基于膨胀材料的充填接顶技术

时间:2022-08-09 07:15:20

基于膨胀材料的充填接顶技术

[摘 要]为对基于膨胀材料的充填接顶技术展开研究,本文先对技术应用需求和研究情况进行了介绍,然后通过开展离析分层试验、膨胀系数试验和膨胀接顶试验对技术的应用效果展开了分析。通过研究发现,使用静态膨胀剂代替部分胶凝材料进行充填料浆制作,可以通过实现主动接顶获得较好的充填接顶效果。

[关键词]膨胀材料;充填接顶技术;主动接顶

中图分类号:TD853.34 文献标识码:A 文章编号:1009-914X(2016)23-0046-01

引言:相较于崩落法和空场法,充填采矿法有着较大优势,所以在矿山开采中得到了广泛应用。而在该工艺中,最难实施的技术就是充填接顶。使用基于膨胀材料的充填接顶技术,则能够通过主动接顶改善技术应用效果,所以有利于实现技术的推广应用。因此,相关人员还应该加强对基于膨胀材料的充填接顶技术的研究,以便更好的开展有关工作。

1 充填接顶技术概述

所谓的充填接顶技术,其实就是通过在采空区完成充填体填充,从而实现采空区围岩支撑的技术,能够减缓甚至阻止采空后空区围岩出现破坏和移动问题。想要利用该技术进行采空区填充,还要预先做好工作面铺网、打锚杆等支护工作。为确保充填空间拥有完整顶板,并确保架后作业人员安全,还要在支架拉移前顺着槽壁沿倾向长度6m范围内对顶板进行锚网支护。完成支架后面顶板状态检查后,可进行支架迁移。在这一过程中,需做到带压移架,以确保顶板能够保持完整,然后进行充填空间支护。在充填过程中,为防止顶板下沉,还要进行充填空间长度的严格控制[1]。如果空间长度超出10m,需先开展充填作业,然后再进行开挖。

2 基于膨胀材料的充填接顶技术

2.1 技术应用需求

以往使用充填接顶技术实施充填接顶时,往往需要使用强制崩落接顶、加压泵送填料接顶和改变空顶形状等多种方法才能够确保充填体与顶板较好的接合,从而达到最佳的接顶效果。但是,采取这些被动接顶方法将导致充填工作量增加,并且难以确保接顶效率和效果。而通过在充填料浆中添加膨胀剂,则能够通过化学反应使充填料浆发泡膨胀,从而实现主动接顶,继而使充填接顶作业得到优化。

2.2 膨胀材料选择

2.2.1 研究情况

从材料构成上来看,矿山充填材料主要由胶结剂和骨料构成,前者多为普通硅酸盐水泥或矿渣硅酸盐水泥,后者可通过就地取材获得,在充填料浆配置上,为缩短料浆凝结时间,缓凝剂被当成是外加剂得到了使用。为改善料浆易性和提高充填体早期强度,减水剂则得到了使用。在料浆输送阻力降低上,减阻剂得到了使用。而使用这些添加剂仅能改善填充料物理性能,无法达到增强矿山充填接顶效果的目的。上世纪90年代,发泡膨胀材料开始被引入到矿山生产中,被应用在陷落空区回填作业中[2]。经过多年实验,金川矿区开展了高强轻质泡沫砂浆充填实验,获得了表面平整和整体性比充填体顶板好的泡沫砂浆充填体,并在白银矿山和小铁山矿的试验推广应用中获得了良好的应用效果。

2.2.2 试验条件

目前,常用胶凝剂为水泥,与尾沙形成的充填体容易产生沉缩性。利用静态膨胀剂进行传统凝胶材料的替代,则可以利用该种膨胀剂遇水后自由膨胀4-5倍的特点实现主动接顶。为证明该种假设,可以从充填料浆配比、膨胀系数测定和采空区充填接顶模拟等方面开展相关实验。而试验使用的胶凝膨胀材料为静态膨胀剂,充填骨料为细河砂,灰砂比分别为1:1、1:2、1:3、1:4、1:5和1:6。

2.2.3 试验过程及结果

在离析分层试验中,如果充填料浆拌和物之间因为粘聚力不足出现相互分离现象,就会导致料浆输送能力降低,不仅会导致充填体结构受影响,还将导致其强度下降。而将不同配比充填料浆进行搅拌并静置后,通过观察可以发现,灰砂比较大的料浆不容易出现离析分层现象[3]。在料浆浓度达到75%后,不同配比的料浆均不会出现离析分层现象。在浓度低于65%时,所有料浆都存在离析现象。

在膨胀系数测定试验中,需利用测量工具完成不同配比料浆的膨胀系数测量。具体来讲,就是在完成料浆充分搅拌后,将其放置在圆柱形塑料杯中静置,然后利用游标卡尺完成杯中膨胀材料深度、在杯内最高位置直径、最高位置1/2处直径、杯底位置直径的测量。在测量过程中,对所有数据均需完成3次测量,并求取平均数值。为实现不同时间段的膨胀系数测量,需在第1天完成1h/次测量,然后分别在第2天、第3-4天、第5-7天、7天后完成2h/次、4h/次、6h/次、12h/次的测量,测量天数为30天,而膨胀系数则为测量获得的体积与初始体积的比值。通过观察可以发现,在7天后,膨胀系数变化缓慢[4]。在灰砂比为1:6,浓度为75%时,膨胀材料具有良好膨胀性,能够达到85%的充填率,可将整个矿房充满。在相同浓度下,灰砂比越大,料浆膨胀系数就越大。

在膨胀接顶试验中,需要将浓度为75%,灰砂比分别为1:1和1:3的制作完成的充填料浆注入采区模型中,然后对模型顶板施加压力,并利用应变仪完成压力传感器数据变化的观测,以确定膨胀材料是否顺利接顶。通过观察试验结果可以发现,进入到采空区后,膨胀材料经过一段时间后才开始膨胀,然后逐渐将整个采区充满,并发挥充填体作用。在膨胀受限情况下,其对围岩产生了预应力,开始主动支撑围岩。而相比较来讲,灰砂比较小的料浆需要更长的时间接顶,接顶时间将达到48h,灰砂比大的料浆接顶时间则为8h。从料浆对顶板的压力上来看,灰砂比小的料浆对顶板的压力较小,约为0.2MPa,灰砂比大的为0.66MPa。

结论:通过试验分析可以发现,使用基于膨胀材料的充填接顶技术可以实现主动接顶,能够利用膨胀材料将采空区填满,从而使充填体的作用得到充分发挥,并对周围围岩产生一定预应力。因此,相信随着相关技术的发展,该技术也将在矿产开发中得到较好的应用。

参考文献:

[1] 刘成军,刘成威.采动影响下空巷高水膨胀材料充填回采技术研究[J].中州煤炭,2014,10:6-8.

[2] 王力,褚衍玉,李文利等.膨胀充填材料接顶试验研究[J].矿业工程,2014,05:64-67.

[3] 张国玉,于相坤,安伯超.高强快硬膨胀接顶新型充填材料的研究及应用[J].山东煤炭科技,2013,04:21-22.

[4] 董士光,王发刚,刘树江等.浆体膨胀充填材料膨胀性能研究[J].煤炭工程,2015,03:112-114+118.

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