CN113929402B

CN113929402B - 一种采空区充填方法

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Publication number: CN113929402B
Application number: CN202111400658.8A
Authority: CN
Inventors: 金佳旭; 秦志发; 武鹏飞; 左胜浩; 李祥磊; 刘成华
Original assignee: Liaoning Technical University
Current assignee: Liaoning Technical University
Priority date: 2021-11-24
Filing date: 2021-11-24
Publication date: 2022-10-21
Anticipated expiration: 2041-11-24
Also published as: CN113929402A

Abstract

本发明涉及矿山填充技术领域，具体涉及一种采空区充填方法。以煤矸石作为充填骨架结构，以自密实水泥‑尾矿浆料作为空隙填充浆料；所述自密实水泥‑尾矿浆料原料包括尾矿砂、水泥、水以及粘度改性剂。本发明根据预填骨料混凝土的概念，将煤矸石的干式回填法和浆式回填法相结合，提出一种新的采空区充填方法以及一种新的采空区充填用自密实水泥‑尾矿浆料；通过预先放置的煤矸石骨料减少了单位体积自密实水泥‑尾矿浆料和水泥的用量，从而降低了成本。同时，煤矸石作为粗集料，也提高了矸石充填体的刚度和强度。

Description

一种采空区充填方法

技术领域

本发明涉及矿山填充技术领域，具体涉及一种采空区充填方法。

背景技术

矿体中因开采而形成采空区，在上覆压力和地下水等因素的作用下，煤柱和开采区两侧的煤层软化，失去强度，导致上覆岩体塌陷、冒落，形成滑坡；地下采空区对采矿工程的危害主要体现在两个方面：一是采空区矿柱变形、破坏、顶板大面积冒落、岩移，造成地表沉陷、开裂和塌陷，破坏地面环境和影响露天作业，更为严重的是采空区突然垮塌的高速气浪和冲击波造成的人员伤亡和设备破坏；另一方面在矿山开采过程中，采空区围岩受爆破震动影响导致岩体裂隙发育，甚至贯通地表或连通老窑积水，发生突水事故，淹没坑道和工作面，造成巨大经济损失；为了防止上述问题的发生，消除生产隐患，需及时而有计划地对采空区进行充填处理。

由胶凝材料和矿山固体废弃物组成的胶结充填体在治理采空区方面应用广泛。尾矿、煤矸石等胶结充填体中的采矿废料的利用，对生态环境有很大的益处，能很好地控制地表沉陷。经过一个多世纪的发展，井下充填开采技术由包括废弃物干式充填、水砂充填、细砂胶结充填的传统工艺向以高浓度充填、全尾矿胶结充填、膏体充填、高水充填、固体废弃物直接充填等为代表的现代充填开采阶段转变。现代充填开采技术中普遍采用的充填材料具备可泵送性，为了降低泵送难度，需要保证流动性，同时为了保证充填体与顶板的充分接触，也需要流动态充填材料具有一定的形状保持能力，因此，高固含量的膏体充填材料得到了广泛应用，但是制备膏体充填材料需要专用的搅拌设备，井下输送设备的要求也较高。膏体充填材料的性能存在力学强度低、蠕变变形大，孔隙率高、耐久性差等问题。在建筑工程中，与其他水泥基材料相比，常规胶结充填体的粘结剂含量相对较低，而高掺量固体废弃物的掺入通常导致高固相体积分数。低粘结剂含量和高掺量固体废弃物的使用有助于和减少环境影响，但其强度、密实度和抗渗性远低于常规水泥基材料。

