泵送石膏体充填采煤工艺在林下压煤中的应用

泵送石膏体充填采煤工艺在林下压煤中的应用

中国煤炭资源分布广泛，“三公”（建筑下、水下和铁路下）压煤较多。要实现“绿色开采”，必须大力发展煤矿开采技术。1试验计划1.1试验背景王河煤矿位于荥阳市西南部刘河镇境内,在荥巩煤田的中部,井田边界为东起114勘查线,西至85勘查线,北以一1.2试验材料和试验部件的制备1.2.1物料配比方案确定在研究充填材料理化性质及充填开采对充填体性能要求的基础上,本项目初步确定“煤矸石+粉煤灰+水泥”的物料搭配方案,煤矸石为粗骨料,粉煤灰为细集料,水泥为胶结剂。为了缩短充填体的凝固时间,采用水玻璃作为添加剂(速凝剂)。其中煤矸石来自王河煤矿,王河煤矿一1.2.2煤石的破碎和粉磨处理试件由煤矸石、粉煤灰、水泥和水玻璃依不同比例配制而成,首先对王河矿煤矸石进行筛分处理,剔除大块矸石,留下粒径小于25mm的矸石进行破碎和粉磨处理,实验室配制煤矸石比例按照5mm以下占40%,5～25mm占60%(4∶6)进行。配比后的矸石与水、粉煤灰、水泥和水玻璃,依不同比例在搅拌机中搅拌均匀,搅拌均匀后取出物料注入钢模具中筑型,24h后拆模,制成180mm×180mm×180mm的正方体试件,试件在室内养护若干时间后进行单轴压缩力学实验。1.3充填体强度及凝结时间的一般规律一般来说,衡量充填料浆质量好坏的技术指标主要有三个:流动性、强度、凝结时间。塌落度越大,说明料浆流动性越好。充填体强度一般指充填体的单轴抗压强度,它反映了充填体对顶板及围岩的支撑和支护能力。充填体强度分为早期强度和后期强度,早期强度一般为充填料浆3d和7d的抗压强度,后期强度一般为充填膏体14d和28d的强度。水泥的凝结时间分为初凝时间和终凝时间两种。结合实践经验和王河煤矿实际情况,初凝时间设定为1h,终凝时间确定为24h。2充填膏体强度实验在对矸石胶结充填材料配比分析时,分别将粉煤灰、水泥作为单一变量,以填充膏体的凝结时间、塌落度、抗压强度作为参考数据逐个进行实验分析。具体过程如下。2.1粉煤灰的凝凝性本实验中,煤矸石添加量根据相应粉煤灰添加情况进行配比;水分添加比例为13%;充填料浆质量浓度为85%;水玻璃添加比例为2.5‰;水泥添加按照矿方经验参数10%进行。分析粉煤灰添加比例分别为1%、8%、15%、22%时充填材料的凝结时间、塌落度和抗压强度的变化。实验结果如图1、图2和图3所示。通过对实验结果分析可知:1)凝结时间分析。随着粉煤灰添加比例增大,初凝时间和终凝时间均减小。粉煤灰的比例从1%增加到8%时,初凝时间和终凝时间减小的幅度较大,随着粉煤灰比例进一步增加,初凝时间和终凝时间减小的幅度变小。对于充填开采,初凝时间要求不低于1h,终凝时间不超过24h。因此,粉煤灰比例不低于8%即可满足要求。2)塌落度分析。随着粉煤灰添加比例增大,塌落度增大。粉煤灰的比例从1%增加到8%时,塌落度增大的幅度较大,随着粉煤灰比例进一步增加,塌落度增大的幅度变小。对于充填开采,塌落度要求不低于20cm,因此,粉煤灰比例不低于8%即可满足要求。3)强度分析。总体上看,随着粉煤灰比例的增大,充填体抗压强度增大。粉煤灰的比例从1%增加到8%时的抗压强度增大的幅度要大于8%～15%强度时的增大幅度,而且14d和28d强度增大幅度要明显大于3d和7d的强度,说明粉煤灰的添加对后期强度影响较大。结合实际开采对充填体的强度要求可知,粉煤灰比例为8%及以上时符合要求。2.2水玻璃对充填体强度的影响本实验中,煤矸石添加量根据相应水泥添加情况进行配比;水分为13%;粉煤灰添加比例为8%;充填料浆质量浓度为85%;水玻璃添加比例为2.5‰。分析水泥添加比例分别为3%、5%、7%、12%时充填材料的凝结时间、塌落度和抗压强度的变化。实验结果如图4～图8所示。1)凝结时间分析。从图4、图5分析可知,无论是否加入水玻璃,初凝时间和终凝时间均随着水泥含量的增大而减小;当加入2.5‰的水玻璃后,初凝时间和终凝时间缩短40%左右,可见水玻璃对缩短凝结时间作用显著。可以看出,要使充填料尽早凝固,及时支撑顶板,加入适量的添加剂效果较好。通过实验可知,加入2.5‰的水玻璃可以大幅缩短凝结时间,有利于提高充填速度。2)塌落度分析。从图6可以看出,无论是否加入水玻璃,塌落度随着水泥含量的增大而增大,增大的幅度逐渐变小;当加入水玻璃后,塌落度增大更明显,但随着水泥比例的增加,塌落度增大的幅度减小,这说明随着水泥比例的增加,水玻璃对塌落度影响减小。不加水玻璃时,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满足要求。3)强度分析。从图7、图8可以看出,无论是否加入水玻璃,随着水泥比例的增大和养护时间的延长,充填体强度均增大;不加水玻璃时,水泥比例为12%时充填体强度明显高于比例为3%、5%、7%的强度。加入2.5‰水玻璃后,各龄期充填体强度均有提高,且可以看出,水玻璃对充填体后期强度的影响(增大)比早期强度更显著。结合王河煤矿充填开采对充填强度要求,加入2.5‰的水玻璃后,水泥比例在3%以上均满足要求。3石胶结充填材料配比方案1)通过对膏体充填材料配比实验,得出充填材料不同配比的情况下,充填膏体的性能也不尽相同。在满足安全生产并应尽可能提高充填膏体性能、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别为8%、3%和2.5‰。此配比既有利于废物利用,同时也降低了水泥等材料的消耗,还达到了现场充填材料强度等指标的要求。2)井下泵送矸石胶结充填材料中主要组分为煤矸石、粉煤灰、水玻璃和水泥。其中粉煤灰和水泥的用量对充填膏体整