閆善飛，史艷楠，3，王翰秋，4，王毅穎，2

(1.河北工程大學(xué)，河北 邯鄲 056038；2.河北省煤炭生態(tài)保護(hù)開采產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院，河北 邯鄲 056038；3.邯鄲市智能車輛重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，河北 邯鄲 056038；4.中煤能源研究院有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

隨著許多優(yōu)質(zhì)和可便采煤炭資源的利用，部分礦井已臨近枯竭，為了避免停產(chǎn)，計(jì)劃開采“三下”煤炭資源，固體充填采煤法正是解決上述問題的一種關(guān)鍵技術(shù)[1，2]。作為一種主動(dòng)保護(hù)生態(tài)環(huán)境的方法，它具有煤炭資源采出率高，地表沉陷變形小等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)還能解決煤矸石等固體廢棄物對(duì)環(huán)境造成污染的問題[3-5]。在固體充填開采過程中，密實(shí)充填率則是衡量充填效果的一個(gè)重要參數(shù)。一般情況下矸石都處于散體狀態(tài)，其本身并不具備整體性[6]，從而影響充填效果。因此為了提高密實(shí)充填率，減小地表沉陷，許多礦山充填開采都以水泥作為膠凝材料，使得充填采煤成本一直居高不下，且受限于充填采煤工藝復(fù)雜，生產(chǎn)效率低等問題，實(shí)際應(yīng)用效果并不理想。據(jù)統(tǒng)計(jì)，充填成本已占采礦資源成本的30%左右，其中膠凝材料的成本就約占充填材料總成本的80%以上。所以探尋一種可以替代水泥的膠凝材料已成為煤炭充填開采的重要研究方向之一。

近年來，一些學(xué)者就固體充填采煤進(jìn)行了大量的研究。文獻(xiàn)[7]中通過加入粉煤灰這種火山灰活性物質(zhì)，研究與矸石之間的物理化學(xué)特性，通過配比優(yōu)化試驗(yàn)，確定出二者最佳配比，結(jié)果表明該充填物料對(duì)上覆巖層起到支撐效果。文獻(xiàn)[8]中通過加入適量的黃土，在一定程度上增加了充填體的膠結(jié)性。因此，科學(xué)地選擇充填膠凝材料，緩解煤礦企業(yè)充填成本問題，已成為煤炭充填開采技術(shù)的關(guān)鍵。文獻(xiàn)[9-13]發(fā)現(xiàn)高爐礦渣具備較強(qiáng)的火山灰活性，且在堿性環(huán)境中可以更好地激發(fā)礦渣粉的潛在活性。文獻(xiàn)[14，15]通過研究水泥熟料、礦粉、石膏的水化產(chǎn)物以及作用機(jī)理，發(fā)現(xiàn)在三種物料協(xié)同作用下，形成水硬性鈣礬石和C-S-H凝膠，為膠結(jié)體提供了強(qiáng)度支撐。以上研究為水泥熟料-礦粉-石膏復(fù)合膠凝材料應(yīng)用于煤礦固體充填指明了方向，同時(shí)為了控制固體充填材料成本和提高充填材料的物理性能，對(duì)煤矸石粒徑級(jí)配以及膠凝材料的固化機(jī)理進(jìn)行了探討，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了關(guān)于膠凝材料早凝特性的矸石充填體配比試驗(yàn)。

1 試驗(yàn)材料特性分析

1.1 充填骨料

大量的實(shí)驗(yàn)表明：煤矸石粒徑過大將會(huì)使充填體產(chǎn)生較大孔隙率以及無法保證充填密實(shí)度，影響最終的充填效果；煤矸石粒徑過小則會(huì)增加多級(jí)破碎成本。在實(shí)驗(yàn)室，通過簡易的破碎設(shè)備和分級(jí)篩(40mm、20mm、10mm、5mm、2mm、1mm)對(duì)已破碎的煤矸石進(jìn)行篩分，并對(duì)各個(gè)區(qū)間的質(zhì)量占比進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。通過文獻(xiàn)[16-18]以及實(shí)驗(yàn)室篩分統(tǒng)計(jì)結(jié)果，將矸石粒徑分為3級(jí)：A：0mm<φ≤5mm；B：5mm<φ≤10mm；C：10mm<φ≤20mm，并將矸石粒徑比初步定為A∶B∶C=1∶6∶3。其中粗粒徑矸石在壓縮過程中起到骨架的作用，細(xì)物料則可用于對(duì)粗料骨架的空隙進(jìn)行填充，有效地保證了充填體的密實(shí)性。