为了达到固体废弃物的资源化利用的目的，将煤矸石、尾矿砂作为充填材料填充到地下采空区中，可以很大程度上解决煤矸石、尾矿砂堆积问题，间接治理了环境污染问题，减少了废弃物堆积治理投入的经济成本与人力成本，还能改善居民居住环境，具有重大的社会经济效益。但是，煤矸石的粒径普遍较大，如果将其作为粗骨料制备出充填材料，会增大泵送难度与能耗，还具有较大的堵管风险，而尾矿砂充填材料的浆料制备需要大型的专业设备，前期投资较大。而尾矿砂充填材料一般由尾矿砂、胶凝材料与水组成，将其通过泵送装置输送到地下采空区后，随着胶凝材料水化，充填体强度发展，能够支撑顶板，降低地表沉降，还可以固化尾矿砂中有害的重金属离子等。一般情况下，尾矿砂充填材料的固体质量分数一般为50-70％，添加絮凝剂后可以提高到80％，其中胶凝材料占固体含量的2-8％。近些年来，为了提高相同胶凝材料含量条件下的尾矿砂充填材料硬化强度，其固体质量分数在不断提高。但是，高固含量尾矿砂充填材料的流变性能调控成为影响回填施工的关键因素，流变行为受到多种参数的影响，例如固体的粒径分布、孔溶液化学组成、搅拌程序、固含量及化学外加剂等。随着固体质量分数的增大，尾矿砂充填材料的粘度与屈服应力增大，并且表现出明显的剪切增稠行为，即随着剪切速率增大，粘度增大，这无疑会对尾矿砂充填材料的泵送产生负面影响。

发明内容

基于上述内容，本发明提供一种采空区充填方法。根据预填骨料混凝土的概念，将煤矸石的干式回填法和浆式回填法相结合，提出一种新的采空区充填方法以及一种新的采空区充填用自密实水泥-尾矿浆料。

本发明的技术方案之一，一种采空区充填方法，以煤矸石作为充填骨架结构，以自密实水泥-尾矿浆料作为空隙填充浆料；

所述自密实水泥-尾矿浆料原料包括尾矿砂、水泥、水以及粘度改性剂。

进一步地，所述自密实水泥-尾矿浆料中固体原料总质量分数为50-80％，水灰比为0.6-1.2。

进一步地，所述原料还包括聚羧酸减水剂，所述粘度改性剂为羟丙基甲基纤维素和聚丙烯酰胺，其中羟丙基甲基纤维素用量为水泥质量的0.1％，聚丙烯酰胺用量为水泥质量的0-0.30％。

进一步地，所述煤矸石粒度为16-25mm，所述水泥为P·O 42.5硅酸盐水泥。

进一步地，所述水泥、尾矿砂和煤矸石的表观密度分别为3.10g/cm³、2.67g/cm³和2.35g/cm³；所述聚丙烯酸铵为阴离子型，分子量为2400万。

进一步地，具体包括以下步骤：

步骤1：将煤矸石填充进采空区，形成骨架结构；

步骤2：将聚丙烯酰胺加入水中搅拌混匀得聚丙烯酰胺溶液；

步骤3：聚丙烯酰胺溶液中加入水泥和尾矿砂的预混料继续混匀得到混合浆料；

步骤4：混合浆料加入聚羧酸减水剂和羟丙基甲基纤维素搅拌混匀后均质得到自密实水泥-尾矿浆料；

步骤5：自密实水泥-尾矿浆料浇注在填充有煤矸石的采空区。

进一步地，所述步骤2中搅拌混匀具体为50转/分钟混合10分钟；所述步骤3中的水泥和尾矿砂的预混料具体为将水泥和尾矿砂在150转/分钟添加下干混合3分钟得到。

本发明的技术方案之二，一种采空区充填用自密实水泥-尾矿浆料，原料包括尾矿砂、水泥、水、粘度改性剂以及聚羧酸减水剂；

其中所述自密实水泥-尾矿浆料中固体原料总质量分数为50-80％，水灰比为0.6-1.2；

所述粘度改性剂为羟丙基甲基纤维素和聚丙烯酰胺，其中羟丙基甲基纤维素用量为水泥质量的0.1％，聚丙烯酰胺用量为水泥质量的0-0.30％。

进一步地，所述水泥为P·O 42.5硅酸盐水泥，所述水泥、尾矿砂的表观密度分别为3.10g/cm³、2.67g/cm³；所述聚丙烯酸铵为阴离子型，分子量为2400万。

