“三废”胶结材料在建筑物下的充填开采实验

李凤义， 王显瑞， 姚常亮

(1.黑龙江科技大学 矿业研究院，哈尔滨 150022;2.黑龙江科技大学 安全工程学院，哈尔滨 150022;3.通化矿业(集团)有限责任公司，吉林 白山 134300)

0 引言

据对国有重点煤矿的统计，我国“三下”[1](建筑物下、水体下、铁路下)压煤约137.9亿t，其中仅建筑物下压煤[2]为87.6亿 t，若使用常规的垮落法开采会造成地表沉陷和地下水及含水层破坏，严重威胁地表建筑物和各种设施的安全。目前，我国煤矿采空区土地沉陷累计约达100万公顷，每年新增采空区6万公顷左右，煤矸石累计堆积45亿t，占地1.3万公顷，每年新增3亿t左右。充填开采通过将采空区充实，减少上覆岩层下降量，保护地表建筑物，保障含水层不破坏，不仅实现了绿色开采[3]，同时提高了资源回收率。文中以“三废”胶结充填材料为研究对象，结合八宝立井+321区N4煤层工作面地质条件，分析充填材料的性质与充填效果，以期为建筑物下压煤的安全回收提供借鉴。

1 工程概况

1.1 地面条件

八宝煤业立井于1955年建井，1958年投产，设计生产能力45万t/a，经过52 a的开采，到2010年生产采区已全部结束。但该井工业广场煤柱仍有地质储量388万t，可采储量为350万 t。+321区N4煤层工作面上方地表建筑物为居民住宅房、洗煤厂、公路及铁路等，对建筑物破坏等级要求较高。

1.2 工作面地质条件

+321区N4煤层工作面上至+300石门，下起+150石门，平均倾角62°，煤层平均厚5.5 m，煤层走向长356 m，倾斜长165 m，该采区煤层赋存形态为单斜构造。煤层顶板为中砂岩，直接底为泥质岩，老底为粉砂岩。

1.3 采煤方法

建筑物下开采主要的技术目标是减少或控制地表的移动变形。充填开采是应用外来材料充填采空区，达到控制岩层移动及地表沉陷的绿色开采技术，具有提高煤炭回采率、处理废弃物的优点。根据八宝矿煤层的地质赋存条件、建筑物的结构特点、地面建筑物与开采煤层的位置、以及矿井开采的经济效益，采用小阶段水力胶结充填采煤法，可以大大地减少地表沉降，减轻开采对地面建筑物的损害程度。

2 充填材料与工艺

2.1 材料构成与胶凝机理

“三废”胶结充填技术的核心是充填材料，充填原材料由煤矸石、粉煤灰、矿井水和胶结材料组成。煤矸石是采煤和洗煤的副产品，是无机物和少量有机物的混合物，煤矸石[4]的主要化学成分是SiO2、Al2O3，粉煤灰的主要成分是 SiO2、Al2O3、CaO、Fe2O3等氧化物，其化学组成见表1。胶结材料[5]是以普通硅酸盐水泥为基料，与石灰、石膏、早强剂、速凝剂等配比而成的复合材料。

表1 煤矸石与粉煤灰的化学组成Table 1 Chemical composition of coal gangue and fly ash

粉煤灰、胶结材料与矿井水混合后，生成大量的Ca(OH)2使充填浆液pH值升高，在碱性环境中能激发粉煤灰的活性;石膏使浆液中存在大量的SO42－，相互反应生成硫铝酸钙 3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O 即钙矾石[6]，达到速凝、早强的效果;凝结的中、后期，随着粉煤灰水化反应不断的进行，生成硅酸钙凝胶等胶凝物，因此材料具有强度持续增加的特点。

2.2 材料强度

对于充填开采，充填材料的强度直接影响围岩及充填工作面的稳定。煤矿胶结充填材料除了满足低成本、来源广及较小变形外，充填材料的强度对有效控制采空区顶板的沉降有重要影响。结合实际情况，文中考虑如下几个影响因素:浆液的密度ρ、水泥用量c、养护龄期t等。

浆液密度选用1.44、1.46、1.48 g/cm3;粉煤灰选用通化矿业集团矸石热电厂的一级粉煤灰;水泥选用白山金刚水泥厂散装42.5水泥;煤矸石选用八宝立井矸石山加工后的矸石。选用7.07 cm×7.07 cm×7.07 cm的立方体模具，在0.33、3.00、7.00、28.00 d四个龄期用CTM9100万能压力机测定其单轴抗压强度p，结果见表2。研究结果表明，充填浆液的密度、水泥的用量及养护龄期等因素对材料的强度有显著的影响。

