膏體充填方案設計與應用

黃越田　呂由

摘? 要：現如今，我國經濟高速發展，煤礦企業為我國發展做出了很大貢獻。充填開采是提高煤炭資源采出率、改善礦區環境、實現煤炭產業高效綠色開采的重要途徑?？偨Y介紹了矸石充填、膏體充填材料組成、以及應用狀況，并對5m以上大采高工作面和放頂煤工作面的充填成套裝備提出思考和研究方向。

關鍵詞：膏體充填;液壓支架;設計;應用

引言

膏體充填開采技術是解決“三下一上”壓煤等問題的有效開采方法之一。膏體充填就是把煤礦附近的煤矸石、粉煤灰、工業爐渣、劣質土、城市固體垃圾等在地面加工制作成不需要脫水處理的牙膏狀漿體，采用充填泵或重力加壓，通過管道輸送到井下，適時充填采空區。膏體充填液壓支架是膏體充填開采系統的關鍵設備之一，合理地選擇液壓支架工作阻力，可提高開采的經濟效益。

1矸石膏體充填工藝

矸石膏體充填原材料包括破碎煤矸石、粉煤灰（兩種）、專用膠結料和水等五種物料。充填的過程是一個先將矸石破碎加工，然后把矸石、粉煤灰、專用膠結料和水等物料按比例混合攪拌制成膏體漿液，再通過充填泵把膏體漿液輸送到井下充填工作面，充填由液壓充填支架和輔助隔離措施形成的封閉采空區空間的過程。充填工藝的流程可以劃分為矸石破碎、配比攪拌、管道泵送、充填體構筑等四個基本環節。

（1）矸石破碎。第一步：煤矸石用顎式破碎機進行粗破，出料粒度可以控制在75-100mm;第二步：對經過粗破處理的煤矸石采用振動篩進行篩分，小于25mm部分通過輸送機送入成品矸石倉，大于25mm部分送入二級破碎機處理;第三步：采用反擊破碎機對篩上，即大于25mm矸石進行細破，使其處理以后粒度全部小于25mm。

（2）配比攪拌。該部分包括稱料、投料、攪拌、放漿四個步驟。

（3）管道泵送。在充填系統中，攪拌機攪拌好的料漿先放入漿體緩沖斗，漿體緩沖斗靠漿體自重給充填泵供料，經過充填泵加壓后的充填料漿通過管道，由充填站附近的充填鉆孔下井，再沿巷道管道輸送到充填工作面。

（4）充填體構筑。充填料漿達到自穩需要一定時間，通過鋪設搌布輔助充填。

2膏體充填材料組成

膏體充填材料由膠結料、骨料、化學添加劑等材料所組成。

膏體材料中膠結料由水泥、石膏和多種外加劑等配制而成，膠結材料遇水能夠快速發生反應產生大量高結晶水化物，可以起到快速凝固并具有一定初期強度的作用;中、后期會生成硅酸鈣凝膠等物質，該種物質可保證充填材料后期強度。

骨料分粗骨料和細骨料兩種類型。煤矸石通常作為粗骨料，可以提高充填體的和易性，避免發生離析現象;細骨料包括黃土、細沙等材料，能夠提高充填膏體的強度、和易性并提高流動性，同時還能減少膠結料的使用量。

3膏體充填液壓支架設計與應用

3.1充填方案設計

煤礦膏體充填工作面與普通綜合工作面布置基本相似，工作面沿傾斜方向上方為材料巷，可起到通風、運料、行人的作用;運輸巷則布置在工作面沿傾向下方，運輸巷實現沿空留巷，以作為下工作面材料巷使用。充填管路通過地面鉆孔或井筒下井后沿運輸巷布置，工作采用充填專用液壓支架進行防護，兩巷用單體液體支柱進行防護。充填前要用清水充分潤濕輸漿管，直至清水到達充填工作面為止;安排專業技術人員巡視充填管路，排除跑漏液現象，保持管路暢通。地面制漿站開始下放充填膏體。完成割煤后從工作面按照自下而上的順序撤回支柱，撤換完畢后在充填巷道兩端砌筑厚度約0.6m的擋漿墻，墻四周掏槽深度至少在0.3m以上，如果煤壁松軟，則要注意加大掏槽深度;擋墻位于下出口的位置則要良好密閉，以免發生漏水、跑漿。墻外支設一排單體液壓支柱，注意支柱與擋漿墻之間必須保持0.2m的間隙，中間再用木板加實，以免發生墻體傾倒或跑漿漏漿的現象;充填上出口砌筑擋漿墻時，要注意預埋注漿管及出氣管。最后再對管路進行徹底檢查，包括管路、閥門等，以保證不漏漿;充填前后要對管路、閥門等進行清管，工作面上、下兩巷均設置沉淀池。

