膏体充填

膏体充填（精选8篇）

膏体充填 篇1

村庄建筑物下压煤开采已成为我国很多矿区面临的一个重大难题,采后所造成的地表沉陷以及对地面建筑物造成的破坏问题日益突出,严重影响环境及矿区的可持续发展[1]。采后充填能够有效控制和减轻地表沉陷,减轻对矿区生态环境的破坏。由于地表的移动变形值与其最大下沉值成正比,充填法沉陷控制技术就是利用充填材料来充填开采产生的空间[2],这相当于减小了煤层的开采厚度,可有效降低地下开采对建筑物或构筑物的损害程度。

焦煤公司小马村矿21012工作面之上对应地表存在有上马村及上马新村。为了分析该工作面按充填开采设计开采以后对地表村民房屋的采动影响,针对充填开采条件下的地表沉陷问题,综合运用开采沉陷学等理论,并结合概率积分可视化模拟方法,对膏体充填开采条件下的地表沉陷规律进行了研究探讨。根据地质采矿条件、地表建筑物具体情况等,进行综合计算、分析,得出地表移动和变形值,并对地表建筑物的采动影响程度进行准确预测和评价,以便根据工作面地表移动规律,提前做好预案。

1工作面概况

小马村矿21012工作面位于23大巷以北,副石门巷道以东,一5煤轨道巷以南,东部为薄煤带。工作面开采水平-15 m,标高+5.502～+37.539 m,平均走向长114 m,倾斜长130 m,面积14 820 m2。上距二1煤采空区平均15 m(此煤层平均厚2.5 m,已于1962—1964年回采)。工作面地面位于上马村新村以北,巡返路以东,山门河以西,标高+163.22～+164.00 m。地面村庄民房多数为砖混结构和砖木结构的单层建筑物,长度一般小于20 m,建造时间多在10 a以前,且地基只进行了简单的压实处理,工作面回采会对其造成一定影响。

工作面内布置2个仰斜块段,采用膏体充填开采方法采煤。回采巷道支护形式采用喷锚支护作为临时支护,工作面支架形式为充填支架配合Π型钢梁和木柱帽进行支护。直接顶板为砂页岩互层,其厚度为6.38 m,含炭质;基本顶为砂岩,厚2.03 m。直接底为砂质页岩,厚2.1 m;基本底为砂岩,成分以石英为主,厚4.93 m。

2工作面开采引起的地表移动变形分析

对采后地表移动变形的研究,需综合考虑工作面开采具体情况:①由于煤层上方二1煤层已于1962年至1964年回采结束,上覆采动破坏岩体在地应力作用下经过长时间的压实,处于相对稳定状态,但岩性相对较弱。②材料充填、凝固之前的顶板下沉量是影响采后地表下沉的关键因素。工作面设有采煤和充填2排支架,采煤与充填平行作业,2排支架之间顶板必定悬露一段距离,导致充填之前的悬露顶板下移。因此,开采与充填的协调关系到后期地表的移动变形情况。材料充填凝固形成支撑顶板的强度需要一定的时间,充填支架在材料未达到支撑强度之前的前移将加重顶板及地表的下沉[3]。③充填率及含水率。工作面充实效果决定地表下沉程度,该工作面充填率达87%。增加材料含水率在一定程度上能够提高充实效果,但材料的失水收缩不利于对地表下沉的控制。

2.1参数确定

为了针对性地研究小马村矿充填开采采后引起的地表移动和变形,了解地表影响范围内的民房等建筑物受采动影响程度,在综合考虑工作面充填开采具体情况下,首先采用概率积分法对工作面开采区域地表移动变形参数进行计算。

根据工作面马18钻孔资料计算得出覆岩综合评价系数P值[4],得出工作面全采时地表下沉系数:

q=0.5×(0.9+P)

根据马18钻孔,P=0.582,则下沉系数q初=0.74;由于是重复采动影响,q终=q初×(1+a)=0.8,这里a取0.1。由于小马村矿二1煤21012工作面为膏体充填开采,充填率87%,q充= q终×(1-87%)。根据充填材料失水收缩及成型后抗压变形测试结果,再结合相似地质条件下充填开采情况下的观测站地表移动观测资料分析,取充填开采情况下地表下沉系数q=0.15。

根据概率积分法预计的基本原理,综合考虑覆岩岩性、地质、开采技术条件等对地表移动变形的影响。计算预计参数值:下沉系数q为0.15;拐点偏移距s为0.05H;主要影响角正切tan β为2.2;影响传播角θ0为85°;水平移动系数b为0.32。

2.2移动变形预计

运用预计参数,对小马村矿充填开采后地表任意点的移动和变形值进行计算预计[5,6,7],并采用Matlab、Surfer等软件将预计结果可视化,分别得到充填开采后地表下沉、变形等值线(图1—图3)。

3采动影响分析及充填优化建议

根据图1所示的21012工作面1、2块段充填开采结束后造成的建筑物附近地表移动和变形结果,依据文献[5]砖石结构建筑物损害等级评定表,根据预计的地表下沉、变形值大小评定建筑物的损坏程度,充填开采条件下地表最大下沉值为200 mm,最大拉伸变形值1.25 mm/m,最大压缩变形值为1.2 mm/m。

充填开采技术能够大大降低地表移动变形量,但下沉盆地中心下沉量仍达到200 mm,由于地表移动变形的不均匀性,且地表建筑物多为农村砖石结构,大部分建筑处于拉伸变形区,加剧了地表建筑物的破坏,预计将有29户民房达到Ⅰ级左右破坏。为最大限度地保护地表建筑物,减轻开采对周边建(构)筑物的破坏,必须采取优化工作面膏体充填开采的措施,以确保村民房屋财产安全,提高村庄煤柱开采的技术经济效果。

(1)降低膏体充填材料含水率,在保证充实效果的情况下,适当提高膏体浓度。考虑到充填材料输送的方便,可在充填末端对材料进行脱水处理。这样也能够加速材料凝固,从而有利于对顶板移动的控制。

(2)缩短材料速凝时间。可在充填末端加入一定的速凝添加剂,提高凝固材料的早期强度。

(3)提高支架工作阻力,并尽量做到采煤充填协调,缩短顶板裸露时间。

4结语

(1)结合工作面的地质采矿条件及采动影响参数,得出了工作面充填开采条件下地表最大下沉值为200 mm,最大拉伸变形值1.25 mm/m,最大压缩变形值为1.2 mm/m。

(2)充填开采可大大减轻开采引起的地表移动变形,但仍会对29户民房造成一定的影响,影响程度均在Ⅰ级范围内。因此,必须对工作面膏体充填开采进行优化。

(3)本文对研究充填开采条件下地表移动变形规律以及对地表构筑物影响提供了可靠的理论依据。为保护地表居住环境、实现村庄下压煤开采积累了经验。

摘要：焦煤公司小马村矿21012工作面采用仰斜膏体充填开采,根据采区开采设计并结合工作面具体情况,采用概率积分法综合分析计算得出采动影响参数,并对工作面开采以后造成的地表移动和变形进行预计分析。根据膏体充填开采对地表建筑物的采动影响程度、范围,提出了工作面膏体充填开采的措施和建议。

关键词：概率积分法,地表移动变形,膏体充填,变形预计,仰斜开采

参考文献

[1]郭文兵,柴华彬.煤矿开采损害与保护[M].北京:煤炭工业出版社,2008.

