粉煤灰高水固化充填技术的研究与实践

刘福广 张国玉 安伯超 于相坤 林弈潇

（山东安实绿色开采技术发展有限公司，山东省济南市，250032）

粉煤灰高水固化充填技术的研究与实践

刘福广 张国玉 安伯超 于相坤 林弈潇

（山东安实绿色开采技术发展有限公司，山东省济南市，250032）

充填开采是绿色开采的重要组成部分，能够有效地控制地表沉陷。其中粉煤灰高水固化充填技术采用粉煤灰、胶固料和水作为充填材料，具有高水、速凝、快硬、早强和耐低温的特点。通过建立充填系统实现对井下的充填开采，有效地控制了覆岩下沉破裂和地表变形。该技术还可以进行巷旁充填实现沿空留巷，避免留设煤柱造成资源浪费，该充填材料具有广泛的适应性。

充填开采 粉煤灰高水固化充填技术 建筑物下压煤 沿空留巷

粉煤灰高水固化充填技术是解决煤矿充填物料缺乏提供了一个新的途径。该技术利用粉煤灰、胶固料和水作为充填材料，具有高水、速凝、快硬、早强和耐低温的特点，可以用作 “三下”充填开采，也可以用做沿空留巷充填体，还可以用作防灭火、防水充填体等，具有广泛的适应性。

1 充填材料的研究

粉煤灰高水固化充填材料由粉煤灰、固化剂和水组成，粉煤灰与固化剂发生水化反应后，在一定时间内浆体全部凝结固化，形成硬化体。

1.1 粉煤灰高水固化充填材料适应性研究

由粉煤灰、固化剂和水组成的高水固化充填材料经过室内试验，各项技术经济指标比较理想。为了把高水固化充填技术应用到现场，进行了多项试验。配方1按照1∶0.213∶1.213（粉煤灰∶固化剂∶水）的比例进行配制，得到的充填体强度数据如表1所示。在这种配比的情况下，得到的浆体具有较强的流变特性，可用作充填开采建筑物下压煤后的采空区，其最终强度能够确保顶板的稳定性，使地表的破坏程度控制在要求范围之内。配方2按照1∶0.686∶0.965（粉煤灰∶固化剂∶水）的比例进行配制，得到的充填体强度数据如表1所示，得到的浆体能够速凝，且能够在短时间内产生满足支撑顶板的强度，可以用来做沿空留巷的充填体。不仅如此，还可以根据粉煤灰、固化剂和水的不同配比配制出满足防灭火的和防水要求的充填材料。

表1 充填体强度试验数据表

经过试验发现，固化剂添加量上下浮动2%对粘度、稠度、初终凝时间、强度影响不大；在保证粉煤灰浓度的上浮值不超过10%最好控制在5%以下的情况下，流变特性不会发生改变；在冬季寒冷条件下，不会对管道输送产生太大影响，对稠度、初终凝时间、泌水率以及强度影响不大，可以在冬季低温条件下进行充填。

2 村庄下压煤粉煤灰高水固化充填开采技术的应用

2.1 工程概况

某煤矿充填开采设计区域为161采区，储量为42.07万t。该采区已按照设计的条带式采煤法回采完毕，161采区北翼北部，开采宽度为20 m，留设宽度为20 m，采用回采率为50%的倾斜条带法进行了4个条带区域的开采；北翼南部开采宽度为25 m，留设宽度为20 m，采用回采率为55%的倾斜条带法进行了5个条带区的开采；161采区南翼的1612、1614、1616和1618工作面均采用开采宽度为30 m，留设宽度为20 m，回采率60%的倾斜条带法进行了开采。按平均回采率55%计算，尚有可开采资源18.93万t。

2.2 充填开采方案设计

2.2.1 充填系统

（1）采煤年需要充填量

式中：Q1——年需要充填量，m3／a；

Q——年产量，t／a；

γ——原煤比重，t／m3；

Z——充采比；

K1——充填料原体积与初次沉缩后体积之比；

K2——充填料流失系数。

（2）地面充填设备配置

主要设备和设施有成浆搅拌槽、胶固料仓、粉煤灰初浆搅拌罐、输送管道、电脑控制系统等装置，如图1所示。

图1 地面充填站示意图

2.2.2 充填开采工艺流程

充填开采工艺流程为：原条带开采工作面巷道修复条带采空区挡墙砌筑→原条带采空区充填→煤柱回采→煤柱回采后新采空区充填。

充填开采顺序要考虑两方面因素，一是充填超前，保证回采顺序的有序衔接，避免充填滞后影响回采；二是要保障充填体有合适的养护时间，以提高充填体强度，保证充填体对顶板的有效支撑作用。

2.2.3 充填材料制备及输送

（1）固化剂由罐车输送到固化剂仓。

（2）首先向粉煤灰盛浆罐打入水，然后按配比由罐车向盛浆罐打入粉煤灰，一边打入粉煤灰一边搅拌。

（3）搅拌好的料浆输送到搅拌槽内，同时按比例加入固化剂，在搅拌槽内进行搅拌，充分搅拌后经钻孔管道输送到充填采空区。充填材料制备系统工艺流程如图2所示。

2.3 效益分析

（1）161采区采用胶结充填开采后，16＃煤层可采煤炭18.93万t，按照目前煤炭销售情况，充填后吨煤利润按照150元计算，则16＃煤层开采后可得销售利润为2839.5万元。

