一种废石充填背景下胶结充填接顶处理采空区的技术

摘要

一种废石充填背景下胶结充填接顶处理采空区的技术，属于采矿工程技术领域，其特征在于：本发明以铁尾砂和胶固粉充填料浆利用现有充填管道输送到井下；在采空区所在平面的搅拌桶内再加入胶固粉质量的7%的液态铝酸钠速凝剂，通过管道输送到采空区前沿上垒建的溢流池达到到柱塞流时顺势滑入采空区，进入采空区的浆体在短时间内失去流动性而凝结，从而实现铺底；之后再用灰砂比为1:10~1:12的低灰沙比料浆充填接顶，完成充填。本发明实现了料浆速凝﹑减小了管道流动阻力并且避免了在无密闭墙前提下的跑浆；最后充填接顶效果好、强度高，技术实现成本低。

说明书

技术领域

一种废石充填背景下胶结充填接顶处理采空区的技术，属于采矿工程技术领域，具体涉及一种胶结充填接顶技术。

背景技术

随着地下开采的进行，形成了大批采空区，作为地下重大危险源，采空区的存在给矿上生产安全带来了极大安全隐患，同时也严重威胁周边居民生活生产及周围环境。伴随采空区暴露时间的延长，稳定性大大折减，将会诱发产生岩石崩落、滑移、地表塌陷等重大地质灾害，因此需要及时进行处理。

充填接顶处理采空区的充填材料一般为废石和/或尾砂与胶凝材料的混合料浆，将这种浆料直接进行充填采空区，如果浆料浓度过低又无密闭墙时，极易产生跑浆现象；而在采空区内建设密闭墙的工程较大，需要的人力物力较多，不容易实现。提高料浆的浓度又将增加从地表输送至采空区的难度，容易堵塞输送管路，且自流性能很差，无法接顶。尤其在尾砂较细的情况下，渗透性能不好，一般全尾砂的渗透系数（K₁₀）只在1.5cm/h左右。需要尽量弥补尾砂渗透性能较小的缺陷。从全尾砂物理性质及粒级组成方面考虑，全尾砂的粒级较细，平均粒径只有0.056mm，不利于尾砂的沉降和渗透，全尾砂不均匀系数α₉₀达到35以上、α₆₀达到14以上，公知当α₉₀小于4~5时，表明颗粒级配比较均匀；α₉₀大于10表明颗粒级配不均匀。全尾砂不均匀系数可知全尾砂属于非常不均匀物料，对于粒度不均匀物料，虽所形成的充填体密度大、压缩性小，但透水性小，对充填脱水非常不利。全尾砂颗粒较细，致使尾砂沉降饱和浓度都较小，不利于尾砂制备高浓度浆体。在低浓度下无密闭墙时，极易产生跑浆现象。

自然脱水形成的全尾砂充填体在受到压力后，沉缩变形比较严重，全尾砂的粒级较细，渗透性能不好，对全尾砂充填接顶会产生不利影响。尤其在保证强度的前提下很难实现充填接顶。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种废石充填背景下胶结充填接顶处理采空区的技术，该方法采空区接顶好，充填时不会跑浆。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种废石充填背景下胶结充填接顶处理采空区的技术，其特征在于，具体实施步骤为： 

a、铁尾砂和胶固粉按质量比6:1混合并配置成质量浓度在51~52%的充填料浆；利用现有充填管道输送到井下；

b、在井下采空区所在平面添加一套速凝剂添加与搅拌系统；速凝剂添加与搅拌系统包括计量泵和搅拌桶，通过充填管道输送到井下的充填料浆进入搅拌桶，为了缩短凝结时间并减小浆体在管道中流动阻力，同时通过计量泵添加液态铝酸钠速凝剂并控制速凝剂添加比例为胶固粉量的7%； 