[2]郭振华,周华强.村庄下膏体充填采煤控制地表沉陷的研究[D].徐州:中国矿业大学,2008.

[3]刘明.膏体充填开采控制地表沉陷影响因素研究[D].青岛:山东科技大学,2008.

[4]耿德庸,仲惟林.用岩性评价系数P确定地表移动的基本参数[J].煤炭学报,1980(4):13-25.

[5]中华人民共和国煤炭工业部.建筑物、水体、铁路及主要井巷煤柱留设与压煤开采规程[M].北京:煤炭工业出版社,2000.

[6]何国清,杨伦,凌赓娣,等.矿山开采沉陷学[M].徐州:中国矿业大学出版社,1994.

[7]邹友峰,邓喀中,马伟民.矿山开采沉陷工程[M].徐州:中国矿业大学出版社,2003.

膏体充填 篇2

单位：膏体充填队党支部

时间：2013年6月30日

膏体充填队党支部6月份工作总结

6月份，我们膏体充填队党支部按照矿党委工作部署要求，紧密结合现场工作实际，深入开展安全生产月活动，强化党建工作，加强职工安全教育学习，日常工作有序开展。现将6月份工作情况总结如下：

1、扎实开展安全生产月活动。成立了以队长杨贤江、书记翟慎刚为组长，其他副职为成员的“安全生产月”活动领导小组，负责活动的组织协调和督查工作，区队结合自身实际情况，利用电脑、电视、网络等新媒体，为职工播放安全生产主题片《家》、《伤逝》，通过班前观看，让职工谈感受，并且针对自身岗位实际，逐条逐项分析存在的安全隐患及整改措施，以此来增强职工安全意识。以此同时，我队党员干部利用微博、微信、QQ群等形式，向职工发送有关安全生产的短信，6月份，共发放安全信息230条。

2、开展“讲党性 转作风 树形象”主题教育。党支部以“讲党性 转作风 树形象”主题教育为载体，在全队开展了“党员带头倡廉洁”活动，在周六的党员学习时间，集中学习集团公司下发的《“讲党性 转作风 树形象”材料汇编》。利用班后会时间，组织党员、业务骨干和“三管”人员集中上廉洁党课，让学习人员针对自身工作情况，找出廉洁自律方面的不足和整改措施，并且写出廉洁承诺书，让职工监督。6月底，区队收到党员干部的整改措施20份，廉洁承诺书15份。

3、深入开展岗位练兵，提升职工工作技能。进入6月份以来，区队深入开展岗位练兵活动，广大干部职工充分认识到这次大练兵比武的存在的机遇，每个岗位上的职工都卯足了劲拿出自己的看家本领积极参与到岗位练兵中来，区队活动小组要求，每个班组根据自己的工作实际情况有序的安排职工的岗位练兵，截止本月结束，区队的综采维修电工、维修钳工、电焊工、输送机司机、皮带机司机、泵站司机等16个工种183人次的岗位练兵已经全部结束，本次岗位练兵工奖励48名职工，发放奖励9600元，极大提高了职工岗位练兵的积极性。下一步，区队将推选优秀技术能手，参加矿举办的技术比武活动。

4、开通麦收绿色通道，保障职工田间利益。党支部针对职工大多数都是农村的实际情况，开通“麦收绿色通道”，安排出需要麦收回家的职工名单，通过合理调整工休、年休假等，优化劳动组织，按照路程远近、小麦成熟的早晚，及时安排职工有计划地返乡麦收。同时，党员干部还深入职工宿舍，与麦收返岗职工进行谈心，掌握职工思想变化，及时进行帮扶，做到超前防范。在此基础上，区队还加强薄弱人物排查，每天班前排查16种安全隐患人，坚决避免“边上班边麦收、疲惫上岗”等威胁自身安全的现象发生。6月底，区队有103名职工返乡麦收，并且无一人出现欠勤现象。

5、党员带头为职工降暑。进入夏季，天气逐渐变热，职工在2352面隔离施工，受炎热天气和面后膏体散发热量的影响，施工地点干燥、空气温度高，个别职工出现了中暑迹象为此，区队10名党员下井前都携带防中暑药品，还制作了一个能承装30公斤水的钢桶，用来承装绿豆汤、凉茶等饮品。并且将这些饮品利用矿车送到工作面，确保职工能及时饮用，防止中暑。

似膏体充填开采工艺优化 篇3

工艺流程:似膏体充填使用的材料是破碎的煤矸石、粉煤灰、胶结料和水配比成60%左右的似膏体状浆料。通过管道把似膏体浆料输送进入井下充填工作面, 在形成的封闭采空区空间内, 进行充填施工, 完成充填过程。经过近三年的运行, 充填系统所暴露出的缺陷及不完善的地方, 通过不断的摸索, 对充填系统进行技术改造及优化, 取得良好效果。

1 罐顶收尘装置优化

充填站储存罐底部安装有输灰管道接口, 通过与专用罐车相连接进行气力输送。在罐顶部安装有机械振打式袋式除尘器用于收尘, 并且安装有安全阀, 用于在罐内部压力过大时泄压。安全阀泄压动作时, 造成厂区环境污染严重。

优化方案:灰罐收尘装置由原来的振打式布袋除尘器, 改为MDC-24型袋式脉冲除尘器, 将含尘气体进入中部除尘箱, 在通过滤袋时, 粉尘被阻留在滤袋的外侧, 净化后的气体透过滤袋, 经过管道箱体有效排除, 可更好的防止污染大气。原理为:含尘气体由进风口进入灰斗 (没有灰斗的将直接进入袋室) , 然后含尘气体进入装有滤袋的过滤室。粉尘附着在滤袋外表面, 净化气体由滤袋进入上部箱体, 经排风管道, 由风机排到大气。

随着过滤时间的增加, 滤袋外表面粘附的粉尘不断增加, 滤袋阻力随之上升, 当除尘器阻力上升到一设定值时 (一般为1500~1800Pa) , 为保证除尘器继续工作, 需要进行清灰。

除尘器滤袋按直线排列, 每排滤袋配置一个脉冲阀来控制压缩空气脉冲清灰, 脉冲阀的动作是由程序控制器控制的。清灰时, 清灰控制器发出指令, 使脉冲阀在动作的瞬间释放出0.5~0.7MPa的压缩空气。压缩空气通过喷吹管上正对滤袋的小孔高速冲入滤袋, 在其冲入滤袋内部的同时, 又诱导产生一股数倍于压缩空气的“二次诱导气流”, 于是产生一种瞬间冲击波并沿整条滤袋的长度方向向下传播。利用这一机理, 使聚积在滤袋外面的粉尘从滤袋壁剥离落下, 粉尘落入灰斗。脉冲的持续时间可以调整, 以适合不同粉尘的各种特性。此装置减少因粉尘污染造成的不必要的人力资源的浪费, 防止大气污染, 保护环境。

