粉煤灰基材料采空区充填方式及评价

陈维新 金珠鹏 关显华 李涛 张博 程妍

摘 要：为开采“三下”压煤，结合粉煤灰基胶结材料的使用方法和基本性能，提出粉煤灰基胶结材料采空区充填技术。该技术采空区充填方式主要包括袋式、挡板式。分析评价不同充填方式的具体种类的适用性、优缺点，得出结论：袋式充填种类较多，适应性较强;挡板式充填适用于仰斜或短壁走向开采的采空区;袋式充填一般会选用部分充填并沿空留巷的方式布置充填体;挡板式全部充填的空顶距取决于挡板高度以及煤层倾角。

关键词：粉煤灰基胶结材料 采空区 袋式充填 挡板式充填 充填效果

中图分类号：TD823.7  文献标识码：A

文章编号：1004-4914（2022）04-279-03

一、引言

随着煤炭的不断开采，煤炭资源枯竭问题日益显现，成为老煤炭工业矿区社会、经济可持续发展的瓶颈。矿区工业广场、铁路、城镇、水体下的保护煤柱，成为数量可观的优质煤炭资源。探索上覆岩层不被破坏、地表无明显扰动的采空区充填技术，是能够回采这些滞留煤量，延长矿井服务年限，维持老煤炭矿区社会经济持续发展的重要技术保障[1]。目前，应用较普遍的是胶结材料充填采空区技术，其将水、固体垃圾（废弃物）、胶结剂混合后[2-9]充填采空区。所用固体垃圾一般为工矿废料，如粉煤灰、矿渣等。

粉煤灰基胶结材料充填采空区技术依托于新型粉煤灰基胶结材料。该材料具有成本低，流动性好，早期强度高等特点[10]。在进行粉煤灰基胶结材料充填开采时，运用管路将浆料输送至采空区的封闭空间，浆料凝固后形成充填体，防控上覆岩层离层垮落、地面沉陷[11]。采空区的封闭空间如何布置，即充填方式的选择，关系到充填效率、充填效果、充填造价，如冯光明[12]对超高水材料采空区充填开采技术的充填方式的充填过程、优缺点及适用条件进行了评价，得出了相关结论。因此，研究粉煤灰基胶结材料采空区充填方式，对粉煤灰基胶结材料“三下”压煤充填开采具有重要指导意义。

二、粉煤灰基胶结材料采空区充填技术

粉煤灰基胶结材料的主要原材料为具备一定活性的矿区废弃粉煤灰，充填前先与HJJ系列活化剂搅拌陈置4～24h，有效激发其活性后得到灰浆，粉煤灰活化后的灰浆不凝固。灰浆中加入水泥、石灰、石膏、KYY-ZH系列早强缓凝剂、KYY-S系列速凝剂搅拌后得到成浆[13]。

粉煤灰基胶结材料水固比为0.95～1.25，粉煤灰占固体料的80～90%。成浆的质量浓度一般比对应的灰浆高8%，而且灰浆与成浆的体积比为0.97。成浆初凝时间40～140min，终凝与初凝时间差不超过30min。材料养护龄期8h、1d、3d、28d单轴抗压强度分别为0.7～1.0MPa，2.0～2.5MPa，3.0～4.0MPa，5～7MPa[11]。成浆硬化形成的固结体具有亲水性，在水环境中重结晶性较好，稳定性良好，体积应变较小，因此，相比其他充填材料，在井下密闭、潮湿的环境中，粉煤灰基胶结充填材料具有一定的优势，是一种理想的井下充填材料。

基于粉煤灰基胶结材料的使用方法及基本性能，该采空区充填技术由制浆，输浆，充填三部分工艺系统组成[13]，如图1所示。制浆包括灰浆、成浆制备系统。输浆由灰浆转运和成浆输送两个步骤组成。运用成浆制备系统得到灰浆，然后用A渣浆泵经管路，泵送到成浆制备系统，得到成浆。然后通过B渣浆泵经管路，泵送至充填工作面。

采空区充填的主要工作是布置密闭空间，使浆料约束在密闭空间凝固后形成充填体，防控上覆岩层垮落、移动。密闭空间的布置，即充填方式，主要包括袋式、挡板式两种。充填方式的选择主要取决于煤层赋存及开采条件、充填造价、地面沉降要求。

三、采空区充填方式及评价

（一）袋式充填

1.袋式充填种类。袋式充填是将方形特制袋作为密封空间，袋的材质一般为聚乙烯等柔性塑料。充填时，充填袋四周必须架设模板、支柱，以实行充填体接顶、避免溃袋。根据充填率，袋式充填可分为袋式部分充填、袋式全部充填两类。

袋式全部充填是将采空区全部充满。袋式部分充填，以单一长壁综采工作面为例，如图2所示，按布置方式可分为条带式、柱式两类。图2中，L2=0，L1>0时为条带式充填，充填袋沿工作面开采方向布置，充填后形成条带。条带间距L1需考虑顶板岩性、空顶距、充填后上覆岩层离层、破断等情况，一般通过数值模拟或计算确定。柱式充填是将每个充填袋作为单独充填体分布于采空区，每一个充填袋为一个“煤柱”，各充填袋在开采方向的间距L2>0，柱式充填一般会在沿空留巷侧形成充填条带，用于沿空留巷。此外，袋式充填的充填袋长边一般与倾向平行，以便于支设支柱模板和充填体接顶，条带式充填一般会在下巷沿采空区留巷，作为下一个采区的上巷。