1.2 膠凝材料及其化學(xué)成分

本次試驗(yàn)采用的膠凝材料成分為礦粉、石膏和硅酸鹽熟料。其中主要原料礦粉是礦石冶煉后的殘余物，又稱?；郀t礦渣粉，其本身屬于固體廢棄物，試驗(yàn)研究結(jié)果表明其具有水硬特性，加水后可緩慢硬化[19]。從降低煤炭企業(yè)充填成本和對(duì)工業(yè)廢棄物資源再利用的角度出發(fā)，研發(fā)以礦粉為主要膠凝材料用于礦山充填具有極其重要的戰(zhàn)略意義。石膏在該膠凝材料中起重要作用，是充填體強(qiáng)度、初凝時(shí)間、微膨脹的核心組分，它能夠調(diào)節(jié)水化過程，并且與水泥熟料和礦粉中的活性A12O3反應(yīng)形成鈣礬石，從而促進(jìn)了充填體膠凝成型以及早期強(qiáng)度的形成[20]。熟料起到堿激發(fā)的作用，只有在熟料適量的情況下，才能更好的激發(fā)礦粉活性，生成更多的水化產(chǎn)物，最終實(shí)現(xiàn)固體充填體早強(qiáng)早硬。

采用這幾種物料與煤矸石作為固體充填的組成部分，在降低充填成本的同時(shí)，還能實(shí)現(xiàn)固體廢棄物再利用，實(shí)現(xiàn)了煤炭企業(yè)綠色發(fā)展，做到了礦區(qū)煤炭資源開發(fā)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)和諧發(fā)展的新模式。膠凝材料的化學(xué)成分分析見表1。

表1 原材料化學(xué)成分分析 %

1.3 充填材料固化機(jī)理

對(duì)于整個(gè)充填體而言，煤矸石屬于惰性材料，不參與反應(yīng)。其粒徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于水泥熟料、石膏以及礦粉等粉體材料，只是在粉體材料發(fā)生水化反應(yīng)后，產(chǎn)生膠結(jié)性物質(zhì)進(jìn)而形成一個(gè)整體。

充填膠凝材料的固化機(jī)理主要是指熟料、礦粉、石膏與水發(fā)生水化反應(yīng)，生成C-S-H凝膠，以及水硬性鈣礬石(AFt)，生成物C-S-H在常溫下呈凝膠狀物質(zhì)。整體反應(yīng)如下[21]：

3CaO·SiO2+nH2O→xCaO·SiO2·yH2O+

(3-x)Ca(OH)2

Al2O3+3Ca(OH)2+3(CaSO4·2H2O)+23H2O→

3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O(AFt)

2 試驗(yàn)方法

將矸石分別與熟料、礦粉以及石膏按比例混合，加入水通過攪拌機(jī)在桶內(nèi)攪拌1～2min混合均勻后，然后倒入?150mm的模具中，進(jìn)行加壓并刮平表面。由于有早凝要求，0.5h內(nèi)定期觀察充填體凝固狀態(tài)(以脫模后充填體不大面積垮落為標(biāo)準(zhǔn))。將脫模后的實(shí)驗(yàn)體放入恒溫恒濕(溫度為20±2℃，濕度為95%)養(yǎng)護(hù)箱中，根據(jù)要求養(yǎng)護(hù)至不同齡期，達(dá)到養(yǎng)護(hù)時(shí)間后，對(duì)實(shí)驗(yàn)試塊進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)試。為了節(jié)省材料和提高試驗(yàn)效率，試驗(yàn)采用正交設(shè)計(jì)。

2.1 試驗(yàn)配比

基于前期大量探索性試驗(yàn)結(jié)果，同時(shí)為了節(jié)約材料，最大程度上地利用煤矸石進(jìn)行試驗(yàn)。初步將水膠比定位1∶2，膠矸比1∶10。其中，膠凝材料成分為水泥熟料15%，石膏5%，礦粉80%，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的試驗(yàn)，相應(yīng)充填體7d抗壓強(qiáng)度為2.22MPa，且在15min基本成型。

為了進(jìn)一步探究膠凝材料成分對(duì)充填體強(qiáng)度的影響，本實(shí)驗(yàn)采用了3因素(水泥熟料、礦粉、石膏)3水平正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)方案。試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果見表2。由表2可以得到：當(dāng)石膏摻量為5%時(shí)，其強(qiáng)度均大于摻量為3%和7%時(shí)的強(qiáng)度，可以將石膏摻量5%定為合理參數(shù)。另外隨著水泥熟料摻量的增加，充填體強(qiáng)度有明顯的增加趨勢(shì)。由此可知，水泥熟料在活化礦粉性能進(jìn)而提高充填體強(qiáng)度有著顯著作用，因此為了探究最優(yōu)的膠凝材料配比，仍需要進(jìn)一步試驗(yàn)。

表2 膠凝材料充填體強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果

2.2 熟料摻量對(duì)比試驗(yàn)