c、当搅拌桶内体积达到0.9557m³~1.297m³时，并进行80~100s搅拌后开启渣浆泵将充填料浆通过输送管道输送到采空区前沿上垒建的溢流池；混匀有速凝剂的充填料浆在溢流池中逐渐达到膏体状态以柱塞流方式顺势滑入采空区，进入采空区的浆体在短时间内失去流动性而凝结，从而实现铺底；

d、铺底完成后，上部空区利用灰砂比为1:10~1:12的低灰沙比料浆充填接顶，完成充填。

所述的溢流池为在釆空区前用粘土袋子围造三方设有围墙的长方形地上池，池的底面自前方至釆空区有逐渐下降的坡度，溢流池占地面积为24~36m²。溢流池形状大小根据现场不同因地而异，可进行改动合理设计。添加速凝剂后的充填料浆在溢流池静置一小段时间，其达到的速凝效果更加明显，这样不但可以保证速凝剂的速凝效果，而且能防止从管道流出的料浆直接冲入采空区形成不断的冲击力而造成的速凝效果的破坏。

本发明设计充填系统流量为40m³/h﹑搅拌桶直径1300mm，并且充填管道直径约为80cm，此时搅拌桶内液面高度达到0.72~0.94m时放料。实际应用中面对不同环境的要求可做适当调整，当所需的系统流量越大，设计搅拌时间越长，搅拌桶内液面高度也相应的越高，反之亦然。

所述的速凝剂添加与搅拌系统距离采空区70~100m，速凝剂添加与搅拌系统与采空区间的距离随搅拌时间缩短而增加以配合充填料浆在溢流池中达到似膏体状态。将搅拌桶沿着巷道往前移动，能有效的缩短添加速凝剂后料浆在到达溢流池前在管道中流动的时间；通过速凝剂添加与搅拌系统和溢流池间的距离，调节混匀有速凝剂的充填料浆流出管道的凝结状态，使充填料浆不会在管道中过份凝结而堵塞管道，而流出后在溢流池流入采空区前又能达到柱塞流。实现这一状态需要灰沙比，初期料浆浓度，速凝剂添加量，混匀有速凝剂的充填料浆的泵送距离，溢流池内流动长度相配合，任一方面的改变都会使整个技术无法实现。

优选的，所述的充填料浆配制质量浓度为51%，所述的速凝剂添加与搅拌系统距离采空区80m，所述的搅拌桶内进行90s搅拌后开启渣浆泵。在环境温度25℃，铁尾砂和胶固粉按质量比6:1，速凝剂添加比例为胶固粉量的7%时充填料浆配制质量浓度为51%，所述的速凝剂添加与搅拌系统距离采空区80m，搅拌桶内进行90s搅拌后开启渣浆泵时，从溢流池流入采空区的充填料浆状态最佳，凝结效果最适合铺底。

所述的速凝剂添加与搅拌系统由搅拌桶、计量泵、速凝剂存储罐、渣浆泵和连接管道组成，搅拌桶顶端开有充填管道的入口，底端有连接管道串联渣浆泵后连接溢流池。

所述的溢流池在采空区四周均匀设至3~5个，充填过程中实现多点分散充填。可提高效率，但会增加成本，可酌情考虑使用。

搅拌桶作用是为了防止浆体堵塞管道，保持良好流动性，同时在桶的另一侧速凝剂通过计量泵打入到搅拌桶内，使浆料与速凝剂混匀。在井下采空区所在平面添加一套搅拌系统，既能保证速凝剂和料浆充分接触，又能有效的避免充填料浆堵塞管道。

当桶内液面高度达到要求时，开启渣浆泵将充填料浆通过输送管道输送到送到溢流池，可以明显的观察到充填料浆在溢流池内迅速的达到了速凝效果。

液态铝酸钠作为速凝剂，根据胶固粉量进行添加，添加比例为充填料浆质量的5.0~6.5%。对速凝剂的添加量应该严格的控制，防止由于添加的过多而造成的管道的堵塞，通过计量泵以及人手工的控制，保证速凝剂的添加适量。

