矸石胶结材料在邢东矿的实践与应用

吴俊

（冀中能源股份有限公司 邢东矿，河北 邢台 054000）

1 概 况

邢东矿村庄及工业广场煤柱压煤量占全矿井储量的87%，为有效回收煤炭资源，实现地面保护与煤炭开采相互协调，先后实施了巷道矸石充填、工作面矸石充填和超高水充填等开采技术。由于巷道矸石充填资源回收率低、而高水充填成本太高，综合机械化矸石充填相比较而言，兼有充填成本低、充填产量高的优势。但散状矸石存在粘接力低、堆积效果差、需要反复捣实才能密实接顶等弊端，造成充填时间过长，影响矸石充填规模化生产。根据邢东矿12212矸石充填工作面生产统计，面长为56 m的工作面平均充填一刀需要的捣实时间为3 h左右。

为提高矸石充填材料自身的堆积效果，减少捣填实次数及充填时间，考虑在矸石中添加外加剂，即引入散状固体胶结材料来提高充填材料的粘接性能，进而减少架后充填捣实的次数，缩短单次充填捣实的时间，提高充填效果和充填产量。

胶结材料可选用电厂的粉煤灰，也可选用黄土、水泥等，不同配比及不同成分的矸石胶结材料堆积效果及捣实后的成型效果都有不同，本文通过制备不同材料、不同配比的散状固体混合料，并进行堆积角测试，得出最优的材料组合及配比，同时进行井下工业性试验，验证混合料现场堆积捣实效果。

2 矸石添加改性材料配比研究

采用EP100型室内小型破碎机，将矸石和黄土破碎后分为n份实验材料，模拟不同粒径级配和材料配比条件下充填体成型效果，设计4组实验。①矸石自然破碎粒径分布条件下充填体成型效果观测及推实堆积角测量；②矸石中、细粒占主分布条件下充填体成型效果观测及推实堆积角测量；③矸石与黄土配比10∶1条件下充填体成型效果观测及推实堆积角测量；④矸石与黄土配比5∶1条件下充填体成型效果观测及推实堆积角测量。

（1）实验一。矸石自然破碎粒径分布条件下充填体成型效果及推实堆积角。

根据实测结果，矸石自然破碎后粗粒、中粒、细粒所占比重为25%、40%、35%，加入6%的水，模拟工程现场固体充填液压支架推实力，推实以后撤掉千斤顶，测得平均堆积角57°，充填体成型效果一般，撤掉推压力后部分顶部矸石沿切面滑落。

（2）实验二。矸石中、细粒占主分布条件下充填体成型效果及推实堆积角。

调节破碎机出料口径，调整中、细粒颗粒出料比重，破碎后粗粒、中粒、细粒所占比重依次为22%、33%、45%，加入6%的水，模拟工程现场固体充填液压支架推实力，推实以后撤掉千斤顶，测得平均堆积角63°，充填体成型效果有所提高，撤掉推压力后少许顶部矸石沿切面滑落。

（3）实验三。矸石与黄土配比10∶1条件下充填体成型效果及推实堆积角。

在矸石中加入10%黄土，加入6%的水，在黄土作用下散料矸石出现一定的粘聚效果，模拟工程现场固体充填液压支架推实力，推实以后撤掉千斤顶，测得平均堆积角69°，充填体成型效果明显提高，撤掉推压力后矸石不再沿切面滑落。

（4）实验四。矸石与黄土配比5∶1条件下充填体成型效果及推实安息。

在矸石中加入20%黄土，加入6%的水，相比黄土含量10%时散料矸石粘聚效果急剧增加，模拟工程现场固体充填液压支架推实力，推实以后撤掉千斤顶，测得平均堆积角近90°，充填体成型效果非常好，撤掉推压力后充填体形成具备较高强度的垂直墙体。

根据实验结果，从充填体成型和强度效果来看，5∶1效果最佳，但同时该配比条件下充填体粘性太大，对材料投放、存储、运输环节会产生一定影响，存在堵仓的风险；10∶1时充填体成型效果和强度可以接受，且对材料投放、存储、运输环节影响较小，但考虑10∶1条件下室内实验矸石与黄土得以充分混合搅拌，能得到满意的效果。

3 矸石添加改性材料现场工业性试验

为验证添加10∶1改性材料的矸石实际充填效果，在1100南部采区南翼充填工作面实施了固体充填材料碾压改性工业性试验。试验地点为邢东矿11233工作面，试验材料为洗选矸石分别添加胶结粉、水泥、黄土，材料配比均为10∶1。现场充填捣实情况显示，矸石中添加3种改性材料后，混合料均有较大的粘度，捣实1～2次即可成型，堆积角可达80°以上，对提高充填率及捣实效果有良好的促进作用。矸石充填改性材料工业性试验结果对比见表1，矸石充填不同添加改性材料工业试验效果如图1～图3所示。

表1 矸石充填改性材料工业性试验结果对比Table 1 Comparison of industrial test results of gangue filling modified materials

图1 矸石充填添加胶结粉碾压改性工业试验效果Fig.1 Industrial test effect of cemented powder rolling modification for gangue filling

图2 矸石充填添加水泥碾压改性工业试验效果Fig.2 Industrial test effect of gangue filling with cement rolling modification

图3 矸石充填添加黄土碾压改性工业试验效果Fig.3 Industrial test effect of gangue filling with loess rolling modification

4 结 语

通过矸石添加改性材料的配比研究及现场工业性试验，发现矸石与改性材料在配比10∶1时有良好的成型效果及强度，且对材料投放、存储、运输环节影响较小，3种改性材料中，黄土吨煤增加成本较小，对实现高效充填开采，提高充填效果具有良好促进作用，充填体密实充填率达到85%以上。