為了研究不同熟料摻量對(duì)膠凝充填體強(qiáng)度的影響，在確定石膏摻量的前提下，通過提高熟料的摻量，做了以下對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 水泥熟料摻量對(duì)比試驗(yàn)

結(jié)合表2和表3可以看出，當(dāng)水泥熟料摻量為25%時(shí)，矸石膠結(jié)充填體的強(qiáng)度性能達(dá)到最佳，7d、28d強(qiáng)度分別達(dá)到了3.48MPa、5.11MPa。由此可見，礦粉在適度的堿性環(huán)境中可以被激發(fā)活性，能夠不斷反應(yīng)生成水硬性鈣礬石(AFt)。其中OH-鍵可以使礦粉中的硅氧四面體和Ca-O鍵解聚，形成SiO32-和Ca2+離子，進(jìn)而可以結(jié)合形成C-S-H凝膠。但當(dāng)膠凝材料的堿性度過高時(shí)，對(duì)礦粉的活性并沒有起到提高作用，反而對(duì)應(yīng)的膠凝充填體強(qiáng)度有所降低。依據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，得出膠凝材料的最佳配比為：水泥熟料摻量25%、礦粉摻量70%、石膏摻量5%。

2.3 縱向?qū)Ρ仍囼?yàn)

為了驗(yàn)證該膠凝材料強(qiáng)度性能，從市面買取425#硫鋁酸鹽快凝快硬水泥作為試驗(yàn)對(duì)比，按照水膠比1∶2，膠矸比1∶10，在標(biāo)準(zhǔn)恒溫恒濕養(yǎng)護(hù)箱分別養(yǎng)護(hù)至7d、28d。通過微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)測(cè)得7d、28d抗壓強(qiáng)度。試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表4。由表4可以得到：相同齡期采用425#雙快水泥所做充填體的抗壓強(qiáng)度略高于所研究膠凝材料的強(qiáng)度，但初期早凝效果略差，出現(xiàn)小面積塌落。

表4 縱向試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

根據(jù)當(dāng)前市場(chǎng)調(diào)研，熟料成本380元/t，石膏成本40元/t，礦粉成本300元/t，最終膠凝材料的總成本為307元/t，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于425#硫鋁酸鹽快凝快硬水泥成本。由此可以得到該膠凝材料可以滿足礦山充填采煤早凝、低成本的需求。

3 工業(yè)性應(yīng)用

3.1 礦井概況

東曲礦位于山西省古交市，是山西焦煤西山煤電集團(tuán)下轄的主力生產(chǎn)礦井之一。該礦28802工作面位于麻坪嶺村莊東南，埋深232～313m，地面標(biāo)高1050～1173m，工作面標(biāo)高818～860m。工作面走向長度920m，傾向長度120m，傾角0°～10°，煤厚4.2～6.6m，工作面頂?shù)装鍘r性見表5。

表5 工作面頂?shù)装鍘r性

3.2 實(shí)施路線

依據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)獲得的結(jié)果以及該礦28802充填工作面井下現(xiàn)有生產(chǎn)系統(tǒng)，將煤矸石、膠凝材料、水按照10∶1∶0.5的比例混合后，經(jīng)過多部轉(zhuǎn)載機(jī)帶式輸送機(jī)便可將矸石與膠凝材料混合均勻，最后輸送到充填區(qū)域，經(jīng)液壓支架夯實(shí)機(jī)構(gòu)反復(fù)擠壓推實(shí)成型，實(shí)現(xiàn)對(duì)充填材料的密實(shí)加固。充填工作面固體充填材料的輸送總路線為：將洗選出的矸石存放至新建的洗矸倉→從洗矸倉通過管狀帶式輸送機(jī)輸送到井口返矸倉→將物料混合后通過返矸斜井連接至工作面巷道→最后到達(dá)采空區(qū)工作面進(jìn)行充填，如圖1所示。

圖1 充填物料輸送路線

3.3 應(yīng)用效果分析

3.3.1 充填效果評(píng)測(cè)

該礦原本的充填物料為洗煤廠的洗矸，矸石之間容易產(chǎn)生滑移，每臺(tái)液壓支架后方采空區(qū)充填矸石需要推壓8～9次才能充實(shí)，且受部分頂板破碎影響，出現(xiàn)矸石多次滑落，不易接頂，致使充填效率低下。基于上述實(shí)施路線，將膠凝材料按比例與矸石、水混合后輸送至采空區(qū)后經(jīng)夯實(shí)成型，每架充填矸石夯實(shí)機(jī)構(gòu)推壓次數(shù)縮短至4～5次，且推壓后安息角大于80°，效率提高了至少1/3，同時(shí)也加強(qiáng)了對(duì)于頂板控制。且在次日下井觀察時(shí)，改性后的充填體整體性較高。

