 平：营盘壕煤矿无轨胶轮车智能调度系统的设计研究统已发布日常用车指令，下发应急任务执行命令的同时派出相应司机单独处理应急出车任务。3）用车部门用车时，在人工智能终端发出用车申请，智能化调度管理系统根据用车申请和位置及时派发车辆。4）井下作业人员用车时，在人工智能终端发出用车申请，智能化调度管理系统根据用车申请位置就近出车辆。5）出现突发状况，车内车载终端将数据传送至智能化调度管理系统，进行人机交互，应对突发状况。4 智能调度系统的实践应用无轨胶轮车智能调度系统在营盘壕煤矿进行工业性试验，验证设计方案可行性。当前营盘壕煤矿无轨胶轮车智能调度管理系统经过近7个月试运行，无轨胶轮车在千万吨级特厚煤层下实现了安全行驶、定点待命、准点出发。通过实时监控，申请调配、数据上传、统计分析等过程，为智能调度管理系统提供了更加精准数据，实现调度对井下司机的远程遥控和合理调配。试运行过程中，对营盘壕煤矿井下无轨胶轮车车辆定位精度进行试验工作，共开展 10 次试验，结果如图 3。从图 3 数据可知，车辆定位精度控制在 0.18 0.95 m，能够满足煤矿实际使用需要，为实现车辆智能调度提供了数据支持。图 3 无轨胶轮车定位精度试验测量结果无轨胶轮车智能调度系统在营盘壕煤矿应用后，车辆调配合理、运行有序，运输效率对比之前提高了 51.5%。系统应用后，未发生一起无轨胶轮车追尾、碰撞等安全事故，大幅度提高营盘壕煤矿辅助运输环节运行效率和安全性。5 结语设计一种无轨胶轮车智能化调度管理系统在营盘壕煤矿进行实践应用，对辅助运输工作安全高效开展提供了强有力的数据支撑，减少车辆行驶等待时间，提升了胶轮车运输效率，有效提高行车安全，解决以往井下胶轮车存在的超速、撞车、撞人、追尾及“顶牛”等潜在安全风险。无轨胶轮车智能化调度管理系统也是智能化矿山建设进程中的一项重要子系统。无轨胶轮车智能化调度管理系统在营盘壕煤矿成功应用，为无轨胶轮车的智能化调度技术的推广应用提供案例支持。【参考文献】1 王刚.无轨胶轮车调度系统设计研究 J.机械管理开发，2022，37（06）：238-240.2 李宁波.煤矿无轨胶轮车调度系统的设计与应用研究 J.煤炭与化工，2022，45（03）：96-98.3 王瑜，康帆.煤矿无轨胶轮车调度系统设计与应用研究 J.能源与环保，2021，43（09）：213-218.4 韩成寿.矿井无轨胶轮车智能调度管理系统研究J.机电工程技术，2020，49（09）：131-133.5 刘宏杰，张慧，张喜麟，等.煤矿无轨胶轮车智能调度管理技术研究与应用 J.煤炭科学技术，2019，47（03）：81-86.6 黄倩.无轨胶轮车定位调度系统在兖矿集团的应用 J.煤矿现代化，2016（04）：65-67.（上接第 216 页）粉煤灰含量降低，泌水率增加；固定粉煤灰-风积沙占比，改变水灰比，随水灰比降低，泌水率降低。以上结果结合实际工程，可适当降低制浆用水，减少泌水。在保证浆液顺利输送条件下，选择粉煤灰-风积沙合理占比。根据试验，最终确定水固比为 0.5:1，灰砂比 5:5及灰砂比 7:13 时浆液密度为 1.6 t/m3，此时注浆效果较好。工程中先按照灰砂比 5:5 进行调制，待注浆稳定后逐步增大风积沙用量，直至风积沙粉煤灰为 13:7。5 结语1）选择的充填材料必须是经济合理的，能够就近取材。2）充填材料混合后，应具有流动性和稳定性，能够满足泵送条件。注入指定位置后，为保障采空区保持原有工作环境，充填材料的泌水性应保持在41.7%55.3%之间。充填材料胶结后应具有一定强度，足以支撑上部地层压力。（下转第 222 页）2222023 年第 5 期铺设木工板。采用钢管架进行支护，钢管采用常规脚手架用钢管，钢管直径 50 mm，钢管壁厚 4 mm，钢管采用扣件连接，形成“门”字形拱架。“门”字形拱架间距为 300 mm，每个“门”字形拱架之间采用横杆连接，横杆间距两侧硐壁为 1000 mm，顶部间距为 500 mm。2）巷道照明采用巷道专用矿灯，灯头采用防水灯头，线路必须使用 220 V/100 A 熔断器，以防止短路，线路使用橡胶三芯软缆。3 封闭效果分析1）本方法用钢筋混凝土嵌入围岩的结构，封堵住闭坑煤矿平硐内煤矸水往外径流。通过封堵，三个煤矿矿井均未再次出现矿井水渗出。2）针对挡水墙外侧巷道裂隙水，通过高钙石、黏土、石灰、秸秆依次循环充填巷道。首先通过高钙石和黏土的生态过滤，去除巷道围岩中渗出的煤矸水里面的煤渣等杂质；其次让其与生石灰发生化学反应，综合煤矸水中的硫、铁等离子；最后让其与秸秆发生反应减少煤矸水中的酸性离子，最终达到水质生态净化的目的。3）本方法最后采用砖混结构对闭坑煤矿平硐进行封闭，能够有效增加挡墙的抗冲刷力和抗压力，提高封闭的效果。4 结论1）通过道真县洛龙煤矿、玉溪煤矿、平模山煤矿 3 个煤矿平硐封闭工程的实施，截至目前封闭已达到预期效果，效果非常显著。2）本文提到的封闭方法必须保证巷道在全基岩段，掏槽掏至基岩深度 30 cm 以上。3）对于巷道围岩破碎，可以根据实际情况对掏槽深度进行加深。本文提到的封闭方案目前只是在煤矿平硐断面尺寸小于 15 m2的巷道使用过，对大于该断面的需进一步验证。4）本文提到的封闭方法目前还未形成强制性规范，其余类似闭坑煤矿平硐可以酌情参照。【参考文献】1 李建中.闭坑煤矿含水层破坏模式与风险管理研究 D.武汉：中国地质大学，2018.2 张邦花.煤矿区闭坑的生态环境效应研究 D.济南：山东师范大学，2016.3 芦根玲.煤矿露天储煤场封闭技术方案的选择 J.能源与节能，2019（05）：96-97.4 牛望.煤矿山废水的湿地净化研究 D.武汉：中国地质大学，2009.5 王军涛.淄川煤矿矿坑排水对水质特征影响与串层污染防治研究 D.济南：山东建筑大学，2012.6 王军涛，李福林，张克峰，等.淄博市煤矿矿坑水水化学特征分析及处理利用研究J.科技信息，2012（04）：33-34.7 张建立，沈照理，李东艳.淄博煤矿矿坑排水的水化学特征及其形成机理的初步研究 J.地质论评，2000（03）：263-269.8 朱雪竹，黄耀，杨新中.模拟酸雨对不同土壤有机碳和作物秸秆分解的影响 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