泵送石膏體充填采煤工藝在林下壓煤中的應(yīng)用

泵送石膏體充填采煤工藝在林下壓煤中的應(yīng)用

中國煤炭資源分布廣泛，“三公”（建筑下、水下和鐵路下）壓煤較多。要實(shí)現(xiàn)“綠色開采”，必須大力發(fā)展煤礦開采技術(shù)。1試驗(yàn)計(jì)劃1.1試驗(yàn)背景王河煤礦位于滎陽市西南部劉河鎮(zhèn)境內(nèi),在滎鞏煤田的中部,井田邊界為東起114勘查線,西至85勘查線,北以一1.2試驗(yàn)材料和試驗(yàn)部件的制備1.2.1物料配比方案確定在研究充填材料理化性質(zhì)及充填開采對充填體性能要求的基礎(chǔ)上,本項(xiàng)目初步確定“煤矸石+粉煤灰+水泥”的物料搭配方案,煤矸石為粗骨料,粉煤灰為細(xì)集料,水泥為膠結(jié)劑。為了縮短充填體的凝固時(shí)間,采用水玻璃作為添加劑(速凝劑)。其中煤矸石來自王河煤礦,王河煤礦一1.2.2煤石的破碎和粉磨處理試件由煤矸石、粉煤灰、水泥和水玻璃依不同比例配制而成,首先對王河礦煤矸石進(jìn)行篩分處理,剔除大塊矸石,留下粒徑小于25mm的矸石進(jìn)行破碎和粉磨處理,實(shí)驗(yàn)室配制煤矸石比例按照5mm以下占40%,5～25mm占60%(4∶6)進(jìn)行。配比后的矸石與水、粉煤灰、水泥和水玻璃,依不同比例在攪拌機(jī)中攪拌均勻,攪拌均勻后取出物料注入鋼模具中筑型,24h后拆模,制成180mm×180mm×180mm的正方體試件,試件在室內(nèi)養(yǎng)護(hù)若干時(shí)間后進(jìn)行單軸壓縮力學(xué)實(shí)驗(yàn)。1.3充填體強(qiáng)度及凝結(jié)時(shí)間的一般規(guī)律一般來說,衡量充填料漿質(zhì)量好壞的技術(shù)指標(biāo)主要有三個(gè):流動性、強(qiáng)度、凝結(jié)時(shí)間。塌落度越大,說明料漿流動性越好。充填體強(qiáng)度一般指充填體的單軸抗壓強(qiáng)度,它反映了充填體對頂板及圍巖的支撐和支護(hù)能力。充填體強(qiáng)度分為早期強(qiáng)度和后期強(qiáng)度,早期強(qiáng)度一般為充填料漿3d和7d的抗壓強(qiáng)度,后期強(qiáng)度一般為充填膏體14d和28d的強(qiáng)度。水泥的凝結(jié)時(shí)間分為初凝時(shí)間和終凝時(shí)間兩種。結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和王河煤礦實(shí)際情況,初凝時(shí)間設(shè)定為1h,終凝時(shí)間確定為24h。2充填膏體強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)在對矸石膠結(jié)充填材料配比分析時(shí),分別將粉煤灰、水泥作為單一變量,以填充膏體的凝結(jié)時(shí)間、塌落度、抗壓強(qiáng)度作為參考數(shù)據(jù)逐個(gè)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。具體過程如下。2.1粉煤灰的凝凝性本實(shí)驗(yàn)中,煤矸石添加量根據(jù)相應(yīng)粉煤灰添加情況進(jìn)行配比;水分添加比例為13%;充填料漿質(zhì)量濃度為85%;水玻璃添加比例為2.5‰;水泥添加按照礦方經(jīng)驗(yàn)參數(shù)10%進(jìn)行。分析粉煤灰添加比例分別為1%、8%、15%、22%時(shí)充填材料的凝結(jié)時(shí)間、塌落度和抗壓強(qiáng)度的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1、圖2和圖3所示。通過對實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析可知:1)凝結(jié)時(shí)間分析。隨著粉煤灰添加比例增大,初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均減小。