综合机械化充填采煤

第9 期
刘建功等： 综合机械化充填采煤
1415
压强度随时间变化的关系曲线。 可以看出， 超高水充填材料固结体早期强度特征 R4h 、 R6h 、 R8h 、 R1d 、 R2d 、 R3d 、 R7d 分 早期强度 R2h 、 明显， 4% ～ 26% 、 8% ～ 别占最 终 强 度 的 1. 96% ～ 21% 、 15% ～ 35% 、 22% ～ 43% 、 29% ～ 52% 、 36% ～ 30% 、 61% 和 66% ～ 90% 。7 d 后强度增长缓慢， 水体积 97% 最终强度可达 0. 66 MPa。 材料的凝结 时 间 在 90 min 内 可 调； 经 试 验，其 体 积 应 变 范 围 在 0. 000 75 ～ 0. 003 00 ， 可认为体积不可压缩， 对充填十 分有利。
要： 为了消除煤矿矸石山以及减轻对周边环境的影响 ， 结合安全开采建筑物下大量压煤， 进行 了 3 种类型充填采煤试验。通过对不同充填介质材料实验研究 ， 基本掌握了合理的充填材料配比 ， 摘 各种充填材料的压实度、 流变性及风化性等力学特性； 研发出采充一体液压支架充填与挤捣实装置 和采充隔离密封机构等具有自主知识产权的核心技术 ； 解决了固体输送系统中的大垂深大投量防 堵、 防冲击缓冲泄压等难题， 研制了充填料配比、 实时来料质量动态调整计算机智能控制系统 ； 优化 了充填工艺与系统成套装备等充填技术参数 。 关键词： 综合机械化； 充填采煤； 充填材料； 采充液压支架； 充填工艺； 充填系统 中图分类号： TD823. 7 文献标志码： A
图2 Fig. 2
现场充填材料时间相关特性曲线 Time correlation characteristic curve of field filling material
3 m3 ， 水 372 ～ 494 kg / m 。
1. 3
超高水材料 B 两种物料组成。 A 料主要以铝 材料主要由 A、
第 35 卷第 9 期 2010 年 9月
煤 炭 学 报 JOURNAL OF CHINA COAL SOCIETY
Vol． 35 Sep．
No． 9 2010
文章编号： 0253 － 9993 （ 2010 ） 09 － 1413 － 06
综合机械化充填采煤
刘建功， 赵庆彪
（ 冀中能源集团有限责任公司， 河北 邢台 054000 ）
等矿物； 粉煤灰主要是非晶物质 1. 1. 1 压实特性
。
， 取得了非常好的效
压实度 k 是充填材料在压实过程中受外力作用
收稿日期： 2010 － 06 － 24 责任编辑： 柴海涛 E － mail： jiangong@ gbol. com. cn 作者简介： 刘建功（ 1956 —） ， 男， 山东沾化人， 教授级高级工程师， 博士生导师， 博士。Tel： 0319 － 2066999 ，
按规定选取若干份矸石与粉煤灰进行时间相关 性试验， 压力保持在 7. 5 MPa， 得时间相关性特性曲 线， 如图 2 所示。
不小于 1. 0 MPa 等技术要求下， 初步配比实验的质量 浓度控制在 72% ～ 81% 时， 配比要求： 胶结料 100 ～
3 150 kg / m3 ， 粉煤灰 400 kg / m ， 煤矸石 723 ～ 1 084 kg /
B料 土矿石膏等独立炼制并复合超缓凝分散剂构成 ， ［4 ］ 由石膏、 石灰与复合速凝剂构成 。 二者以 1 ∶ 1 比 例混合使用， 材料水体积可达到 97% 。 力学特性 4 92% 、 图 是 超 高 水 充 填 材 料 水 体 积 为 91% 、 93% 、 94% 、 95% 、 96% 与 97% 等 7 个级别固结体抗 1. 3. 1
图1 Fig. 1
充填材料压实度随压实力的变化曲线 with compaction strength
The variation curve of filling material compactness
由图 1 可知： ① 充填材料的压实度 k 随着压实 力 σ 的增大而减小， 特别在初始阶段， 压实度 k 的变 化较快； ② 在 0 ～ 2. 5 MPa 范围内， 压实度降幅最大； 当应力超过 10 MPa 后， 压实趋于稳定， 压实度值变化 很小， 最终维持在 0. 87 ； ③ 充填材料的密度随着压实 力增大是递增的， 在自然松散状态下的密度 1. 42 t /
超高水材料单浆流体流变性基本 研究结果表明， ， 属无黏性料浆 可视为牛顿流体。黏度随时间变化对 这为实施长距离输送提 工程应用不会产生较大影响， 供了理论基础。 A、 B 两种浆液混合后， 即开始发生反应， 混浆体 属震凝性时变非牛顿 的流变性随时间发生显著变化， 流体。试验表明， 材料临近凝结时存在拐点， 即在极 短的时间内黏度值迅速攀升， 混合浆体很快失去流动 性。因此， 输送混浆体时， 若初凝时间短， 则拐点黏度 值较低， 易在临近凝结时发生管路堵塞。
由图 2 可知， 充填材料的变形量主要发生在加载 初期， 此阶段的变形量为 8. 7% ； 压力稳定后的变形 2. 量为 8% ， 最终的总变形量为 11. 5% ； 现场采样测 得的充填材料平均含水率为 9. 18% ， 结合现场充填 材料的密度测试结果分析， 每采 1 t 煤要充填 0. 83 t 充填材料。
Comprehensive mechanized filling coal mining
LIU Jiangong， ZHAO Qingbiao
（ Jizhong Energy Group Co． ， Ltd． ， Xingtai 054000 ， China）