表2 充填试块强度Table 2 Strength of filling block

2.2.1 浆液密度与充填体强度的关系

图1为浆液密度与充填体强度关系曲线，其中强度为水泥用量为150 kg/m3时的平均强度。图1表明，在水泥用量和养护龄期一定时，随着充填浆液密度的增加，充填体的强度随之增加，利用这一特性，材料配置时在保障充填体强度的前提下，适当降低充填浆液的密度，可以增加浆液的流动性同时降低充填成本。

图1 浆液密度与充填体强度的关系Fig.1 Relationship between slurry density and strength of filling body

2.2.2 水泥用量与充填体强度的关系

图2为浆液密度为1.46 g/cm3、养护龄期为3.00 d时水泥用量与充填体强度的关系。

图2 水泥用量与充填体强度的关系Fig.2 Diagram of cement dosage and strength of filling body

图2表明，浆液密度和养护龄期一定时，水泥用量对充填体的强度有很大影响，随着水泥用量的增加，充填体强度随之增大。根据这一特点，材料配置时可以根据充填工作面顶底板管理的需求增减水泥的用量，从而在保障矿井安全的前提下降低充填成本。

2.2.3 养护龄期与充填体强度的关系

在浆液密度、水泥用量一定的条件下，养护龄期对充填体强度的影响见图3所示，图中强度为水泥用量150 kg/m3时的平均强度。图3表明充填体的单轴抗压强度受养护龄期影响显著，抗压强度随养护龄期的延长而增加。

图3 养护龄期与充填体强度的关系Fig.3 Diagram of curing age and strength of filling body

2.3 充填工艺

利用相关设备将矸石(粒径≤5 mm)、水泥、粉煤灰分别运输、称量、输送至成浆罐，混合搅拌成浆后，沿充填钻孔和井下充填管路自流输送至充填工作面，充填工艺流程如图4所示。

图4 基本工艺流程Fig.4 Basic process

3 充填效果

通过建立地表和岩层移动观测站研究开采沉陷和建筑物的破坏规律。采空区充填后利用监测设备从下至上分别对充填体内部、充填体区域顶底板移近量、充填区域上覆岩层以及地表下沉量进行观测。

3.1 充填体观测

首先对充填体进行观测，发现充填体的边缘地带容易出现裂痕，而充填体核心地带均匀、致密，在观察过程中没有裂隙和断面出现，原因是边缘地带由于受到矿山压力的重新分布，造成应力集中，核心地带受到顶底板和边缘地带的作用，处于三向受力状态，其承压能力比较大。核心地带是控制上覆岩层移动的主要承载体，对充填体的充填效果、压缩率起决定性作用，因此，充填体整体稳定。充填体效果如图5所示。

图5 工作面充填体Fig.5 Filling body in working face

3.2 充填体区域顶底板移近量观测

一般情况下，充填体区域顶底板的移近量对充填体的充填效果有显著地影响。在充填区域顶板内每隔20 m设一个测点，充填后对顶底板移近量进行数据采集(图6)。通过现场实测可知，充填体区域顶底板移近量s为60～120 mm，最大下沉量为142 mm。

图6 充填区顶底板移近量变化Fig.6 Displacement of roof and floor in filling area

3.3 充填区域上覆岩层观测

使用YS(B)型矿用全方位钻孔窥视仪观测充填区域顶板的深度破坏情况，发现顶板仅出现垂直方向浅部的裂隙发育，未产生深部破坏，上覆岩层未产生传统垮落法那样的“三带破坏”，结构较完整。

3.4 地表下沉量监测

在充填区域正上方地面设立观测装置，从工作面推进开始进行连续观测，地表最大下沉量为16 mm，在预期控制范围内，符合规程要求，基本上保障地面建筑物无破坏。

4 结论

(1)“三废”胶结充填材料的优势在于能消除地面粉煤灰、煤矸石堆积造成的环境污染与破坏，实现生态矿区、绿色矿山。

(2)充填材料的浆液密度、水泥用量及养护龄期等因素对充填体的单轴抗压强度有显著影响。在相同条件下，充填体单轴抗压强度随各因素的增大而增强。

(3)对地表和充填区域上覆岩层的观测分析表明:“三废”胶结充填开采不仅能提高八宝立井资源回收率，减少了煤炭损失，还能解决煤矿采空区地表建筑物沉陷和“三下”压煤安全开采的问题。

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