2 搅拌机卸料辅助装置

充填站2台双轴卧式搅拌机, 担负着井下受水威胁工作面的充填任务。搅拌机底部卸料门为液压控制, 由PLC程序控制设定, 搅拌机内物料搅拌均匀后, 卸料门自动打开进行卸料, 卸料完毕自动关闭, 进行下一个循环的搅拌。当卸料门关闭时, 因为搅拌机搅拌的物料产生热量和部分压力, 容易形成真空造成卸料不畅。

优化方案:在搅拌机顶部安装卸料辅助装置, 在搅拌机顶部开一泄压口, 此口与除尘器相连接, 既能收集粉尘颗粒, 起到保护环境的作用, 还能破坏搅拌机内部的压力, 使物料卸料通畅, 减少了卸料时间, 经现场测试, 原来卸料时间所求的平均数为20秒, 可增加充填量15-30吨/h。

3 结语

充填工艺的优化, 减少了因粉尘污染造成的不必要的人力资源的浪费, 防止大气污染, 保护环境。提高了工效, 节约了费用。按每次充填1800吨计算可提前2小时完成任务, 节约电费500元, 节约人工及机械损耗300元, 节约维修及材料费用300元, 一次充填可节约1100元, 按每月充填8次可节约8800元, 每年可节约资金10.5万元。

摘要：分析了充填工艺存在问题, 提出了改造优化设计方案, 取得良好效果。

朱村矿膏体充填围岩控制效果分析 篇4

1 54002工作面水文地质条件

54002工作面走向长为865 m,倾斜长为102 m;煤层平均倾角4°,平均厚1.25 m,普氏系数f=1～2,煤层平均埋深214 m;工作面水压0.45～0.65 MPa,工作面最大涌水量10.9 m3/min,正常涌水量8.5 m3/min;煤层直接顶板为L5灰岩,平均厚2.18 m,是一5煤开采过程中顶板突水的直接水源;下距L2灰岩平均距离18.46 m,是一5煤层的间接充水含水层;煤层距奥陶系灰岩平均44.15 m,隔水层为铝土泥岩,O2灰岩是煤系地层的基底,受水区域广,岩石岩溶裂隙发育,富水性强,连通性好,水压高,可通过区域导水断层补给上部各含水层,是一5煤层开采过程中底板突水的直接水源。此地区水文地质条件复杂,采用常规开采方法难度较大。

2 膏体充填法回采

膏体充填法开采是指把煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、炉渣、劣质土、城市固体垃圾等在地面加工成不需脱水的牙膏状浆体(低成本的特殊“混凝土”),利用充填泵或其自身重力作用通过管道输送到井下,适时充填采空区的采矿方法。通过对煤矿采空区进行充填,达到支撑上覆岩层、防止地表沉陷的目的。

充填时,由地面充填站通过管道向井下充填区输送充填材料,充填采空区。工作面最大控顶距10.8 m,最小控顶距5.4 m,充填步距5.4 m。

膏体充填与工作面采煤循环相匹配,6班1个充采循环。3班采煤,1班半充填准备,1班半充填。随着工作面的开采,在工作面两巷超前2 m范围内打双排液压支柱支撑顶板,矿压显现不明显,围岩变形量较小。

3 围岩变形规律分析

3.1 矿压观测

(1)工作面观测。

为对比分析工作面充填开采效果,在54001和54002工作面沿倾向分别建立上、中、下3个测站[1],并对测站一定范围内单体支柱初撑力进行随机观测,以此得出支柱初撑力与未充填区控顶距内顶底板移近量关系(图1、图2)。

(2)运输巷、运料巷观测。

在54002工作面运输巷和运料巷分别建立测站进行观测,观测数据如图3—图6所示。

3.2 观测分析

工作面采用膏体充填法开采,顶板结构在工作面煤壁前方受煤体的支撑,在工作面内受支柱或支架支撑,而在采空区受充填体支撑,形成了“煤壁—回采工作面支架(支柱)—采空区充填体”的支撑体系[2]。在支撑体系的作用下,顶板结构保持完整,基本顶在变形过程中能够较好地受到由“顶板—充填体—底板—围岩”力系的约束,矿压显现明显缓和,围岩移近量很小,满足了安全生产需要。

(1)由于充填体达到设计强度需一定的时间,因而支柱支撑力在此期间对控制围岩变形起到了关键作用,通过在工作面观测分析可知:提高工作面支柱初撑力,加大支护密度,可以有效控制围岩变形(经观测:54001工作面支柱平均初撑力为10 MPa,顶底板平均累计移近量为22 mm;54002工作面支柱平均初撑力为4.9 MPa,顶底板平均累计移近量为53 mm),进而降低顶板破碎度,增强顶板自承能力,保证充填效果。

(2)通过在工作面运输巷和运料巷的观测分析可知:①在工作面推进过程中,前方10～20 m范围内煤层上覆岩层就开始受到影响,但下沉速度很小,为岩层起始沉降期(图3、图5);②由运输巷和运料巷测站在工作面推过后的测量数据看出,工作面前后10～15 m范围内巷道顶底板移近速度增大,下沉量占最终累计下沉量的80%左右,为岩层主要下沉期,在此范围内工作面及两巷支撑压力较大。因此,做好工作面前后支撑压力范围内的强有效支护,对控制巷道围岩变形起着重要的作用。③当工作面推过20 m以后,上覆岩层沉降速度逐渐衰减并基本趋于稳定,下沉量占最终累计下沉量的15%左右,为岩层沉降衰减期。

54002工作面为朱村矿首个膏体充填试验工作面,由于充填开采初期技术和井下回采经验欠缺,导致前期围岩变形量较大。后期采取了加强支护、提高充填质量等措施后,有效减少了围岩变形,工作面回采结束后运输巷和运料巷最大下沉量分别为330,261 mm,底鼓量和水平移近量也不明显,充填法回采控制围岩效果较好。54001工作面在充填开采技术和经验较为成熟的情况下,充分保证了充填效果,顶底板最大移近量为90 mm,水平移近量和底鼓量均在20 mm左右,充填开采效果显著,为朱村矿在此地区实现膏体充填开采打下了坚实基础。

4 充填开采对底板破坏影响分析

充填开采后,在支承压力作用下,从煤体边缘到采空区一定距离和一定深度内的底板出现水平拉应力;在压缩区和膨胀区分界处的底板中出现剪应力[3]。由于拉应力和剪应力作用,在煤层底板形成了“下三带”。当底板裂隙与含水层或导升带导通时容易发生突水事故。