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Abstract ： In order to eliminate coal waste dump and reduce the impact on the surrounding environment， combined with a lot of pressure under the building safety coal mining， three types of filling coal mining test were carried out． Through the experimental studies of different filling dielectric material， basic mastered reasonable ratio of filling materials， the mechanical behavior of various filling materials ’ compactness， rheological， weathering characteristic， and so on； researched and developed mining and filling integrated hydraulic support， filling and compaction equipment and the sealfilling isolation with the core technology and equipment of independent intellectual property； ing mechanism of mining， overcame the puzzle of prevent plugging and impact buffer blowdown with large vertical deep and input in the solid transportation system， developed the ratio of filling materials， the system of quality intelligent automatic control； optimized the parameters of filling technology and system package of equipment． Key words： comprehensive mechanized； filling coal mining； filling material； mining and filling hydraulic support； filling technology； filling system 冀中能源集团有限责任公司在河北省内有 38 对 37 座 矸 石 山， 生产矿 井， 堆 积 量 8 192. 6 万 t， 占地 217. 2 hm2 。每年矸石产出量约 808. 8 万 t， 利用率只 有 57. 3% ； 电厂粉煤灰每年产出量约 140 万 t， 利用 率 67. 0% 。由于大部分是投产近 30 a 及以上的矿 ， “三下 ” 井， 因此可采储量不足 压煤约 11. 1 亿 t。 为 结 减少矸石山占用土地以及减轻对周边环境的影响 ， 3 a 多来， 合安全开采建筑物下压煤， 冀中能源集团邢 台煤矿、 小屯煤矿和陶一煤矿先后与中国矿业大学合 作， 采用固体、 膏体和超高水充填介质开展建筑物下 综合机械化充填采煤试验
1414
煤
炭
学
1. 2 1. 2. 1
报
矸石膏体材料
2010 年第 35 卷
而被压实的程度， 它用压实后的体积 V ys 与原松散状 V 态下的总体积 s 之比来表示， 可简化为应变 ε 的表 即 k = V ys / V s = 1 － ε。 达式， 由试验知， 当矸石与粉煤灰配比为 1 ∶ 0. 31 ， 压 压实度 k 变化差 实力由 1. 5 MPa 提高到 7. 5 MPa 时， 压实变形量 值很小（ 其值 0. 066 ） 。表明在此配比下， 也非常小。图 1 是充填材料压实特性曲线。
3 m3 ， 最终加载至 20 MPa 时为 1. 65 t / m 。 1. 1. 2 流变特性
图3 Fig. 3
胶结料膏体与 42. 5 级水泥膏体强度对比 Comparison of cementing material paste with 42. 5 level cement paste intensity
煤矸石级配优化 破碎煤矸石粒径级配考虑了两种 根据现场考察，
＜ 5 mm 煤矸石和 5 ～ 25 mm 煤矸石。 通过对 规格， 得出： 两种规格的煤矸石进行实验室优化配比实验 ， 当 ＜ 5 mm 破碎煤矸石含量在 38% 左右时， 膏体充填 材料流动性能较好， 且早期和后期强度都相对较高。 1. 2. 2 胶结料对比实验 膏体胶结料亲泥性要好， 能在掺量较少条件下固 ［3 ， 9 － 10 ］ 。 为掌握胶结料 结各种含泥量煤矸石废弃物 的性能， 对胶结料（ 主要原料为水淬渣 ） 和 42. 5 普通 硅酸盐水泥配制膏体进行了对比实验 ， 实验结果如图 3 所示。
［1 － 5 ］
果。
1
1. 1
充填介质（ 材料） 研究
矸石与粉煤灰固体材料 将矸石（ 粒度 ＜ 25 mm ） 与粉煤灰按一定比例混
合配成充填材料， 其物理力学特性对物料输送及充填 特别是充填材料的压实特性及流变特 工艺很重要， 性
［6 － 8 ］
。洗选矸石主要成分是石英、 高岭土和伊利石
［2 ， 5， 9 ］
由图 3 可知， 胶结料早期强度高的特性十分明 3 1 d 龄期膏 显， 胶结料用量在 60 ～ 150 kg / m 范围内， 3 d 龄期强度为同 体强度为同量水泥膏体的 5 ～ 8 倍， 7 d 龄期强度为同量水泥膏体 量水泥膏体的 2 ～ 3 倍， 膏体料浆可泵时间为 的 1 倍 以 上。 经 改 性 研 究， 2. 5 h 以上， 上强度时间为 4 h， 满足了充填工艺要 求。 1. 2. 3 膏体配比选择 在统一坍落度为 （ 250 !10 ） mm， 静置泌水率小 28 d 于 5% ， 单轴抗压强度 8 ～ 10 h 不小于 0. 1 MPa，