粉煤灰的比例從1%增加到8%時(shí),初凝時(shí)間和終凝時(shí)間減小的幅度較大,隨著粉煤灰比例進(jìn)一步增加,初凝時(shí)間和終凝時(shí)間減小的幅度變小。對于充填開采,初凝時(shí)間要求不低于1h,終凝時(shí)間不超過24h。因此,粉煤灰比例不低于8%即可滿足要求。2)塌落度分析。隨著粉煤灰添加比例增大,塌落度增大。粉煤灰的比例從1%增加到8%時(shí),塌落度增大的幅度較大,隨著粉煤灰比例進(jìn)一步增加,塌落度增大的幅度變小。對于充填開采,塌落度要求不低于20cm,因此,粉煤灰比例不低于8%即可滿足要求。3)強(qiáng)度分析?？傮w上看,隨著粉煤灰比例的增大,充填體抗壓強(qiáng)度增大。粉煤灰的比例從1%增加到8%時(shí)的抗壓強(qiáng)度增大的幅度要大于8%～15%強(qiáng)度時(shí)的增大幅度,而且14d和28d強(qiáng)度增大幅度要明顯大于3d和7d的強(qiáng)度,說明粉煤灰的添加對后期強(qiáng)度影響較大。結(jié)合實(shí)際開采對充填體的強(qiáng)度要求可知,粉煤灰比例為8%及以上時(shí)符合要求。2.2水玻璃對充填體強(qiáng)度的影響本實(shí)驗(yàn)中,煤矸石添加量根據(jù)相應(yīng)水泥添加情況進(jìn)行配比;水分為13%;粉煤灰添加比例為8%;充填料漿質(zhì)量濃度為85%;水玻璃添加比例為2.5‰。分析水泥添加比例分別為3%、5%、7%、12%時(shí)充填材料的凝結(jié)時(shí)間、塌落度和抗壓強(qiáng)度的變化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4～圖8所示。1)凝結(jié)時(shí)間分析。從圖4、圖5分析可知,無論是否加入水玻璃,初凝時(shí)間和終凝時(shí)間均隨著水泥含量的增大而減小;當(dāng)加入2.5‰的水玻璃后,初凝時(shí)間和終凝時(shí)間縮短40%左右,可見水玻璃對縮短凝結(jié)時(shí)間作用顯著。可以看出,要使充填料盡早凝固,及時(shí)支撐頂板,加入適量的添加劑效果較好。通過實(shí)驗(yàn)可知,加入2.5‰的水玻璃可以大幅縮短凝結(jié)時(shí)間,有利于提高充填速度。2)塌落度分析。從圖6可以看出,無論是否加入水玻璃,塌落度隨著水泥含量的增大而增大,增大的幅度逐漸變小;當(dāng)加入水玻璃后,塌落度增大更明顯,但隨著水泥比例的增加,塌落度增大的幅度減小,這說明隨著水泥比例的增加,水玻璃對塌落度影響減小。不加水玻璃時(shí),水泥含量7%、12%才符合要求,而加入2.5‰的水玻璃后,各水泥比例的塌落度均滿足要求。3)強(qiáng)度分析。從圖7、圖8可以看出,無論是否加入水玻璃,隨著水泥比例的增大和養(yǎng)護(hù)時(shí)間的延長,充填體強(qiáng)度均增大;不加水玻璃時(shí),水泥比例為12%時(shí)充填體強(qiáng)度明顯高于比例為3%、5%、7%的強(qiáng)度。加入2.5‰水玻璃后,各齡期充填體強(qiáng)度均有提高,且可以看出,水玻璃對充填體后期強(qiáng)度的影響(增大)比早期強(qiáng)度更顯著。結(jié)合王河煤礦充填開采對充填強(qiáng)度要求,加入2.5‰的水玻璃后,水泥比例在3%以上均滿足要求。3石膠結(jié)充填材料配比方案1)通過對膏體充填材料配比實(shí)驗(yàn),得出充填材料不同配比的情況下,充填膏體的性能也不盡相同。在滿足安全生產(chǎn)并應(yīng)盡可能提高充填膏體性能、降低成本的前提下,得出了煤矸石中添加粉煤灰、水泥和水玻璃的比例分別為8%、3%和2.5‰。此配比既有利于廢物利用,同時(shí)也降低了水泥等材料的消耗,還達(dá)到了現(xiàn)場充填材料強(qiáng)度等指標(biāo)的要求。2)井下泵送矸石膠結(jié)充填材料中主要組分為煤矸石、粉煤灰、水玻璃和水泥。其中粉煤灰和水泥的用量對充填膏體整