一5煤层水文地质构造条件较复杂,底板岩层不仅含水量较大,而且裂隙较发育,工作面底板与L2灰岩距离为15.8～20.5 m,局部地段更薄。在工作面运料巷掘进时就发生过小型突水,受工作面回采影响,底板会被逐渐破坏,原有裂隙会逐渐向下延伸,新的裂隙会逐渐形成。为了充分掌握开采对底板的破坏规律,预防工作面突水,特向底板打钻孔进行注水试验。

在工作面前方50 m处,向底板共打钻孔8个,钻孔间距1～2 m,钻孔距底板垂距为4～14 m。试验所打钻孔段地质条件较为复杂,有多条断层穿过该区域。此次试验采用单孔恒水压(0.15～0.20 MPa)的方法向孔内注水,注水量的多少直接反映了底板岩体裂隙的发育及连通程度,当工作面推过1#钻孔30 m时注水试验结束。钻孔布置及局部地质如图7所示。经观测分析可知:

(1)在被F5、F6和F7三条断层切割的块状区域内,终孔位置距离断层交界面10 m左右的Z1—Z5钻孔,在工作面回采过程中受断层面活化影响较小;从钻孔的注水量来看,没有因回采矿压作用引起岩层整体破坏,可以推断膏体充填法回采因矿压造成直接底的破坏深度小于5 m。

(2)通过对Z6—Z8钻孔的观测可知:6#钻孔注水量较大,平均注水速度为1.34 L/min;Z7钻孔注水量较小,平均注水速度仅0.04 L/min;Z8钻孔涌水压力较大,涌水压力为0.45 MPa,平均涌水速度为55.8 L/min;在工作面推至此处及推过后10 m范围内,Z6和Z8钻孔注水和涌水量持续变大。分析可知在受F5及F6落差较大的断层和回采采动双重影响下,底板裂隙比较发育,导水能力强,此区域突水危险性很高。因此,在进行底板注浆加固时,注浆钻孔应提前打在工作面-10～20 m范围内,这时受采动影响底板原生裂隙开始扩展沟通,是注浆的最佳时机,可以有效防止底板滞后突水。

(3)F6断层附近的Z8深孔导升破碎带高度为4～6 m,依据底板“下三带”的理论,参考工作面地质柱状图,推断一5煤层底板有效隔水层为厚4～7 m的石英砂岩。

(4)由于工作面采用了充填开采,经回采观察底板多为滞后涌水,从而造成底板涌水多从工作面内部通过端部裂隙涌出,但处在F7断层附近的裂隙在工作面推过40 m后涌水量已经变得很小。

此次钻孔试验的观测分析,为全面掌握和研究膏体充填法开采对底板的破坏规律提供了参考,对今后工作面防治水提供了依据。

5 结语

膏体充填采煤方法解决了朱村矿“三下一上”煤层开采的技术难题,通过对工作面回采期间的矿压观测得知,围岩得到了很好控制,底板未发生过突水事故,地面建筑保护完好,达到了预期的效果。

摘要：膏体充填开采是解放“三下一上”所压煤炭资源的有效方法之一。为了实现矿井的可持续发展,朱村矿在54002工作面进行了充填开采,并通过矿压观测、煤层底板注水试验等对围岩控制效果进行了分析,进一步总结规律,为煤矿充填开采生产提供了经验和方法。

关键词：充填开采,矿压观测,底板注水,围岩控制

参考文献

[1]耿献文,马全礼,刘桂红,等.矿山压力测控技术[M].徐州:中国矿业大学出版社,2002.

[2]刘坤,周华强,郑立军,等.膏体充填条带开采技术[J].煤炭科学技术,2010,38(2):10-14.

膏体充填 篇5

关键词：煤矸石,似膏体充填,绿色开采

0 引言

“三下”采煤一直是我国煤矿生产面临的重大问题之一, 村庄压煤尤为严重。迁村或条带开采是我国煤矿村庄压煤开采采用的两种主要方法, 它们已不能满足开采需要, 急需发展一种新的不迁村采煤方法。井下泵送矸石似膏体充填技术是将井下原生矸石经转载到卸载站后, 经碎石机破碎后卸至矸石仓内, 将破碎矸石添加水和其它辅料, 在搅拌机作用下充分搅拌成似膏体状, 再经煤矿用混凝土泵通过管路充填到采空区。为了减小井下矸石对原煤质量的影响、运输的压力和提高以矸换煤效率, 在井下分离矸石, 向采空区充填[1,2,3]。该技术的应用能够帮助国内矿山企业走绿色开采、节能减排、可持续健康发展的道路。

1 采区地质特征

王河矿于1969年11月建矿, 东起114勘探线, 西至荥阳县界, 北至一1煤层底板-150 m标高, 南至一1煤层露头, 东西走向长6 km, 南北倾向宽1.6 km, 井田面积约9.6 km2。1976年3月简易投产, 后经多次技术改造, 1987年设计生产能力达到30万t/a。矿井采用立井开拓, 主、副井深445.5 m, 井底标高为±0。王河煤矿现有立井井筒3个、斜井井筒1个。单水平东西翼上下山开采, 单一开采石炭系太原组一1煤层。采用走向长壁式采煤方法, 后退式开采, 人工炮采, 全部垮落法管理顶板。现开采东翼-140 m大巷上山煤和西翼±0水平下山煤两个相对独立的块段。目前, ±0水平已开采结束, 矿山全部转入下山生产。

2 似膏体充填料浆配比试验及分析

在满足输送管道要求的前提下, 为提高似膏体充填料浆输送质量浓度, 降低输送管道磨损, 增强输送性能, 把粉煤灰和减水剂加入似膏体充填料中。粉煤灰不仅可以降低似膏体充填料浓度, 而且在保持其流动性不变的情况下, 减水剂还可以大量减少用水量。加入普通硅酸盐水泥作为胶凝剂, 可提高充填体的初期强度。按满足输送管道和似膏体充填工艺的要求、减少似膏体充填成本、充填工艺制备简单的原则, 根据试验安排, 把制作好的试块放在保温箱内, 到达似膏体各相应养护龄期后, 测定其试块的单轴抗压强度和三轴抗压强度。通过分析得出如下结论: (1) 通过试验中各种试块的对比, 选用质量浓度为83%的似膏体, 充填材料最优配比是水泥∶粉煤灰∶煤矸石=1∶3∶16。 (2) 粉煤灰在一定程度上发挥减水剂作用, 可以有效抑制似膏体骨料沉淀, 显著提高充填材料的流动性能, 减少充填材料泌水率。 (3) 把减水剂添加在似膏体中, 能够显著改善充填体的性能, 有利于井下充填, 水泥与粉煤灰质量和的1.7%为添加量最佳值。 (4) 充填体的承载性能在充填体达到强度极限破坏后, 一部分仍能够被维持。

