井下矸石泵送充填物料配比的试验研究

滕广林

（山东能源新汶矿业集团有限责任公司，山东省新泰市，271233）

煤矸石作为一种固体废弃物，是矿山企业环境污染的主要危害源。随着煤炭行业生产能力的增加，矸石的地面排放量也与日俱增，每年约以1.5～2亿t的速度增加，造成了日益严重的的环境污染，煤炭企业也为之付出更多的治理费用和补偿费用。实现矸石在井下直接充填到采空区，既可解决矸石的地面排放问题，又能够适当缓解地表塌陷的隐患，而且可以减轻矿井的运输提升压力。

井下矸石泵送充填工艺是将矸石在井下按一定级配破碎为粗细不等的颗粒和微粉，添加少量水泥并充分搅拌后，通过管道被泵入废旧巷道或采空区进行充填，为井下矸石充填提供了一条新的途径。

1 试验区概况

试验区为华丰煤矿21105工作面，该工作面位于四水平后二采区第一区段，工作面平均倾斜长度为150m，走向长度为813m，煤层厚度为1.6～1.9m，煤层倾角为28°～33°，采用走向长壁后退式采煤法，炮采方式落煤，刮板输送机运煤，单体液压支柱支护，采空区充填矸石管理顶板，充填区与工作面工作区利用单体支柱、竹笆进行隔离，采用见五充二对采空区进行充填管理顶板。该工作面采空区充填的主要目的是为了处理矸石，并不完全要求充填体对顶板的支撑，仅要求充填体24h实现初凝胶结，使充填体失去塑性而得到初步硬化，消除其流动性，保证充填体不外泄，影响工作面安全生产。

2 矸石泵送充填系统设备布置及工艺流程

矸石泵送充填系统主要由分级破碎机、带式输送机、连续式强力搅拌机、矸石输送泵和输送管道等组成，泵送充填系统工艺流程21105工作面和设备布置方式如图1、图2所示。

图1 泵送充填系统工艺流程图

岩石集中巷的掘进矸石进入矸石仓，然后输送至分级破碎机，破碎机通过调整齿辊间距来控制破碎粒度的大小，将矸石按一定级配破碎成粗细不等的颗粒和微粉，使用连续式强力搅拌机将破碎后的矸石和水泥加水搅拌成可泵送膏体，通过由HBTS60型拖挂式混凝土泵改造而成的矸石输送泵输送至采空区。工作面采用独头充填，充填顺序沿工作面倾斜方向自下而上依次进行。充填前，在支柱内侧超前充矸位置3 m 处吊挂竹笆，防止充填料外泄。每次充填长度为3m，充填后拆除最前一节钢管，并回撤柱梁，然后进行下一循环充填。系统主要技术参数为矸石处理量60t／h，破碎粒度＜40mm，物料输出压力＜16 MPa，水平输送距离为800 m，管路内径为150 mm，总功率为270 kW，外形尺寸 （长×宽×高）为25m×2.9m×2.8m。

图2 21105工作面泵送充填系统设备布置方式

3 泵送充填试验

3.1 试验目的与方法

采用正交试验方法研究矸石的破碎粒度、物料浓度和水泥的添加量对该系统的泵送和充填效果，以及充填成本的影响，并确定合适方案进行工业性充填。

3.2 确定考查指标

评价充填物料的泵送效果主要取决于充填料的可泵性。膏体充填料的可泵性是膏体充填料在管道泵送过程中的工作特性，主要包括流动性、可塑性和稳定性。物料的可泵性越好，管道阻力越小，泵送压力越低；反之，物料的可泵性越差，管道阻力越大，泵送压力越高。由于工作面采空区对充填体支护要求为充填体24h实现初凝胶结，保证不坍塌外泄，故以充填物料的1天抗压强度来考查采空区充填体的充填效果。

