架间底板拖管充填采空区浆液流动特性试验研究

成云海，王旭东，申 昊，黄国栩

(1.山东科技大学 采矿工程研究院，山东 泰安 271001；2.山东科技大学 煤矿充填开采国家工程实验室，山东 泰安 271000)

煤炭资源是我国最重要的基础能源之一，在一次能源消费总量中占比接近60%[1-3]。但是，随着煤炭资源开采量的不断增加，煤矸石等固体废弃物也随之增加，传统的矸石处理方式就是将其置于地表，严重违背矿山绿色发展理念[4-6]。本文根据李家壕矿井地质条件和开采情况，分析其顶板破碎规律：煤层开采后引起直接顶的垮落，而直接顶岩石破碎后，杂乱堆积。由于岩层破碎后体积将产生膨胀，因此，堆积的高度要大于直接顶岩层原来的厚度，从而使得岩块冐落在采空区形成大量的裂隙[7-9]。其中，开度较大的裂隙形成空腔，能够消耗大量的矸石；开度较小的形成空隙，空腔之间有的通过空隙连通，有的呈现孤立状态。

采空区充填作业具有一定隐蔽性，通常无法直观地观测和掌握浆液在采空区的流动特征，导致现场工程施工及设计材料配比等存在很大的盲目性[10-14]。而物理模型试验作为一门新型的技术科学，通过试验研究和改善被模拟物体现象的布置和构造，把原型转化为恰当的尺寸和形态，忽略次要因素，抓其主要因素，使一些难以实现和观察的试验研究成为可能[15，16]。本研究将模拟试验引入架间底板托管充填技术领域，通过对架间底板拖管充填非胶结膏体采空区进行物理模拟和工程验证，更加直观地分析和研究采空区浆液流动特征。

1 采空区架间底板拖管充填技术构思

1.1 采空区架间底板拖管充填可行性分析

基于采空区矸石冐落特征和上覆岩层运动规律，在煤层开采过程中，可利用工作面后方采空区上覆岩层未大范围垮落或未完全压实的时间差，向岩块碎胀区高压注入以矸石为主的非胶结膏体。充填泵将充填浆料压入冒落岩块间的空腔中，高压泵送浆液使采空区空腔趋于饱和，最终在不改造综采支架和不影响工作面正常采煤的前提下，实现煤矸石高效、规模化处理和利用。其原理如图1所示。

图1 架间底板拖管充填原理Fig.1 Filling principle of floor towing pipe between supports

1.2 采空区架间底板拖管充填工艺

首先，在地面建立矸石仓和泵送站，通过破碎、研磨等手段将矸石加工成一定粒度的矸石颗粒，与水和粉煤灰按照特定的比例拌制成一定浓度的非胶结膏体；然后，通过工业充填泵将充填浆液沿地面管道、下料钻孔、运输巷主管路泵送至采煤工作面，在液压支架人行道侧布置工作面充填主管路，支架架间均匀铺设一定长度的拖管，拖管前端与充填主管路通过三通阀连接，同时拖管前端焊接挂环并通过链条固定在支架上，随采煤作业同步推进。考虑到充填浆料脱水导致工作面溢水，从而影响工作面采煤环境，将工作面全部拖管间隔一定距离分成3～5组拖管(进行循环交替式充填作业)，当距离工作面后方一定距离检测到溢水时，调整三通阀，进行下一组拖管充填，直至完成整个工作面的开采与充填。充填工艺如图2所示。

图2 架间底板拖管充填工艺Fig.2 Towing pipe filling process of the floor between supports

2 试验方案

试验目的是：探究非胶结膏体充填采空区在冐落岩块间裂隙的流动特征，得到管道压力、充填量与浆液浓度、矸石粒径等充填材料参数之间的关系。试验主要材料为煤矸石(毫米级)、粉煤灰和水。试验主要设备包括：压力变送器、电磁流量计、远传模块、笔记本电脑、搅拌机、试验泵、直通球阀等。试验模型如图3所示

图3 试验模型Fig.3 Test model

试验流程如下：

1)采用木板拼装尺寸为1 m×1 m×1 m的试验箱体，将特定级配的矸石装入试验箱体，同时预埋充填管(∅32 mm×3 mm无缝钢管)，箱体外连接电磁流量计和压力计组成充填管路系统。