3 似膏体充填系统方案设计

似膏体充填系统工艺流程如图1所示。向采空区充填的材料类为似膏体, 该充填系统由井下破碎系统、似膏体制备系统、充填输送系统和井下采场充填系统4部分组成。

矸石缓冲仓建在10903水平西翼大巷南侧运输石门与排矸斜巷交叉处, 缓冲仓高15 m, 半径2 m, 仓口安设破碎机、溜子、翻车机, 长度为273 m的专用矸石转载巷在矸石缓冲仓下口施工, 转载巷为倾斜布置, 倾角为8°, 直接与10903工作面上副巷连接。长15 m的矸石充填泵站建在10903工作面上副巷, 矸石通过皮带运输机运至充填泵站, 由矿用搅拌机搅拌, 再由改装后的大功率混凝土泵通过输送管道送至工作面采空区。

在回采工作面上顺槽建立一套添加剂充填系统, 使矸石在采空区能够快速凝固。该充填系统由1台大流量注浆泵和1台砂浆搅拌机及储浆池、储水池4部分组成, 该系统可以随工作面推进而向前移动, 为了缩短充填场地与注浆系统的距离, 使该添加剂系统可以随工作面向前移动。

4 泵送矸石似膏体充填工作面开采技术

4.1 10903工作面布置及支护形式

为保证安全生产和充填质量, 10903工作面采用走向长壁后退式布置, 炮采采煤工艺, 每回采3 m, 对采空区进行矸石充填。工作面布置如图2所示, 工作面使用DZ12-30/100单体液压支柱, 单体柱的工作阻力为300 kN, 油缸直径100 mm, 支柱最大支承高度1 200 mm, 支柱最小支承高度800 mm, 工作行程400 mm, 乳化液体积分数为2%～3%。最大控顶距为4.4 m (4排) , 最小控顶距为2.0 m (2排) , 放顶步距2.4 m, 基本支柱的柱距为1.0 m, 密集切顶柱距为0.3 m, 第一排机道支柱排距距煤壁为0.8 m, 其余排距均为1.2 m。

4.2 充填安全技术措施

控顶距要合理, 工作面推采最大控顶距为6.4 m, 最小控顶距为3.2 m;按照“见六充三”顺序充填, 每段充填管路为6 m, 充填管路铺设在刮板机以东第三个支柱空挡内;矸石垛倾斜长度不少于4.0 m, 挡矸墙厚度大于0.6 m;边排用塑料袋封闭, 单体支柱的初撑力不低于50 kN, 在正规支柱中间支设密集支柱;充填完成后, 要及时回柱, 管内残留矸石要及时冲洗。

5 结论

通过对井下泵送矸石似膏体充填开采技术研究与实施, 煤矿绿色开采技术实现了新突破, 为老矿井的再发展提供了技术支持和实践经验。解决了走向长壁充填开采时挡浆困难、生产工序复杂、效率低等技术问题, 形成了机械化的充填系统;按最优配比组合充填体料后, 充填体不仅具有良好的流动性能, 还具有高悬浮性、脱水率低、对管道磨损小等优点;后退式沿空留巷明显减少了充填区回采巷道掘进率, 最大程度提高了煤炭资源回收率。并且有效控制了矿井废水、顶板、煤尘等灾害问题, 也彻底解决了充填区的底板承压水患。

参考文献

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[2]黄玉诚, 孙恒虎, 孙希奎, 等.膏体充填不迁村采煤[J].中国矿业大学学报, 2004 (2)

膏体充填 篇6

关键词：膏体充填,堵管,配料,泵送工艺,管道清洗

河南、河北、山东、安徽、江苏五省压煤的村庄达1 094个,住户11万户,占我国村庄总压煤量的55%以上,仅兖州矿业集团109个村庄压煤就达5.5亿 t[1]。特别是我国东部地区,村庄压煤尤为严重。我国村庄压煤具有量大面广的特点。要解决开采对水资源、土地资源、建筑物等造成的破坏,尤其是当前亟待解决的不迁村采煤问题,应用膏体充填技术是最理想的方法之一。然而,煤矿膏体充填技术由于发展时间较短,技术难度大,因此,还存在一些显著问题。其中以堵管为首,成为制约膏体充填技术发展与应用的瓶颈。目前,国内膏体充填项目发生的大型事故中,堵管事故频率高,损失严重。为此,笔者对膏体充填堵管问题进行了探讨、分析。

1膏体充填工艺流程

膏体充填技术分为以下几步:①材料准备;②配料制浆;③管道泵送;④工作面充填[2]。其中,工作面充填又分为检查准备、实施“浆推水”、轮流充填、实施“水推浆”、结束充填工作等过程[3]。工作面充填过程如图1所示,膏体泵送充填工艺流程如图2所示。

2堵管优化措施

分析发生在膏体充填系统中的堵管问题,应从几个方面去考虑解决方案:①保证配料质量,这是防止堵管的关键,也是保证矿山膏体充填技术成功的前提;②定量给料搅拌制备膏体;③保证合格的输送工艺;④合理的清洗系统也是十分必要的;⑤管路布置中注意弯管的角度等。

2.1保证合理的配料质量

2.1.1配料原则

保证充填料不堵管,需要配置符合标准的膏体,因此,需要了解充填物料的构成原理以及系统对充填料可泵性、流动性的要求。其中,膏体充填料的组成物料很大程度上决定了充填料构成。实验研究结果公认膏体的配料中-20 μm的粒级含量必须大于15%[4],这是一个必要条件。实验表明,作为膏体充填的骨料,矸石需要有合理的粒级,这样才能够使膏体充填材料既具有良好的流动性能,又具有较高的强度性能。因此,对于矸石的破碎加工需要满足以下条件:

(1)矸石粒度满足<25 mm。其与金属矿山所要求的粒度不同的原因:①矸石粒度极限大,可以节约加工矸石的能耗;②矸石粒度极限大,有利于加工设备,如振动筛处理矸石,不易粘结堵塞;③矸石粒度极限大,工作面隔离较容易,可以缩短隔离墙的准备时间,提高有效充填时间,一定程度上提高了充填效率。实验结果表明,用粒度不超过25 mm的矸石制成的膏体同样具有良好的输送性能,并且可以达到浆体不分层、不泌水的要求。

(2)粒度小于5 mm颗粒所占比例40%左右,最少不低于30%,最高不大于50%。

对于利用泵压输送的膏体充填料,只要满足分度层<2.0 cm的要求,就可以长距离输送。而且,即使在管道中有一段静置时间,同样可以顺利启动泵完成输送。据此,针对膏体充填料的配比选择,可遵循以下原则[5]:①具有良好的流动稳定性;②膏体充填强度符合安全生产要求;③膏体充填料应具有可泵性;④膏体充填料的流动性满足充填巷道的流动性要求。

2.1.2充填材料及料浆制备的控制

(1)严格控制充填物料的配比,保证膏体输送浓度合理,搅拌液位平稳,保持稳定流量,以有效避免堵管事故的发生。

煤矿膏体充填材料包括胶凝剂、骨料、化学添加剂等。膏体充填材料中胶结料掺量极少,按一般混凝土的概念,是一种“极贫”混凝土,因此有必要按照设计浓度,参考材料的配比,准确制备充填浆体,保证充填材料的流动性、凝固性等物理化学性能。这样,膏体充填回采工作面才可以达到预期的地表沉陷控制目标。