铝酸钠是促凝化合物，它在有Ca(OH)₂存在的条件下与石膏反应生成水化硫铝酸钙和氢氧化钠，致使液相中CaSO₄的浓度很低，当掺入铝酸钠液体速凝剂时，它促进各水泥矿物的反应,形成大量的C-S-H凝胶和氢氧化钙晶体，其中石膏则转换成柱状的钙矾石晶体。由于石膏消耗而使水泥中的C₃A迅速进入溶液，生成水化物，使水泥浆迅速凝结硬化。当铝酸钠液体速凝剂掺量过大时，其促凝效果减弱.主要原因是形成了大量的六方片状的水铝石和单硫型水化硫铝酸钙，其中有少量柱状的钙矾石也转变成六方片状的单硫型水化硫铝酸钙，从而C-S-H凝胶的量和柱状钙矾石量都相对减少，导致结构密实性不好，从而速凝效果减弱(包括强度)。

本发明选用料浆51%质量浓度，灰砂比为1:6，速凝剂添加比例为7%时满足充填输送能力条件下，经济成本低，效果最佳。

当温度达到20℃时，液态铝酸钠才能达到正常的效果。当温度在25℃液态铝酸钠达到最佳速凝效果。当环境温度过低时应当增加液态铝酸钠的用量。

在不同实施环境下，可通过增加胶股份的比例增加浆料的速凝效果。灰砂比为1:6时速凝效果较好，但提高灰沙比时速凝效果仍有提升，综合考虑成本和效果后以灰砂比为1:6为最佳。

本发明充分利用矿山现有的充填设施与技术条件，利用价格较为低廉的速凝剂，达到使浆体短时间内稠化并对于其流动性影响不大，在先期的多次实验中，已经验证改性后的胶固粉及添加的速凝剂能够达到较好的预计凝结效果。向低浓度浆体中添加促凝材料，在短时间内降低浆体的流动性，以实现无密闭墙、采空区废石部分充填条件下的浇注充填。

在选用51%浓度的充填料浆的管道流速计算：

式中： 为临界速度，

      为固体的密度，

         为水的密度，

         为两相流体积分数，%

      为管道直径，

其中：两相流体积分数即为体积砂水比（）。

根据公式：

其中尾砂的比重为2.84，胶固粉的比重为3.0，充填料浆按照1:6，即，。

且则，则，则密实固体的比重为2.87。

带入得：51% 的充填料浆的临界流速为1.5231，即=1.5231 m/s。

由于充填料浆密实固体密度均＞2.7，校正系数，则临界流速为，管道水力输送工作流速一般高于临界流速10%~20%，选取高于临界流速的20%，故确定工作流速。

51% 的充填料浆的工作流速为，即=2.0105m/s。则可以通过其在管道的流速，计算出料浆通过渣浆泵打入充填区其在管道中流动的时间，配合小试实验确定的凝结时间结果，从而确定合适的搅拌时间、管道输送距离，确定搅拌桶的位置。更好的保证速凝剂的效果。

与现有技术相比，本发明的一种废石充填背景下胶结充填接顶处理采空区的技术所具有的有益效果是：在充填采空区水平面，在无密闭墙情况下，增加一速凝剂添加搅拌装置，地表充填料浆到达搅拌桶中，再由旁边速凝剂桶添加装置添加速凝剂，搅拌一定时间，其中速凝剂添加后既能解决短时间内降低浆体流动性而且使减小浆体在管道中流动阻力，再通过充填管道输送到采空区附近的溢流池中，混合后浆体静置缓冲，然后根据力学效应顺流滑入采空区。提高充填体强度，降低充填体的沉缩率。