进一步地，所述自密实水泥-尾矿浆料中固体原料总质量分数选自50％、60％、70％、80％中的一种，水灰比选自0.6、0.8、1.0、1.2中的一种。

在所述自密实水泥-尾矿浆料的原料确定过程中，首先选择特定的水的用量，然后确定自密实水泥-尾矿浆料的固体质量分数和水灰比，根据所确定的固体质量分数、水灰比和水的用量计算水泥和尾矿砂的含量并加权得到水、水泥、尾矿砂的用量，然后根据原料总质量确定羟丙基甲基纤维素以及聚丙烯酰胺的添加量。将原料进行混合配比后测定不同固相质量等级的自密实水泥-尾矿砂浆料的初始流动性，根据初始流动性数据确定聚羧酸减水剂的添加量，使得所述自密实水泥-尾矿浆料的流动直径＞25cm，流动时间小于15s；进一步地，使得所述自密实水泥-尾矿浆料的流动直径25-40cm，流动时间7-9s。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明根据预填骨料混凝土的概念，将煤矸石的干式回填法和浆式回填法相结合。首先，将煤矸石转入山沟或山坡，形成骨架结构；然后，制备含有尾矿砂、水泥、水和其他外加剂的高流态自密实水泥-尾矿浆料，并泵入煤矸石的骨架结构；最后，浆料具有高流动性，自密实水泥-尾矿浆料可以填充煤矸石之间的空隙。预先放置的煤矸石骨料和填充的自密实水泥-尾矿浆料形成了复合回填，随着水泥水化作用的进行，复合充填体也随之水化。本发明矸石充填体具有优异的强度，能够有效支撑地表沉降。预先放置的煤矸石骨料减少了单位体积自密实水泥-尾矿浆料和水泥的用量，从而降低了成本。同时，煤矸石作为骨料，也提高了矸石充填体的刚度和强度。

进一步地，采用尾矿砂、水泥和聚羧酸减水剂制备了不同固体质量分数(50-80％)和水灰比(0.6-1.2)的自密实水泥-尾矿浆料。采用羟丙基甲基纤维素和聚丙烯酰胺作为粘度改性剂，提高了自密实水泥-尾矿浆料的抗离析和沉降性能(即静态稳定性)。从流动性、填充性、胶结体抗压强度等方面对混合比例进行优化设计，结果表明该方法与常规尾矿胶结充填相比，表现出优异的力学性能、低成本和低CO₂排放量。

具体实施方式

现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。

应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。

除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。

在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本发明说明书和实施例仅是示例性的。

关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。

本发明以下实施例中，自密实尾矿-水泥浆料的参数测定方法如下：

1、流动直径和时间

采用水泥胶砂流动度法测量新拌状态自密实尾矿-水泥浆料的扩展度，试模上直径和下直径分别为70mm和100mm，高度为60mm。将新拌自密实尾矿-水泥浆料倒入试模，提升试模后记录自密实尾矿-水泥浆料的扩展度。

流动时间测试使用的新拌自密实尾矿-水泥浆料体积为500mL，出口嘴的直径为12.7mm。在输送新拌自密实尾矿-水泥浆料之前，首先对流动锥内部进行润湿，然后取出锥体的塞子，让自密实尾矿-水泥浆料流经底部的出口嘴。将所有自密实尾矿-水泥浆料排出的时间记为流动时间。

2、泌水和离析

自密实尾矿-水泥浆料混合后，将500mL新拌自密实尾矿-水泥浆料倒入1000mL量筒中，记录初始读数为V_CTG。盖住量筒防止水分蒸发。静置30min后记录量筒内泌水含量，以滤纸吸收的泌水量加权确定。泌水率计算公式如下：

其中B_w为静息30min后自密实尾矿-水泥浆料的泌水率，mL/L；m_w为泌水质量，g；ρ_w为水的密度，本文中ρ_w为1g/mL；V_CTG是量筒内自密实尾矿-水泥浆料的初始容积，L。

