矸石浆体邻位注浆充填技术研究

针对目前我国煤炭行业普遍面临的矸石处置问题,总结了国内现有矸石绿色处置技术,介绍了近年来行业新兴的浆体充填技术的研究现状和技术构成,包括高位注浆、邻位注浆和低位灌浆,详细阐述了邻位注浆充填的技术内涵和基本原理,提出了回采工作面邻位注浆充填和邻近采空区邻位注浆充填2种邻位注浆充填技术模式。并通过理论分析和计算,明确了充填区可充空间的计算方法;确定了矸石浆体管道邻位充填的充填步距、充填滞后距离、注浆钻孔倾角及长度等关键参数设计方法。实践表明邻位注浆充填可以实现矿井矸石的绿色高效处置,技术稳定性较高、对矿井生产影响较小,推广应用前景广阔。

邻位注浆处置井下矸石技术与实践

黄陵二号煤矿每年矸石产量在105万t左右,传统的矸石地面排放带来严重环境问题,为了响应国家政策,保护黄河流域生态环境,实现“双碳”目标,提出邻位注浆处置井下矸石的关键技术,并在黄陵二号煤矿三盘区301工作面采空区进行工程实践,为黄陵矿业公司各矿井下矸石处置探索出一条技术经济可行的处理方法,实现矸石“零排放”,综合效益显著。

矸石浆体参数在邻位注浆技术中的研究与应用

邻位注浆技术是黄陵二号煤矿所采用的井下矸石处置新方法,其主要原理是将井下生产过程中产生的矸石粉碎后,按照一定的比例与井下污水混合,经柱塞泵加压后,通过注浆管道和注浆钻孔,将矸石浆体注入采空区内,以达到固废和液废的减量化、无害化、资源化处理目的。为了防止高承压管道在长距离输送矸石浆体时被堵塞,同时保证矸石浆体在采空区拥有合理的流动特性、扩散特性、沉降特性,需要准确测试矸石骨料的各类参数和浆体配比参数并进行研究应用。

垮落带邻位矸石注浆渗流模型

为了提高垮落带邻位矸石注浆扩散范围的预测精度,基于渗流力学理论,考虑浆体性质、垮落带空隙结构及渗滤效应影响,构建垮落带邻位注浆渗流模型,分析浆体渗流三维非稳态扩散规律。引入浆体屈服应力随渗流距离变化的函数,推导出浆体扩散范围、堆积高度和注浆量计算公式,并进行数值模拟验证。研究结果表明:注浆渗流呈现低压扩散—纵向贯通—横向扩展的演化规律,其形态由椭圆体、圆柱体向截锥体变化。揭示了邻位注浆扩散机制,垮落带注浆扩散启停受屈服应力控制,当浆体屈服应力小于剪切应力时,浆体开始扩散。垮落带空隙率减小,渗流路径迂曲度增高,渗流阻力增大,浆体扩散距离减小。研究结果可为垮落带邻位矸石高效注浆提供理论参考。

综放开采矸石注浆充填技术的研究与应用

阐述了鄂尔多斯市国源矿业开发有限责任公司龙王沟煤矿特厚煤层放顶煤开采条件下冒落带矸石注浆充填技术的研究及其工程应用。对大颗粒矸石浆体材料流变特性进行了试验测定和分析,选定低于3 mm的大颗粒矸石为主要原料,加水制成浓度为55%~60%的矸石浆体;研究了特厚煤层综放开采采空区的空间规律,运用高压泵送技术将浆体注入井下空间进行充填,具有系统独立、充采平行、安全高效等优势。工程应用表明,该充填技术工艺妥善解决了传统矸石回填处理能力低、影响生产的问题,可为特厚煤层综放开采工艺的矸石处置提供参考。

矸石浆体输送阻力特性及采空区流动规律试验研究

浆体充填是一种低干扰条件下矸石无害化处置的重要技术手段,保证浆体在管道中安全输送及在采空区中稳定流动是充填系统稳定运行的基础。为深入研究矸石及矸石浆体基本特性、浆体输送阻力特性及采空区流动规律,通过X射线衍射试验、电镜扫描试验、矸石粒径分布试验、浆体塌落度试验得到了矸石及矸石浆体的基本特性参数;设计了矸石浆体长距离环管输送试验系统,并针对不同流速进行环管试验,建立浆体流速与沿程阻力的关系,确定最佳工作流速及该条件下的沿程阻力;开展邻位注浆充填采空区流动扩散试验,掌握浆体在采空区垮落带内的流动扩散规律,测定试验条件下浆体在采空区内的自流坡度,揭示浆体流动过程颗粒沉降规律;并对矸石浆体邻位注浆充填进行了工程应用。研究结果表明:矸石的物相组成包括主要包括石英、高岭石,有部分长石、云母和少量的绿泥石、方解石、菱铁矿、黄铁矿等矿物,粒径分布为1250~3000μm(18.18%),630~1250μm(18.99%),315~630μm(19.35%),160~315μm(15.02%),75~160μm(11.73%),<75μm(16.74%),70%质量分数的矸石浆体塌落度为28.1 cm,扩展度为50.1 cm,自流坡度为3.8%,具有较好的流动性;浆体管道输送的沿程阻力随流速的增加而增加,且近似成正比关系,拟合关系函数为y=0.60244 x+0.78411,确定试验浆体在管径为ø60 mm条件下最佳工作流速为1.50 m/s,其沿程阻力为1.68 kPa/m;浆体采空区内流动规律整体呈现先纵向扩展再横向扩散的规律,首先在出料口下方形成半圆形覆盖层,然后继续向底部扩展形成纵向扩展通道,待浆体沿纵向通道扩散至底部边界时,浆体开始沿横向扩散,稳定后浆体平均自流坡度为7.1%,且固体颗粒在采空区流动过程中出现颗粒分选现象,在浆体流动方向上<74μm细颗粒比例有所升高,>74μm的粗颗粒比例有所下降。工程应用结果表明,充填期间矸石浆体管道输送状态稳定,浆体中的固体颗粒未发生淤积,且浆体在采空区空隙空间流动性极佳,未出现聚集沉降现象,根据钻孔窥视结果,浆体扩散距离大于45 m,设计的浆体管道输送流速、浆体级配质量分数合理,满足系统要求。