本技术在低浓度充填料浆基础上﹑在无密闭墙情况下，利用速凝剂特性，增加一地下搅拌装置，实现了料浆速凝﹑减小了管道流动阻力并且避免了在无密闭墙前提下的跑浆；同时又增加溢流池，使混合后的充填料浆近一步静置缓冲，完全达到了充填采空区所需要的充填料要求。为以后胶结充填处理采空区提供有力技术支持，实现了低成本处理采空区，达到了需要的经济效益。

附图说明

图1是在采空区所在平面的速凝剂添加与搅拌系统示意图。

其中，1、搅拌桶  2、计量泵  3、速凝剂存储罐  4、充填管道  5、渣浆泵  6、溢流池  7、采空区。

具体实施方式

参照附图1：在地表配制好的充填料浆经充填管道4输送至采空区所在平面的搅拌桶1，同时用计量泵2打入储存在速凝剂存储罐3内的液态铝酸钠速凝剂，加入量为冲入充填料浆的胶固粉质量的7%。在搅拌桶1内搅拌80~100s后经渣浆泵5打入溢流池6，在溢流池6内再顺势滑入采空区7完成铺底。

下面通过具体实施例对本发明一种废石充填背景下胶结充填接顶处理采空区的技术作进一步说明，其中实施例1为最佳实施例。

实施例1

在地表铁尾砂和胶固粉按质量比6:1称取物料投入到搅拌机中混匀，然后以加入的总物料量计算加水量，以计量泵打入搅拌机，混合配置成质量浓度在51%的充填料浆；将搅拌好的充填浆料利用现有充填管道输送到井下。

在井下-280m铁矿采空区所在平面，根据51%的充填料浆管道流速计算和小试确定的凝结时间确定在距离采空区80m处添加计量泵、搅拌桶、速凝剂存储罐及个连接管道，通过充填管道输送到井下的充填料浆进入搅拌桶，同时通过计量泵添加液态铝酸钠速凝剂并控制添加比例为胶固粉质量的7%。 

当搅拌桶内体积达到1.18 m³时，并进行90s搅拌后开启渣浆泵将充填料浆送入到采空区前沿用粘土袋子围造三方设有围墙的长方形地上溢流池，池长8.50m、池宽3.20m，溢流池形状大小根据现场不同因地而异，合理设计；混匀有速凝剂的充填料浆在溢流池中迅速凝固到柱塞流时顺势滑入采空区，进入采空区的浆体在短时间内失去流动性而凝结完成铺底。

铺底完成后，上部空区通过传统管线利用灰砂比为1:11的低灰沙比料浆充填接顶，完成充填。充填完成后，充填体强度较高，接顶密实。

实施例2

在地表铁尾砂和胶固粉按质量比6:1称取物料投入到搅拌机中混匀，然后以加入的总物料量计算加水量，以计量泵打入搅拌机，混合配置成质量浓度在51.4%的充填料浆；将搅拌好的充填浆料利用现有充填管道输送到井下。

在井下-220m采空区所在平面，根据51.4%的充填料浆管道流速计算和小试确定的凝结时间确定在距离采空区90m处添加计量泵、搅拌桶、速凝剂存储罐及个连接管道，通过充填管道输送到井下的充填料浆进入搅拌桶，同时通过计量泵添加液态铝酸钠速凝剂并控制添加比例为充填料浆质量的7%。 

当搅拌桶内体积达到1.25 m³时，并进行90s搅拌后开启渣浆泵将充填料浆送入到采空区前沿用粘土袋子围造三方设有围墙的长方形地上溢流池，池长8.50m、池宽3.60m，溢流池形状大小根据现场不同因地而异，合理设计；混匀有速凝剂的充填料浆在溢流池中迅速凝固到柱塞流时顺势滑入采空区，进入采空区的浆体在短时间内失去流动性而凝结完成铺底。

铺底完成后，上部空区通过传统管线利用灰砂比为1:10的低灰沙比料浆充填接顶，完成充填。充填完成后，充填体强度较高，接顶密实。

实施例3

在地表铁尾砂和胶固粉按质量比6:1称取物料投入到搅拌机中混匀，然后以加入的总物料量计算加水量，以计量泵打入搅拌机，混合配置成质量浓度在51%的充填料浆；将搅拌好的充填浆料利用现有充填管道输送到井下。