（2）采用充填开采，不仅可减少煤炭损失，提高资源回收率，而且可延长矿井服务年限，促进矿井高效、安全生产，对促进地方经济建设具有重要作用，还能消除地面粉煤灰堆积造成的环境污染与破坏等问题。

图2 充填制备系统工艺流程

3 沿空留巷粉煤灰高水固化充填技术的应用

3.1 工程概况

某煤矿16＃煤层的16105工作面地面位置位于矿井工业广场西南侧。煤层赋存稳定，煤层厚度为1.31～1.45 m，平均厚度为1.37 m，工作面煤层较薄，煤层结构较简单，煤层倾角平缓，平均倾角为4°。该煤层属气肥煤，组分以镜质为主，属低中灰、中高硫、特低磷煤。为了合理开发现有煤炭资源、提高煤炭采出率，在16105运输巷采用高水胶结充填材料机械化构筑充填带，实现沿空留巷。

3.2 充填开采方案设计

3.2.1 充填系统

图3 充填硐室设备布置平面示意图

（1）充填站。充填泵站设在161采区联络巷中，充填站需占用一段巷道或硐室 （长×宽×高=30 m×4.5 m×5 m），硐室设备布置图如图3所示。

（2）井下充填设备配置。充填设备为KFYY-25型煤矿用注浆泵的充填泵、搅拌桶、供液管路以及无缝钢管等，充填最大流量为25 m3／h。

3.2.2 充填工艺

巷旁充填是将充填体全部置于采空区。为保证充填工作的顺利进行，必须做好工作面前方提前铺网、打锚杆和支架前移后的支护等工作。

（1）工作面前方提前铺网、打锚杆。为保证充填空间顶板的完整与架后作业人员的安全，在工作面支架拉移前，需对支架前方距运输巷煤壁沿倾向长度为6 m的范围内顶板进行锚网支护。

图4 充填空间支护示意图

（2）支架前移后顶板支护。支架前移之前，要详细检查支架后面顶板的完好状态。靠运输巷一侧的支架前移时，要做到带压移架，使顶板保持完整。确认顶板完整后再进行充填空间的支护，充填空间支护示意图如图4所示。

充填初期，需在切眼充填体底部预留2～3个排水口，生产过程中每隔50 m留1个放水口宽度为1 m的免充填区，以保证上方工作面采空区老塘水自流疏放。充填巷道支护形式如图5所示。

（3）充填体稳定性控制措施。为提高充填体的横向抗变形能力，在充填体中置入锚栓来约束充填体的横向变形，以提高充填体整体支护性能。

4 结论

（1）粉煤灰高水固化充填技术采用粉煤灰、固化剂和水混合组成的浆体能够在较长时间内不产生结块，具有较好的流动性，可通过管道输送；该混合浆体的初凝和终凝时间间隔较短，具有速凝的性能；浆体固化后，能够产生较强的抗压强度。

图5 充填巷道支护形式示意图

（2）对建筑物下压煤进行粉煤灰高水固化充填，不仅可以把建筑物下压煤全部采出，而且还保证了地面建筑物破坏程度在控制范围内。

（3）通过在16105运输巷采用粉煤灰高水固化充填技术进行巷旁充填，实施沿空留巷，避免了留设煤柱，减少了巷道掘进量，同时能够保证巷道的正常工作，产生了巨大的经济效益。

（4）粉煤灰高水固化充填材料通过调节粉煤灰、固化剂和水的比例产生不同的效果，能够用于各种不同的用途，而且利用粉煤灰做充填材料，既能保护环境，又能降低充填成本，具有广阔的应用前景和良好经济效益。

［1］郝宝生，张书国 .矸石与粉煤灰混合充填开采的试验研究 ［J］.中国煤炭，2009（11）

［2］于春生，牛宗涛 .煤矿膏体充填绿色开采体系研究［J］.中州煤炭，2009 （11）

［3］李建辉，冯光明等 .综采沿空留巷巷旁支护技术与应用 ［J］.中国矿业，2009 （3）

Research and practice of coal ash high proportion water solid filling mining technology

Liu Fuguang，Zhang Guoyu，An Bochao，Yu Xiangkun，Lin Yixiao
（Shandong Anshi Green Mining Technology Development Co.，Ltd，Ji'nan，Shandong 250032，China）

Filling mining is an important part of the green mining，which can effectively control surface subsidence.Coal ash high water solidifying filling technology adopts coal ash，cementing materials and water as filling materials with characteristics of high proportion water，quicklysolidification，rapid-hardening，early strength，low temperature resistance.Filling system has been implemented for underground filling mining and effectively control strata subsidence and fracture and also ground deformation.This technology also achieves gob-side entry retaining by roadside filling which avoids the waste of resources and generates great economic benefits.This filling material is extensive adaptability.

filling mining，coal ash high water solidifying filling technology，coal under building，gob-side entry retaining

TD823

A

刘福广 （1963-），男，山东安丘人，研究员，现任山东安实绿色开采技术发展有限公司董事长。

（责任编辑 孙英浩）