另外，由于充填成本是该系统进行工业性应用的一个重要指标，故将充填每吨矸石所添加的水泥及耗电成本作为经济性指标来考核。

3.3 确定因素水平

结合对辊式破碎机的破碎粒度分布情况，矸石破碎最大粒度为35 mm。充填体强度与水泥用量近似成正比关系，而水泥用量是影响成本的关键因素，应尽量控制水泥用量。充填体只能改善围岩应力状态、限制围岩移动的量值，无论充填体的力学指标高于或低于围岩，都不能完全阻止围岩移动和完全避免由于围岩移动引发的地压活动，因此，对于采空区充填体的力学指标一味强调过高，从经济性上来说并不可取。结合华丰煤矿21105工作面充填体支护要求，水泥添加量为2%～6%，充填物料质量浓度为80%～86%。根据确定的因素水平，选用正交表L9（34）安排试验。各因素设3 个水平状态，见表1。

表1 因素水平

4 试验结果及分析

4.1 试验结果及分析

正交试验的结果见表2。

试验结束后，利用正交试验的结果分析方法——直观分析法对正交试验结果进行分析。对所研究的因素找出它们对试验结果影响的主次关系，以及各影响因素的最优组合条件。结果分析见表3。

表2 试验结果

表3 试验结果分析

由表3可以看出，各因素水平效应值Ki为各因素在i水平状态下试验指标之和；极差R 为各因素水平效应值中最大与最小值之差，它是衡量试验数据波动大小的重要指标，极差大的因素，其变化程度对试验结果影响就大，反之则小。从试验结果中可以得到以下结论：

（1）对泵送压力指标影响因素中，矸石破碎粒度大小的影响最为显著，质量浓度的影响次之，水泥添加量的影响最小。泵送压力随着矸石破碎粒度的减小和质量浓度的降低而减小。因为细粒级矸石量增加，减小了膏体分层度值，使其稳定性变好，随着破碎粒度的减小和质量浓度的降低，膏体的塌落度增大，增加物料的流动性，这些对膏体材料的可泵性有利。

（2）对1天抗压强度指标影响因素中，水泥添加量的影响最为显著，质量浓度的影响次之，矸石破碎粒度大小的影响最小。随着物料中水泥添加量的增加，膏体1天抗压强度显著增加，因为胶结料对强度的影响在早期相对显著，同时随着胶结料的增加呈增长趋势。

（3）对经济性指标影响因素中，水泥添加量的影响最为显著，矸石破碎粒度大小的影响次之，质量浓度的影响最小。随着物料中水泥添加量的增加，每吨矸石的充填费用增加明显，说明水泥在充填成本中所占比重较大。

在试验结果中可以看到试验方案均能保证充填体在24h内初步凝结，使充填体失去塑性而得到初步硬化，并具有一定的强度，满足工作面的安全要求，故在确定工业性充填所用方案时，主要以经济性指标来考查。由表3可以得到充填成本指标水平效应之和与各因素的关系，如图3所示。

图3 充填成本与因素各位级的关系图

各因素的最低成本水平组合由图3可以得出为A2B2C1，即矸石破碎粒度≤25 mm，质量浓度为83%，水泥添加量为2%。

由于分析得出的最佳水平组合与试验安排的最佳组合不一致，因此对分析得出的最佳组合再进行试验，即矸石破碎粒度≤25 mm，质量浓度为83%，水泥添加量为2%，泵送压力为7 MPa时，充填体1 天抗压强度为0.21 MPa，充填成本为7.42元／t。由结果可以看出，该组合为最佳组合方案，故确定该方案为工业性试验方案。

4.2 工业性试验效果

按照正交试验所选定的充填方案，共计充填矸石约为5万t。整个试验过程系统工作稳定，充填区的充填体无水析出，固水性能好，充填体没有坍塌外泄，对顶板有一定的支撑作用，符合华丰煤矿21105工作面的顶板管理要求。

5 结论

（1）井下矸石泵送充填系统结构紧凑、占用空间小，能够适应复杂巷道的矸石膏体长距离管道输送，为井下矸石处理提供了一个新途径。

（2）矸石破碎粒度的大小对矸石膏体的可泵性影响显著，减小破碎粒度可以提高其可泵性；对1天抗压强度指标影响因素中，水泥添加量的影响最为显著，但随着物料中水泥添加量的增加充填成本显著增加。

（3）根据所选用参数进行了井下充填的工业性试验，结果表明利用该系统进行普采工作面的矸石充填，能保证回采、出煤、充填三个主要作业工序平衡、配套，充填体1天后能初步凝结，对顶板有一定的支护作用。

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