(2)标准物料的不间断供应,是制备高质量膏体的前提,尤其是对于自动化程度较高的泵送系统,更显得重要。实际生产中,由于砂浆含水量和过渡砂仓料位不同以及渗入物料的不同,导致物料给料量不稳定,而杂物可能导致管道自流输送过程中出现问题。因此,要选用高品质的双螺旋输送机。与此同时,可以先对水泥进行活化搅拌制浆,再投入砂浆搅拌筒。这样,可以避免下灰口糊死的问题,充分发挥水泥的胶结性。另外,还应注意选用高品质的双螺旋搅拌机。双螺旋搅拌机安装在工作装置上,其搅拌装置由双搅拌轴、搅拌叶片组成,双搅拌轴上分别安装正、反旋向螺旋叶片;2个液压马达作为搅拌装置的驱动装置;搅拌筒的筒体上设有进料口、溢流板、出料口、放料口和加水口;出料口与工作装置料斗的空间位置对应设置。

设计搅拌站时应力求简单、便于控制。为实现精确配料,可以借助技术措施:①批次配料,各组成物料在静态条件下称重量取;②选用先进、稳定性能好的高精度称重传感器;③配料系统采用工控微机和PLC可编程控制器控制。

2.2定量给料搅拌制备膏体

煤矿膏体制备大多为连续作业,根据煤矿膏体充填材料的特点,采用周期式混凝土搅拌机强制搅拌。加料、搅拌、出料按周期进行循环作业,因而易于控制物料比和膏体搅拌质量。不合格的膏体进入是造成堵管的主要原因。由于整个流程中,只有间断搅拌才可以调节控制,因此可以在连续搅拌过程中加入一段时间的间断搅拌,这样便于实现分批供料,人工控制搅拌工艺。

定量给料搅拌、制备所需膏体要考虑对环境的影响。由于砂石、水泥、飞灰等干粉物在输送加工及搅拌过程中会产生扬尘,因此,需要加除尘装置。同时应考虑排除污水。定量搅拌制备膏体过程分为:①称量及投放物料(即充填料、称料)同时进行。其中,矸石采用仓下称料斗计量,称好的矸石放入胶带输送机,送到充填楼矸石缓冲斗,粉煤灰、胶结料经过给料机向称量斗中加料;水则通过管路由水泵打到搅拌桶。投完料后即刻关闭各称量斗和矸石缓冲斗闸门。②物料搅拌及放浆根据中国矿业大学实践经验,每次搅拌时间设置为50 s。搅拌达到规定时间,放浆,泵送下井。料浆放完,关闭放浆门。

2.3合格的膏体输送工艺

搅拌桶搅拌均匀的粉煤灰膏体流入充填泵受料斗,经充填泵加压进入充填输送管路。输送管路包括地面管道、钻孔管和井下管等。在充填工作面采用液压转换阀控制采空区充填顺序。需要注意的是,矿井充填需求、充填能力、充填管路的长度、膏体料浆的流速等因素决定了充填泵和充填管的选择。充填泵的操作较简单,但在运行过程中要有专人操作和监管,尤其注意定期清洁,油温不能过高,因而对操作人员的熟练性也有较高要求。充填料浆在管道输送中的一个重要特点是其无临界流速,即可以在很低的流速条件下长距离输送。影响浆体管道临界流速的主要因素是固体物料密度、浆体浓度、输送管径以及颗粒组成。如果膏体的流速过高,料浆流动过程中克服阻力大,管道磨损较严重,而且要求有较高的泵送压力;若流速过小,则膏体流量相应减小,充填能力受限。只有保证合格的泵送工艺,才可以有效预防堵管事故的发生。

2.4合理的管道清洗方案

在矿山充填技术应用中,为防止管道内存留或黏结残渣,保证管道充填输送浆体畅通,常采用以下4种管道清洗的方法:①利用海绵球或橡胶柱清洗;②利用压缩空气加少量清水清洗;③利用非胶结膏体清除管道中的胶结膏;④采用液压变径活塞清除胶结膏体。目前,在煤矿膏体充填系统中,经过多次试验认为,第3种方法对于煤矿膏体泵送系统的管道清洗有较好效果。只有保证管道的清洗效果,才可以有效防止堵管。

2.5其他措施

另外,由于充填管路过长,弯管太多,也会增加所泵送膏体的输送阻力。因此,在铺设充填管路时应尽量将充填井布置在待充填工作面附近,力求井下管路布置直接送达工作面,并且尽可能避免弯锥管,弯管的角度尽可能小。同时,在膏体的泵送过程中,还存在充填管接头不严密产生漏浆的现象,借鉴泵送混凝土的经验,在接头处增加橡胶密封垫圈,这样,可以一定程度上减小泵送阻力,避免堵管。当环境温度较高导致管壁温度很高时,会造成膏体中的水分流失,发生堵管。为了防止此类情形出现,应该对管路浇水降温。

3结语

膏体充填技术符合钱鸣高院士提出的绿色开采理论,可以有效解决“三下”压煤的问题,防止采空区塌陷,其经济、社会效益良好。为了保证煤矿膏体充填的质量,必须严格按照技术要求,配置合格的浆料。同时,合理选择泵送工艺及清洗管路方法也是有效防止堵管事故的重要措施。

参考文献

[1]周华强,侯朝炯,孙希奎,等.固体废物膏体充填不迁村采煤[J].中国矿业大学学报2,004(3):154-158.

[2]瞿群迪,周华强,侯朝炯,等.煤矿膏体充填开采工艺的探讨[J].煤炭科学技术2,004,32(10):67-69.

[3]王新民,肖卫国,张钦礼.深井矿山充填理论与技术[M].长沙:中南大学出版社,2005.

[4]周爱民.矿山废料胶结充填[M].北京:冶金工业出版社,2007.