离析测量采用自制装置，其高度和体积分别为200mm和300mm³。该装置由高度和体积相同的两部分组成，由硅橡胶粘合而成。此外，在筒壁中心设置了一个出口。在水和固体材料初始接触10min后，将混合后的自密实尾矿-水泥浆料倒入圆筒中，并在圆柱体上部覆盖一层塑料薄膜，记录仪器中的净重自密实尾矿-水泥浆料为m₁。静息30min后打开出水口，取出上部，剩余自密实尾矿-水泥浆料的净重记为m₂。计算新拌自密实尾矿-水泥浆料的离析指数公式为：

其中S_I为静置30min后自密实尾矿-水泥浆料的分离指数，％；V为圆筒体积，cm³；m₁和m₂分别为圆筒内自密实尾矿-水泥浆料的总质量和其余自密实尾矿-水泥浆料的质量g；ρ_A、ρ_L和ρ_U分别为圆筒内自密实尾矿-水泥浆料的平均密度、下部密度和上部密度，g/cm³。

3、填充性能

试验前，首先对煤矸石骨料进行水饱和，然后在空气中干燥2h，达到饱和面干状态。然后将煤矸石骨料置于100×100×100mm³模具中，模具和煤矸石骨料的重量记为m_i。预先放置的煤矸石骨料在模具中的空隙含量通过灌水法测定，记为V_Av。之后，将模具中的水排出，并将填充煤矸石骨料的模具在空气中干燥2小时。然后将准备好的混合自密实尾矿-水泥浆料倒入模具中，不做任何振捣处理，重量记录为m_t。新拌自密实尾矿-水泥浆料的填充指数按公式计算：

其中F_A对应于模具中预先放置的煤矸石聚集体中自密实尾矿-水泥浆料的填充指数，％；ρ_A是在分离试验中测量的新拌自密实尾矿-水泥浆料密度，g/cm³。

4、抗压强度

充填性能测试后，用保鲜膜覆盖模具并固化48小时。然后将胶结充填体试件样品脱模并在标准条件下固化(20±2℃，98％RH)，养护龄期至28d。采用液压伺服试验机测定胶结充填体试件(100×100×100mm³)的抗压强度，加载速率为5kN/s。

本发明以下实施例中所使用的水泥为P·O 42.5硅酸盐水泥。采用阜新某煤矿煤矸石作为骨架填充材料，粒径在16-25mm范围内。水泥、尾矿砂和煤矸石的表观密度分别为3.10g/cm³、2.67g/cm³和2.35g/cm³。采用山东USolf化工科技有限公司生产的羟丙基甲基纤维素和聚丙烯酰胺，其中聚丙烯酰胺为阴离子型，分子量2400万。聚羧酸减水剂由西卡公司提供，外观为微弱的黄色粉末。

实施例

(1)取100*100*100mm³的模具模拟作为采空区，将煤矸石装满模具；

(2)自密实水泥-尾矿砂浆料原料的确定：首先确定水的用量为10kg，然后根据表1数据中的固体质量分数(50％、60％、70％和80％)和水灰比(0.6、0.8、1.0和1.2)分别计算水泥和尾矿砂的添加量，再根据表1数据中对应的纤维素和聚丙烯酰胺的添加量称取羟丙基甲基纤维素和聚丙烯酰胺。根据不同固相质量等级的自密实水泥-尾矿砂浆料的初始流动性，调整聚羧酸减水剂的含量，使浆料的最终流动直径为25-35cm，流动时间在8s左右。

以序号6举例：根据确定的水用量10kg，以及表1记载的水灰比0.6确定水泥用量为16.67kg，再根据表1记载的固体质量分数为70％，确定固体总量为23.33kg，从而得出尾矿砂的用量为6.66kg；然后根据羟丙基甲基纤维素添加量为水泥质量的0.1％确定羟丙基甲基纤维素的添加量为0.1667kg，根据聚丙烯酰胺的用量为水泥用量的0.05wt％计算聚丙烯酰胺的用量为0.0083kg。