為了能直觀反映充填效果，對(duì)該礦矸石返矸量與采煤量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算出此期間的密實(shí)充填率。密實(shí)充填率對(duì)巖層移動(dòng)變形起著關(guān)鍵作用，充填率越大，表明充填效果越好，上覆巖層的可移動(dòng)空間也就越小，引起的地面沉陷變形也就越小。密實(shí)充填率公式可定義為如下：

ρ=VA/VZ

(1)

式中，ρ為密實(shí)充填率，%；VA為每刀充填矸石的體積，m3；VZ為待充填區(qū)域總體積，其中，包括工作面每刀煤炭所占空間與兩側(cè)巷道空間，m3。

具體的采煤刀數(shù)與實(shí)際返矸量見表6，由表6可知，工作面長度為120m，采高4.6m。其中，滾筒截深0.8m，兩側(cè)巷道寬共計(jì)11m，矸石容重1.8t/m3。由此可以計(jì)算出：

表6 返矸量統(tǒng)計(jì)

VA=18297.35÷23÷1.8=442.0m3

VZ=(120+11)×4..6×0.8=482.1m3

根據(jù)式(1)可得：

由上述計(jì)算結(jié)果可得密實(shí)充填率為91.7%，表明煤炭開采后留下的空間基本被充實(shí)。充填體能夠很好地對(duì)上覆巖層起到支撐作用，有效地控制地表沉陷，減小了對(duì)地面環(huán)境造成的擾動(dòng)。

3.3.2 液壓支架支護(hù)阻力實(shí)測(cè)結(jié)果

為研究28802充填工作面液壓支架工作阻力隨工作面推進(jìn)的變化規(guī)律，沿工作面在液壓支架上布置6臺(tái)KJ216-F型頂板壓力監(jiān)測(cè)分站，實(shí)現(xiàn)地面在線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，其中3臺(tái)布置在前架，3臺(tái)布置在后架上。該礦28802充填工作面所用液壓支架型號(hào)為ZC9100/30/55，最小控頂長度為10.38m，中心距為1.75m，工作阻力17100kN，支護(hù)強(qiáng)度0.998MPa，實(shí)際監(jiān)測(cè)得到矸石充填工作面支架立柱壓力為25～30MPa，明顯低于傳統(tǒng)采煤工作面支架立柱壓力40MPa，究其原因是因?yàn)槌涮铙w對(duì)上覆巖層起到支撐作用。且在充填密實(shí)度達(dá)到90%以上時(shí)，并無明顯的周期來壓現(xiàn)象。

3.3.3 地表沉陷觀測(cè)及分析

地面觀測(cè)點(diǎn)布置：在28802工作面設(shè)立走向觀測(cè)線和傾斜觀測(cè)線。其中，走向觀測(cè)線布設(shè)觀測(cè)站67個(gè)；傾斜觀測(cè)線布設(shè)觀測(cè)站60個(gè)；麻坪嶺村布設(shè)觀測(cè)站9個(gè)；控制點(diǎn)為5個(gè)，由于煤層埋深為232～313m，按《煤礦測(cè)量規(guī)程》技術(shù)規(guī)定取觀測(cè)點(diǎn)間距20m。

從工作面投入生產(chǎn)，每隔100d對(duì)地表沉陷數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測(cè)。當(dāng)工作面運(yùn)輸巷推至241m，軌道巷推至239m時(shí)，發(fā)現(xiàn)在工作面正上方最大累計(jì)沉降值256mm，最大點(diǎn)位位移值30mm；最大傾斜變形值為1.08mm/m，最大水平變形為0.56mm/m。相比于其他工作面綜采工藝最大沉降值1.5m，改性后的充填體對(duì)地表的保護(hù)效果顯著提升，地表下沉量符合《建筑物、水體、鐵路及主要井巷煤柱留設(shè)與壓煤開采規(guī)范》。

4 結(jié) 論

1)采用正交試驗(yàn)進(jìn)行了以礦粉為基礎(chǔ)的強(qiáng)度試驗(yàn)，對(duì)充填體強(qiáng)度結(jié)果進(jìn)行分析，最終得出膠凝材料的最優(yōu)配比為熟料25%、礦粉70%、石膏5%，此時(shí)充填體的7d、28d強(qiáng)度分別為3.48MPa、5.11MPa。

2)礦粉在適度的堿性環(huán)境中才能更好地被激發(fā)活性，從而更有利于充填體強(qiáng)度的形成。且在初期成型效果上更優(yōu)于水泥，在成本上也更具優(yōu)勢(shì)，能為企業(yè)節(jié)省充填成本。

3)將膠凝材料應(yīng)用于固體充填后，充填效率明顯提升，液壓支架工作阻力明顯下降，地表沉陷觀測(cè)數(shù)據(jù)相對(duì)減小，極大程度上減少了采煤擾動(dòng)對(duì)周圍生態(tài)環(huán)境產(chǎn)生的影響。