2.袋式充填适用条件及优缺点分析。袋式充填原则上适用于一切开采条件。考虑支设支柱、模板难度，部分充填在实际中一般适用于煤层倾角在12°以内，沿走向开采的采空区。全部袋式充填一般用于水平或近水平煤层的采空区。其中，柱式充填需用于顶板岩性极好、空顶距较大的煤层采空区。

袋式部分充填的优点是材料用量、充填工作量较少、充填效果比较直观，缺点是空顶面积大。袋式全部充填优点是能最大限度的保证充填效果，即使个别发生溃袋，也基本不会影响充填整体效果。缺点是充填工作量繁多，劳动组织复杂，采充容易产生接续问题降低充采效率。

（二）挡板式充填

1.挡板式充填种类。挡板式充填封闭空间的封闭面大部分由煤（岩）壁、顶、底板组成，只有一面是人工支设的挡板。挡板根据现场情况选择木质或铁质（如建筑模板）。根据采煤方法可分为置换式、全部充填。

（1）置换式充填。置换式充填分为柱式、连采式置换两种。柱式置换充填开采工艺，如图3所示。必须先采A煤柱，然后用挡板（墙）与煤（岩）壁形成封闭空间，充填等体积量的充填浆料，完成部分充填。如全部充填，则待之前充填料浆硬化后，再开采B煤柱。连采式置换充填开采工艺，如图4所示，待连采机采煤后，设置挡板进行充填。充填工作面一般采用双翼对拉开采，每两个采场巷道同时回采，采场巷道开采分為五个开采阶段，每个开采阶段完成后要及时对采场巷道进行充填。五个充填开采阶段分别为A-A、G-G，B-B、H-H，C-C、I-I，D-D、J-J，E-E、K-K，然后是边角煤充填开采阶段，分别为F、M-M、N-N、O-O，其余边角煤只开采不充填。

（2）全部充填。以单一倾斜长壁工作面实行采空区全部充填为例。需自开切眼到最小控顶距的3/5处开始支设挡板，而且挡板的高度，应使充填后，空顶距L应小于最大空顶距，如图5所示。在挡板高度一定的情况下，煤层倾角越大，L值越大。充填管路入料口布置于模板最上方。如果工作面较长或采空区有部分落矸，可以沿工作面间隔布置入料管路，避免有漏充区，增加充实率。如果沿空留巷，留巷侧挡板水压较大，单体液压支柱排列密集，工作量较大，很可能会超过留巷产生的效益，因此该种方法一般不会沿空留巷。如果煤层厚度较小，倾角较大，顶板较好控顶距较大也可不设挡板。

2.挡板式充填适用条件及优缺点分析。柱式置换式充填一般与房柱式开采相结合进行采空区充填，实现充采结合。巷式置换充填只适用于连采机采煤空区。由于俯斜开采或长壁走向开采挡板支设难度或工作量较大，所以，挡板式全部充填适用于仰斜开采或者短壁开采。

置换式充填的优点是采充先后进行，生产接续较易掌控。缺点是产煤量较低。全部充填方法的优点是充填系统较简单，充填材料快速胶结固化，与原煤层顶底板形成完整“地质体”，能最大程度地实现回采煤层上覆岩层无破断、地表无明显沉陷的充填开采。缺点是充填量较大，采充接续较困难。

四、结论

一是基于粉煤灰基胶结材料的采空区充填技术，考虑煤层赋存以及开采条件、充填造价、地表下沉量要求等提出了袋式、挡板式两类主要的充填方式。袋式充填种类较多，适应性较强，工艺较复杂;挡板式充填适用于仰斜或短壁走向开采的采空区，工艺较简单。

二是袋式充填一般会选用部分充填的形式并采用沿空留巷的方式布置充填体。挡板式充填中的置换式充填可以是部分或全部充填方式。挡板式全部充填的空顶距取决于挡板高度以及煤层倾角。

[基金项目：黑龙江省自然科学基金联合引导项目（LH2019E119）]

参考文献：

[1] 陈维新，付明超，刘世明.粉煤灰基胶结材料袋式条带充填开采实验[J].黑龙江科技大学学报，2014，24（04）：360-363.

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[11] 陈维新，李凤义.粉煤灰基胶结充填材料基本性能的实验研究[J].黑龙江科技大学学报，2015，25（04）：375-380.

[12] 冯光明，孙春东，王成真，等.超高水材料采空区充填方法研究[J].煤炭学报，2010，35（12）：1963-1968.

[13] 陈维新，李凤义，单麒源.粉煤灰基胶结充填材料的流变特性[J].黑龙江科技大学学报，2019，29（01）：105-109.

（作者单位：1.黑龙江科技大学矿业工程学院 黑龙江哈尔滨 150022;2.中国矿业大学（北京）能源与矿业学院 北京 10083）

[第一作者简介：陈维新（1984—），男，山西忻州人，汉族，讲师，硕士，研究方向：破碎围岩治理，充填开采。]

（责编：若佳）