(3)自密实水泥-尾矿砂浆料的制备：自密实水泥-尾矿砂浆料的混合过程采用电动混合器进行。首先将水泥和尾矿砂在混合器中以150转/分干混合3分钟，然后将聚丙烯酰胺加入混合水中，以50转/分混合10分钟，使其完全溶解。混匀后将聚丙烯酰胺溶液加入混合物中，在150rpm下混合1min，然后加入聚羧酸减水剂和羟丙基甲基纤维素，在300rpm下混合3min，最后将新拌状态的自密实尾矿-水泥浆料手动均质1min得到自密实水泥-尾矿砂浆料，对浆料进行性能测试，结果记录于表1。

(4)将制备的自密实水泥-尾矿砂浆料浇筑在步骤(1)中的装满煤矸石的模具中，并在48h脱模，在标准条件下(20±2℃，98％RH)固化养护28天后得到胶结体，进行性能测试。具体结果见表1。

表1

由表1数据可以得出，本发明矸石充填体具有优异的强度，能够有效支撑地表沉降。预先放置的煤矸石骨料减少了单位体积自密实水泥-尾矿浆料和水泥的用量，从而降低了成本。同时，煤矸石作为粗集料，也提高了矸石充填体的刚度和强度，从而可以满足采空区充填要求。

需要说明的是，上述内容只是记载了在研究浆料中设计的一部分配比，在固体总质量分数为50-80％，水灰比为0.6-1.2，羟丙基甲基纤维素用量为水泥质量的0.1wt％，聚丙烯酰胺用量为水泥质量的0-0.30wt％范围内的其他配比产品均可以满足本发明要求。综合考虑强度效率、成本和CO₂排放量等情况，固体质量分数为70％，水灰比为1.0或1.2时(即8号和9号)的浆料在充填中的使用效果最优。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种采空区充填方法，其特征在于，以煤矸石作为充填骨架结构，以自密实水泥-尾矿浆料作为空隙填充浆料；

所述自密实水泥-尾矿浆料原料包括尾矿砂、水泥、水以及粘度改性剂；

所述自密实水泥-尾矿浆料中固体原料总质量分数为50-80％，水灰比为0.6-1.2；

所述原料还包括聚羧酸减水剂，所述粘度改性剂为羟丙基甲基纤维素和聚丙烯酰胺，其中羟丙基甲基纤维素用量为水泥质量的0.1wt％，聚丙烯酰胺用量为水泥质量的0.05-0.30wt％；

所述煤矸石粒度为16-25mm，所述水泥为P·O 42.5硅酸盐水泥；

所述水泥、尾矿砂和煤矸石的表观密度分别为3.10g/cm³、2.67g/cm³和2.35g/cm³；所述聚丙烯酰胺为阴离子型，分子量为2400万；

所述采空区充填方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将煤矸石填充进采空区，形成骨架结构；

步骤2：将聚丙烯酰胺加入水中搅拌混匀得聚丙烯酰胺溶液；

2.根据权利要求1所述的采空区充填方法，其特征在于，所述步骤2中搅拌混匀具体为50转/分钟混合10分钟；所述步骤3中的水泥和尾矿砂的预混料具体为将水泥和尾矿砂在150转/分钟添加下干混合3分钟得到。

3.一种权利要求1所述采空区填充方法用自密实水泥-尾矿浆料，其特征在于，原料包括尾矿砂、水泥、水、粘度改性剂以及聚羧酸减水剂；

所述粘度改性剂为羟丙基甲基纤维素和聚丙烯酰胺，其中羟丙基甲基纤维素用量为水泥质量的0.1％，聚丙烯酰胺用量为水泥质量的0.05-0.30wt％；

所述自密实水泥-尾矿浆料的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：将聚丙烯酰胺加入水中搅拌混匀得聚丙烯酰胺溶液；

步骤2：聚丙烯酰胺溶液中加入水泥和尾矿砂的预混料继续混匀得到混合浆料；

步骤3：混合浆料加入聚羧酸减水剂和羟丙基甲基纤维素搅拌混匀后均质得到自密实水泥-尾矿浆料。

4.根据权利要求3所述的采空区充填用自密实水泥-尾矿浆料，其特征在于，所述自密实水泥-尾矿浆料中固体原料总质量分数选自50％、60％、70％、80％中的一种，水灰比选自0.6、0.8、1.0、1.2中的一种。