膏体充填 篇7

关键词：矿井,膏体充填,远程监控,WinCC,数据库连接

0 引言

膏体充填是把煤矿附近的煤矸石、粉煤灰、炉渣、劣质土、城市固体垃圾等固体废物在地面加工成无临界流速、不需脱水的膏状浆体, 再利用充填泵或重力作用通过管道输送到井下, 适时充填采空区的采矿方法。最早采用该方法的是德国的伦德铅锌矿。近年来, 国内专家日益关注此项技术。膏体充填技术用于煤矿系统, 能保证在地面建筑损害极轻微或轻微的条件下, 大幅度地提高地下煤炭资源的利用率, 延长矿井的服务年限, 同时减少煤矿开采对于区域生态环境的破坏。另外, 充填过程可使用大量的固体废弃物, 减少了固体废弃物堆置所占用的土地面积。由于各个矿区的地理情况不一样, 充填材料也各有不同, 故有必要针对各种充填材料进行实验, 以确定最佳的物料配比, 满足充填的要求。

充填控制是井下膏体充填技术的关键环节, 直接影响充填的效果。井下膏体充填系统的设备常工作在比较恶劣的环境中, 所处环境粉尘大, 空气湿度相对较高, 操作分散, 因而对充填控制系统工作的安全性、可靠性、维护简便性要求较高。采用可靠性较高的PLC电气控制系统是比较好的解决方案, 同时, 采用上位机解决膏体充填系统监控及数据管理等问题。在众多的上位机组态软件中, WinCC是一个通用的、全面开放的系统, 可用于自动化领域中所有的操作员控制和监控任务。WinCC可将生产过程中的状态以图象、文字、棒图、曲线和报警形式清楚地表达出来, 同时能够将所发生的事件、过程数据记录下来, 供历史数据查询使用, 还可以组态打印报表, 按时间或事件触发打印, 功能强大[1]。本文重点介绍基于WinCC组态软件的井下膏体充填系统上位机的设计与实现。

1 井下充填系统硬件组成和原理

整个充填系统由上位机和下位机组成, 如图1所示。上位机选用台湾研华工控机和西门子组态软件WinCC 6.0, 工控机通过CP5611通信卡作为Profibus网络上的一个节点按MPI协议与PLC通信, 以数字、图形或表格等形式动态实时地显示系统运行状态、发布指令、报警等信息。下位机选用西门子S7-300 PLC对现场设备 (如变频器和各种仪表) 进行数据采集和控制。现场设备也可以作为Profibus网络上的节点。

井下膏体充填系统可根据要求的充填强度配制膏体的密度、粘度, 制造出合适的充填材料。在控制过程中, 煤灰、混合料、胶结料和水的配比等参数之间关系密切, 任何一个成分的变化都会直接影响最终的充填效果。因此, 在充填过程中, 必须控制管道上的压差等量, 以保证出口膏体顺利充填。

本系统可实时监控充填过程, 并具有自动调节功能。它将膏体充填过程中各参数采集到上位机WinCC对应的过程变量中, 由WinCC进行统一管理, 给出当前系统各部分的运行状态和变化趋势, 并和Access数据库实时连接, 将充填过程中比较重要的参数记录到后台数据库中, 以便工作人员更好地调节配比, 完成充填任务。

2 井下膏体充填系统上位机设计

2.1 通信组态

启动WinCC, 建立一个新项目, 在树形视窗中的“Tag Management”一项中选择“SIMATIC S7 Protocol Suite”系列的驱动程序进行连接, 建立与PLC的握手信号, 在相应PLC的握手信号下建立外部变量。WinCC变量分为外部变量和内部变量, 其中外部变量用于与 PLC通信, 它连接PLC的内存位置, 是操作员要监视的生产过程数据。通过读写外部变量, WinCC可以将相关过程数据读入监控计算机, 并以数字、图形或表格等方式显示, 也可以将操作员发出的命令传送到PLC上, 实现远程监控。内部变量连接WinCC的内存位置, 可以作为中间变量, 起到数据传输和在软件调试阶段暂时代替外部变量的作用[2]。

2.2 画面组态

整个充填系统的上位机监控画面包括低压供电系统、供水系统、信号采集、数据查询、故障报警等部分。在每个部分中包含若干个组态画面, 以表格、I/O窗口等形式监控现场数据, 如图2所示。在系统运行过程中, 若出现蓄水池水位、粉煤仓料位异常、电动机过热过流等现象, 画面中相应系统的图形会以闪烁或变色的状态向操作员报警, 避免发生意外情况。上位机监控主界面如图3所示。

2.3 动态连接数据库

虽然WinCC处理数据的能力很强大, 但它只能定时地打印报表, 且报表格式单一, 因此具有一定的局限性。而企业的管理部门和生产技术部门则希望报表系统具有统计、分析、查询等更多功能, 同时能辅助管理决策, 但这些是WinCC无法实现的。因此, 将后台数据库的报表功能和WinCC系统对实时数据的采集、归档等功能结合起来, 编制出一个报表数据库管理系统, 为生产提供有效的决策支持, 也是本充填系统控制中的一个重要环节。图4为WinCC与不同软件连接的示意图。

WinCC可在全局脚本中通过VB对数据库进行调用和访问。本系统数据库采用Access 2000、通过ADO数据访问技术存取Access数据库, 触发组态为250 ms, 即每250 ms周期将PLC采集的数据量存储到Access 里面去。下面给出了整个WinCC接连Access全局VB脚本程序[3]。

激活项目以后, 系统会实时地把过程量保存在Access数据库里面, 工作人员可以随时调用查询。

3 结语

本文介绍的基于WinCC的井下膏体充填系统自投入使用以来, 工作性能稳定, 监控界面良好, 方便了工作人员对整个充填系统的监控, 保证了充填系统的连续性;软件实时记录数据的功能让工作人员可根据充填的具体情况改变充填的参数, 提高了充填的效率。该系统易于安装、维护和使用, 兼容性好, 有较高的应用和推广价值。

参考文献

[1]苏昆哲.深入浅出西门子WinCC V6[M].北京:北京航空航天大学出版社, 2004:5~7.

[2]王华强.WinCC 6.0中用户归档在高炉上料中的应用[J].世界仪表与自动化, 2005, 9 (7) :30~32.

膏体充填 篇8

关键词：似膏体充填体,早期强度,凝石,浓度

目前我国煤炭开采每年排出地下水约22亿m3[1] , 导致地面塌陷面积累计已达约50万hm2[2] , 每年新形成地面塌陷约3万hm2。面对煤炭开采造成的严重问题, 钱鸣高院士等提出了绿色开采的理念并对其技术框架进行了深入研究。采空区充填开采技术是煤矿绿色开采的主要内容之一[3,4] 。我国过去较多采用的水砂充填技术, 存在料浆制备和输送工艺复杂、料浆于井下大量脱水、污染井下环境并大量增加排水费用等问题。金属矿山应用较多的膏体充填技术, 充填料浆浓度高, 井下脱水少, 基本不增加排水费用, 但因料浆制备和输送困难、主要设备需要进口等原因, 使其在更广泛领域的推广受到了限制。孙恒虎教授领导的课题组创造性地提出了“似膏体充填”新技术。似膏体充填料浆的浓度低于膏体充填而高于水砂充填料浆, 一般为72%~78%;料浆制备和输送工艺简单, 一般不需进口设备, 料浆的脱水率稍高于膏体而远低于水砂充填。由于使用特殊的胶凝材料且固体物料的选择实现了粗细颗粒的合理搭配, 料浆固化后形成的充填体强度高。

煤炭充填开采工艺过程中, 充填工作紧随工作面推进, 要求充填体在短时间固化后产生的早期强度要达到自立, 并能够对顶板有适当的支撑作用。在此对似膏体充填体的早期强度进行试验研究并对试验结果进行一定的理论分析。