在井下-280m采空区所在平面，根据51%的充填料浆管道流速计算和小试确定的凝结时间确定在距离采空区100m处添加计量泵、搅拌桶、速凝剂存储罐及个连接管道，通过充填管道输送到井下的充填料浆进入搅拌桶，同时通过计量泵添加液态铝酸钠速凝剂并控制添加比例为胶固粉质量的7%。 

当搅拌桶内体积达到1.297 m³时，并进行100s搅拌后开启渣浆泵将充填料浆送入到采空区前沿用粘土袋子围造三方设有围墙的长方形地上溢流池，池长9m、池宽4m，溢流池形状大小根据现场不同因地而异，合理设计；混匀有速凝剂的充填料浆在溢流池中迅速凝固到柱塞流时顺势滑入采空区，进入采空区的浆体在短时间内失去流动性而凝结完成铺底。

铺底完成后，上部空区通过传统管线利用灰砂比为1:10的低灰沙比料浆充填接顶，完成充填。充填完成后，充填体强度较高，接顶密实。

实施例4

在地表铁尾砂和胶固粉按质量比6:1称取物料投入到搅拌机中混匀，然后以加入的总物料量计算加水量，以计量泵打入搅拌机，混合配置成质量浓度在52%的充填料浆；将搅拌好的充填浆料利用现有充填管道输送到井下。

在井下-180m采空区所在平面，根据52%的充填料浆管道流速计算和小试确定的凝结时间确定在距离采空区70m处添加计量泵、搅拌桶、速凝剂存储罐及个连接管道，通过充填管道输送到井下的充填料浆进入搅拌桶，同时通过计量泵添加液态铝酸钠速凝剂并控制添加比例为充填料浆质量的7%。 

当搅拌桶内体积达到0.9557m³时，并进行80s搅拌后开启渣浆泵将充填料浆送入到采空区前沿用粘土袋子围造三方设有围墙的长方形地上溢流池，池长8 m、池宽3m，溢流池形状大小根据现场不同因地而异，合理设计；混匀有速凝剂的充填料浆在溢流池中迅速凝固到柱塞流时顺势滑入采空区，进入采空区的浆体在短时间内失去流动性而凝结完成铺底。

铺底完成后，上部空区通过传统管线利用灰砂比为1:12的低灰沙比料浆充填接顶，完成充填。充填完成后，充填体强度较高，接顶密实。

实施例5

在地表铁尾砂和胶固粉按质量比6:1称取物料投入到搅拌机中混匀，然后以加入的总物料量计算加水量，以计量泵打入搅拌机，混合配置成质量浓度在51%的充填料浆；将搅拌好的充填浆料利用现有充填管道输送到井下。

在井下-280m采空区所在平面，根据51%的充填料浆管道流速计算和小试确定的凝结时间确定在距离采空区70m处添加计量泵、搅拌桶、速凝剂存储罐及个连接管道，通过充填管道输送到井下的充填料浆进入搅拌桶，同时通过计量泵添加液态铝酸钠速凝剂并控制添加比例为充填料浆质量的7%。 

当搅拌桶内体积达到1.25m³时，并进行90s搅拌后开启渣浆泵将充填料浆送入到采空区前沿用粘土袋子围造三方设有围墙的长方形地上溢流池，池长8.4 m、池宽3.6m，溢流池形状大小根据现场不同因地而异，合理设计；混匀有速凝剂的充填料浆在溢流池中迅速凝固到柱塞流时顺势滑入采空区，进入采空区的浆体在短时间内失去流动性而凝结完成铺底。

铺底完成后，上部空区通过传统管线利用灰砂比为1:12的低灰沙比料浆充填接顶，完成充填。充填完成后，充填体强度较高，接顶密实。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。