2)按照设计配比拌制非胶结膏体并倒入储浆池。

3)开始充填。打开试验泵，观察并记录浆液流动情况。

4)停止充填。当储浆池里的浆液全部充填完毕或达到试验泵最大泵送压力或浆液停止流动时停止充填作业。

5)拆模。静置24 h，打开实验箱，沿管道走向竖向剖开矸石堆，观察并记录试验箱体内部浆液的分布及流动情况。

试验编号和具体条件见表1。

表1 试验设计方案Table 1 Test design scheme

3 浆液流动特性

3.1 浆液流动特征

非胶结膏体进入采空区后的流动特征是设计充填工艺和充填材料配比的重要依据[17]。针对非胶结膏体在采空区内的流动特征，主要围绕浆液在采空区内的流动扩散规律、浆液扩散范围和浆液矸石颗粒迁移分选规律进行研究[18]。浆液流动扩散过程中，矸石级配与质量浓度有明显的分选性，沿管路走向方向，随着远离出浆管口，浆液中粗颗粒矸石占比逐步减少，细颗粒矸石占比逐步增加，非胶结膏体质量浓度呈降低的趋势。这是由于在浆液迁移扩散过程中，粗颗粒矸石沉积速度快，并且在通过同一开度岩块裂隙的时候，粗颗粒矸石容易在裂隙口发生堆积，在倾向边界和走向边界处形成浆液堆积点，发生堵塞效应，直至堵塞裂隙口。依据上述分析得到浆液充填采空区在冐落岩块缝隙间流动扩散形态和路径如图4所示。

图4 浆液流动扩散模拟Fig.4 Slurry flow diffusion simulation

3.2 充填管路压力

试验过程中，通过压力计实时对管道压力进行记录，如图5、图6所示。由图5可以看出，浆液中最大矸石粒径对管道充填压力影响较大，随着矸石粒径逐渐增大，管道压力会更早达到试验泵最大泵送压力0.4 MPa，表明浆液中的粗颗粒矸石在岩块裂隙中难以流动、渗透，从而增加管路堵管、炸裂的风险；观察浆液中最大矸石粒径为2.5 mm时，泵送过程中，管道压力值稳定在0.2 MPa，表明浆液在试验箱体内选择性渗透，未完全堵塞。由图6可知，浆液浓度变化对管道压力的影响较小，在达到最大泵送压力之前，随着浓度的增大，管路压力变化趋势缓慢，表明浆液浓度的升高，造成矸石颗粒数量的增加，渗透性能降低。

图5 固定浓度(75%)，最大粒径对管道压力影响Fig.5 Influence of maximum particle size on pipeline pressure under constant concentration(75%)

图6 固定最大粒径(5 mm)，浓度对管道压力影响Fig.6 Influence of concentration on pipeline pressure under constant maximum particle size(5 mm)

3.3 瞬时流速及累计流量

各因素与浆液流速的关系如图7所示，可以看出：采用拖管充填的方式对采空区模型进行充填，浆液从管口向四周扩散，瞬时流速迅速上升达到峰值，表明浆液会首先流动到管口临近空腔，之后进行选择性渗透扩散阶段，浆液经有效空隙流入到下一个空腔，此过程缓慢会引起瞬时流速有明显的降低。随着矸石粒径的增大，粗颗粒矸石在空隙口堆积导致裂隙口逐渐阻塞，浆液不再渗透流动；经浆液流动渗透作用，试验箱体内累计充填量随矸石粒径的改变发生明显变化；浆液浓度相同时，制备浆液的矸石颗粒越大，累计充填量越小且差距明显；浆液中最大矸石粒径相同时，质量浓度越大，累计充填量基本趋于稳定，但浆液扩散速度降低，导致试验箱饱和的时间更长，如图8所示。相同的充填作业条件下，浆液累计充填量主要取决于浆液中矸石的最大颗粒粒径，浆液浓度影响次之。