1 似膏体充填材料的选择

对似膏体充填材料总的要求是:数量足, 质量好, 安全可靠, 价格低。具体确定似膏体充填材料的组成要遵循以下几条基本原则:

1) 满足输送工艺的要求。

为降低输送成本, 充填料浆一般采用管道输送, 所以充填料浆的流动性必须满足管道输送的要求。

2) 充填成本低。

胶凝材料的成本是充填材料成本的主要部分, 选用合适的胶凝材料, 降低胶凝材料的用量, 以及充分利用其他廉价材料都是降低充填成本的有效途径。

3) 充填体强度必须满足采矿工艺的要求。

充填体充入采空区后经过一定时间的凝结固化, 按既定工艺顺序拆除模板时, 充填体必须能够自立, 而且后期强度也必须满足其作为顶板或底板的要求。

4) 充填体脱水率低, 沉缩率小。

充填体脱水首先造成井下工作环境污染, 增加矿井排水成本;同时, 脱水造成充填体沉缩, 接顶效果差, 不利于对顶板岩层的有效控制。

5) 料浆的制备工艺简单。

在料浆的制备环节中, 相应的料浆制备系统越简单, 充填料浆的配合比越容易控制, 其初期投资也越小, 因此, 在满足其他原则的前提下, 制备料浆所用的充填材料种类宜少。

依据以上要求和原则, 并结合山东某矿的具体条件, 确定充填集料选择河砂和粉煤灰, 其中河砂作为粗集料, 粉煤灰作为细集料。胶凝材料选用清华大学孙恒虎教授发明的凝石。凝石是利用火山灰成岩原理和岩石矿物学理论相似模拟演示成岩条件, 在主体材料 (矿渣、粉煤灰等工业固体废弃物) 中加入少量成岩剂所获得的能够在常温常压条件下聚合而成的类天然岩石的生态胶凝材料。凝石以固体排放物为主体原料, 既可实现固体排放物的综合利用, 降低充填成本, 还可以解决水泥行业高污染及原生资源短缺问题[5,6] 。目前凝石已大量用于道路混凝土路面工程、建筑结构工程、采矿充填工程、水利工程、海洋工程, 以及混凝土预制件等的生产或应用研究[7,8,9,10,11] 。

2 似膏体充填体早期强度的试验

2.1 试验设计

影响似膏体充填体早期强度的因素很多, 如胶凝材料类型及含量、料浆质量浓度、集料类型及颗粒级配、养护温度及龄期, 拌和水的性质 (如磁处理改变活性) 等。首先对比研究普通水泥和凝石分别作胶凝材料对充填体强度的影响, 采用32.5#普通硅酸盐水泥和32.5#凝石。料浆配比:质量浓度78%, 胶凝材料含量4%, 粉煤灰含量20%, 河砂含量54%。分别测定充填体8 h及1, 3, 7, 28 d单轴抗压强度。重点研究料浆浓度和凝石含量对似膏体充填体8 h抗压强度的影响。采用的料浆配比:质量浓度取76%, 77%和78% 3个水平, 凝石含量取3%, 4%和5% 3个水平, 粉煤灰含量均为20%, 共9个配合比。试件规格为70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm, 养护温度全部为20 ℃, 拌和水全部为自来水。

2.2 试验结果及分析

用普通水泥和凝石分别作胶凝材料的充填体在8 h及1, 3, 7 d的强度变化情况见图1。以凝石作胶凝材料的不同料浆浓度和不同凝石含量的似膏体充填体固化8 h的强度试验结果见图2。

由图1可见, 在各个龄期, 以凝石作胶凝材料的充填体抗压强度均高于以水泥作胶凝材料的充填体抗压强度, 其根源在于凝石和水泥的水化固结机理不同。凝石技术是利用各种经过高温过程的固体废弃物中已聚集的内能, 在成岩剂的作用下形成类岩石相的非晶或微晶态的硅酸盐网络聚合物, 并溶蚀各种被固结的硅酸盐颗粒表面, 将其“焊接”在一起形成类岩石结构体。其结合的化学力是共价键。由于“焊接”的作用, 其固结体不但具有很高的强度, 而且还具有不溶出、耐酸、耐碱、耐盐, 体积稳定和耐久等特点。作为对比, 水泥是靠C3S, C2S, C3A, C4AF等高钙矿物在水中发生水化形成C-S-H凝胶及较高结晶态的水化矿物。其中以C-S-H凝胶起主要胶凝作用。C-S-H凝胶是众多低结晶度的水化硅酸钙矿物的混合体。这些矿物单体不但具有很低的结晶度, 而且有极小的晶体尺寸, 多在胶体尺寸范围内, 这种极小尺寸、极低结晶度晶体组成的C-S-H凝胶具有很高的表面能, 对各类无机颗粒都具有很强的“黏结”能力。普通的水泥混凝土正是依靠这种“黏结”能力将砂子和石子“黏结”在一起。这种“黏结”一般被认为是范德华力在起作用, 但较高强度的“黏结”需要在每一个被黏结的颗粒周围都形成一定厚度的包裹层。如果包裹层不完整, 就会使黏结体的强度大幅度下降。在充填体中, 胶凝材料用量较少, 且早期水化程度也较低, 因此以普通水泥为胶凝材料的充填体强度较低。

由图2可见, 似膏体充填体固化8 h达到的强度随料浆质量浓度及凝石含量的增加而呈近似线性增加。以8 h强度为因变量, 料浆浓度和凝石含量为自变量对试验结果进行回归分析, 可得8 h强度R8 h/MPa与凝石用量c/%和料浆质量浓度d/%的关系式:

R8 h=-1.072+0.018 5c+0.015d (显著性水平α=0.01) (1)

由式 (1) 可见, 充填体8 h强度与凝石用量和料浆浓度线性相关, 且料浆浓度的系数和凝石含量的系数接近。这一结论对确定现场充填料浆的配比具有重要指导意义。对于料浆输送距离短, 阻力小, 易于输送的矿井, 为降低充填成本, 可减少胶凝材料用量并同时提高料浆浓度以保证一定的强度。而对于输送距离长, 阻力大, 输送困难的矿井, 为提高管道输送系统的可靠性, 可降低料浆浓度, 同时适当增加胶凝材料用量以保证一定的强度。

3 结论

1) 凝石作为新型胶凝材料, 在煤矿充填开采中使用具有比普通水泥更高的早期强度。

2) 似膏体充填体固化8 h达到的强度随料浆质量浓度及凝石含量的增加而呈近似线性增加, 而且料浆浓度和凝石含量对似膏体充填体的8 h强度具有近似相等的贡献。

3) 煤矿充填开采增加了地面充填系统及井下生产工序, 相应增加了生产的主动投资。但充填开采有助于保护环境并改善煤矿安全状况, 因此, 在环境脆弱、地质条件复杂、安全状况较差的矿区发展充填采煤更具现实意义。

参考文献

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