3.2膏體充填材料力學性質

通過對膏體試塊單軸壓縮，對得到的應力-應變曲線進行分析，試件基本性質與煤巖等材料性質基本類似。

對充填體進行三軸壓縮試驗，側向圍壓對試件承載能力有很大影響，當圍壓小于充填體試件強度時，充填體表現為應變強化特征，繼續加載當應變超過一定值后試件出現塑性軟化現象。當圍壓與充填體強度大致相同時，在試驗觀察的范圍之內沒有出現應變軟化現象。

根據對泥巖、砂巖、大理巖以及白云巖脆性-延性轉化臨界圍壓試驗結果，一般側向壓力要大于30MPa，而充填體在較小側壓作用下就轉變為應變強化。因此在設計充填參數時，應該保證充填帶有足夠的寬度，這樣在頂底板壓力作用下，雖然充填帶兩側會出現塑性破壞，但會對中部形成側向約束，中部構成三向受力條件，可以提高其承載能力，可以減小充填成本。

3.3充填液壓支架應用

充填防漏功能的液壓支架，采用高強度鋼板制作，液壓系統采用手動大流量操縱系統，前、后立柱采用前置正四連桿形式，前后排立柱間距合理調整，為充填管道的布置及整體前移和人員行走提供了空間。底座采用半開底式箱型結構，前過橋采用厚度100mm的高強度鋼板，配備抬底機構和底調機構，底座的后部整體高起，形成下隔離板，下隔離板的一側設置有活動側護板。頂梁采用整體結構，后部鉸接有尾梁，頂梁和尾梁的同一側設置有活動側護板。尾梁的下部和頂梁的下部連接有液壓缸，尾梁可在液壓缸的作用下伸出與頂梁在同一水平面形成支護頂板，微量收回時與頂梁成直角狀態形成上隔離板，尾梁的中部開設有料管連接孔，需要布置充填管的，將充填管與料管連接孔相連接，不需要布置充填管的可將料管連接孔堵住。

該支架采用鋼板直接接觸密封結構，頂梁和尾梁采用伸縮板式線接觸密封結構尾梁收回時上部與頂梁、下部與底座上部搭接共同實現接觸密封，密封結構能適應最大俯采10°要求，相鄰液壓支架的頂梁、尾梁和底座活動側護板相互擠壓貼合實現密封。

4充填液壓支架發展展望

高水充填和膏體充填的充填率較高，但對支架的密封性要求高，且隨著采高的增大，頂梁與頂板的接觸處不容易人工處理，底座與底板之間受充填體的壓力較大，使回采區與充填區的密封隔離不容易實現。

矸石充填由于充填工藝簡單，在大采高充填工作面有一定的應用基礎，可以實現矸石不升井和消滅地表矸石山的目的。

目前大采高充填成套設備還存在以下問題亟待解決：

（1）充填與開采之間的效率匹配大采高工作面刮板輸送機中部槽寬度多在1m以上，而懸掛在支架后部的充填刮板輸送機中部槽寬度多為630mm或730mm。

（2）輸送矸石的膠帶機與懸掛在頂梁上的輸送機機頭的搭接問題輸送矸石的膠帶機沿工作面巷道鋪設，充填刮板輸送機懸掛在大采高液壓支架頂梁后部，兩者間的高度差通常都在3m以上。

（3）充填刮板輸送機的檢修問題由于充填刮板輸送機懸掛在大采高液壓支架頂梁后部，在采空區一側，距離底板較高，不容易檢修。

5 結語

總之，煤礦開采會帶來諸多的環境問題，其中煤礦開采沉陷區即為重要表現之一，因此煤礦開采沉陷區的回填處理是保護生態環境、維持生態平衡的重要途徑。充填開采技術是綠色開采技術的重要組成部分，也是解決建筑物下大量壓煤開采的重要途徑。其中膏體充填技術與綠色開采理論相符，可有效防止采空區的塌陷，提高開采安全，能夠有效控制開采過程中頂板的穩定性，防止潰砂潰水和頂板事故，防止礦井重特大事故的發生。并能延長礦井服務年限，不僅可提高煤礦企業的經濟效益，還具有良好的社會效益。

參考文獻

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