图7 各因素与流速的关系Fig.7 Relationship between various factors and flow velocity

图8 各因素对累计充填量的影响Fig.8 Influence of each factor on cumulative filling amount

3.4 浆体采空区流动特征

试验结束后，将试验箱静置24 h，由于充填浆液脱水，会导致试验箱浆液迁移范围内的矸石形成结石体[19，20]，打开试验箱体，非胶结膏体在试验箱内的扩散范围近似于半球形；利用切刀沿管路走向竖向剖开剩余矸石堆，更进一步的分析浆液在采空区的流动特征。随着浆液中矸石粒径的增大，试验箱未饱和的空腔数量显著增多且浆液扩散范围急剧减小；随着深入采空区，浆液中粗矸石颗粒呈减少的趋势，细颗粒矸石占比呈增加的趋势，采空区堆积岩块对浆液中的矸石分选性明显，粗颗粒矸石更容易发生阻塞，而细颗粒矸石颗粒能通过较小的岩块缝隙渗透到采空区深部。

4 工程应用验证

4.1 工作面概况

试验工作面为李家壕矿井31116综采工作面，位于3-1盘区，主采3-1煤，煤层厚度为5.4～5.7 m，倾角为0°～3°，煤层节理发育煤系复杂，煤层局部含一层夹矸，夹矸厚0～0.25 m，夹矸上煤厚4.7～5.1 m，夹矸下煤厚0～0.65 m。工作面采用长壁后退式全部垮落综合机械化采煤法，工作面倾向长度为300 m，一次采全高，采高为3.45～5.55 m。试验期间，工作面距离充填泵位置310 m，工作面采用“三八制”作业，早班检修，中班、夜班各按5个循环组织采煤，日割煤10刀，截深0.8 m。工作面布置如图9所示。

图9 工作面布置Fig.9 Working face layout

4.2 充填工艺流程设计

工程应用主要分为地面干料制备、制浆、泵送充填三个环节。首先在地面进行矸石破碎、筛分，之后利用制浆搅拌一体机等设备将水和粉煤灰拌制成一定浓度的非胶结膏体，利用防爆罐车运输至井下充填站，然后利用充填泵加压后通过充填主管路及架间底板拖管向冒落区进行充填。考虑到浆液脱水对工作面设备和生产环境的影响，试验采用拖管交替式充填作业，在工作面后方检测到溢水时，关闭拖管前端的充填球阀，进行下一组拖管充填。充填工艺流程：砖厂破碎、筛分好的矸石→TD75带式输送机(称重给料机)→制浆搅拌一体机→罐车→井下充填泵→充填管路→采空区。充填工艺流程如图10所示。

图10 充填工艺流程Fig.10 Filling process

4.3 工程效果及检验

现场共进行四组不同深度的拖管(8、12、15、18 m)充填试验，合计泵送浆液约为44 m3，运输过程中损失量约为12%，井下实际泵送为38.7 m3，消耗矸石量为29.79 t。根据工程现场实际充填数据记录，矸石最大颗粒粒径为2.5 mm、浆液质量浓度为75%，井下泵送压力稳定在6～8 MPa，每组拖管可消耗矸石量为11.2 t，预计该工作面整体布置拖管时，年消耗矸石量可达37.0 t。现场试验表明：拖管深度为8 m时，在工作面支架底板处约2～3 cm会出现溢水现象；拖管布置超过12 m时，工作面无溢水现象，此时工作面推进速度与架间拖管充填协调进行。

5 结 论

1)首次将架间底板拖管充填技术应用于工程现场，并获得试充成功。取得了工程参数和充填材料参数，解决了矿井采煤与充填作业时空干涉难题，为井下充填开采提供新思路。

2)分析了最大矸石粒径与质量浓度对非胶结膏体充填采空区内流动特征的交互影响，得出了浆液中最大矸石粒径为2.5 mm，浆液在采空区内的流动特性最好，能大幅度提高矸石消耗量。

3)揭示了浆液在采空区内矸石颗粒阻塞机理：浆液迁移扩散过程中，粗颗粒矸石沉积速度快，并且在通过同一开度岩块裂隙的时候，粗颗粒矸石容易在裂隙口发生堆积，在倾向边界和走向边界处形成浆液堆积点。

4)物理模型试验表明，充填浆液从出料口流出后，立即向四周扩散，矸石粒径与质量浓度有明显的分选性；同时由于受到重力及充填推力的作用，在垂直方向上，浆液向管口下部的渗透速度大于其向上部渗透的速度，在水平方向上，沿管口走向浆液渗透速度更快。但随着浆液充填量的增加，浆液渗透达到一定的深度，向下及向前的渗透趋势逐渐缓慢，浆液开始反向选择渗透，最终浆液的扩散范围近似为半球形。