垮落带矸石充填浆体流动扩散规律试验研究

摘要：

针对大海则千万吨矿井的绿色化低干扰排矸需求，提出了垮落带矸石浆体充填技术，以期在不影响矿井正常生产的前提下，实现煤矸石的安全、高效、绿色化处置。为确保该技术的可行及充填参数的有据可依，遂在大海则煤矿地面矸石山建立垮落带矸石堆积模型，研究两种浓度矸石浆体在采空区垮落岩块间空隙内的流动扩散规律。研究结果表明：①矸石浆体在采空区垮落岩块空隙内的流动共分为三个时期，分别为淌流期、涌流期和渗流期三个时期，且三个时期相互关联，密不可分。②随着矸石浆体充填量的增加，动流坡度呈先减小而后增大的趋势，最终呈阶梯型分布，当浆体充填量达到176m3时，71.8％的矸石浆体第一阶梯动流坡度为7.5％，第二阶梯动流坡度为1.8％，75.3％的矸石浆体第一阶梯动流坡度为7.8％，第二阶梯动流坡度为2.1％。③矸石浆体在垮落带内流动具有阶段选择性，涌出点涌出的浆体先以淌流方式沿动流坡度在第一阶梯内流动，而后第一阶梯内的浆体再以渗流方式沿倾向方向向第二阶梯内流动，当浆体质量浓度为75.3％时，浆体进入岩块间空隙的最小宽度约为10mm，当浆体质量浓度为71.8％时，浆体进入岩块间空隙的最小宽度约为7mm，在第二阶梯内浆体如树枝分叉状依次充填岩块间的空腔及空隙，并在倾向边界和走向边界处形成浆体堆积点，其第一阶梯向第二阶梯渗流的浆体可达浆体总量的37.8％以上。④模型一和模型二内的浆体垂高分布特征基本一致，浆体垂高随着远离低位灌浆管出口整体上呈下降的趋势，浆体最大垂高2.11m（1.77m），位于倾向断面6.5m（6.3m）的第一阶梯内，与低位灌浆管出口的水平距离为0.5m（0.3m）；浆体最小垂高0.797m（0.669m），位于倾向断面29.2m（29.0m）的第二阶梯中部，与低位灌浆管出口的水平距离为25.595m（25.364m）。⑤沿着矸石浆体的流动方向，矸石浆体中粗颗粒的占比呈降低的趋势，细颗粒的占比呈上升的趋势，矸石浆体的质量浓分数呈下降的趋势。模拟试验表明，采用矸石浆体低位灌浆充填，可以实现煤矸石的采空区排放，其充填规模与垮落岩块块度、矸石浆体浓度和矸石粒度组成有关。

关键词：垮落带；矸石浆体；浆体浓度；低位灌浆

结论：

1）矸石浆体在采空区垮落岩块空隙内的流动共分为三个时期，分别为淌流期、涌流期和渗流期三个时期，且三个时期相互关联，密不可分。

2）随着矸石浆体充填量的增加，动流坡度呈先减小而后增大的趋势，且当矸石浆体充填量相同时，矸石浆体浓度越大动流坡度越大，即矸石浆体浓度与低位灌浆步距呈正相关；随着矸石浆体浓度的增大，矸石浆体渗流至岩块间空隙的最小宽度越大，更难进入采空区深部，容易影响矸石浆体在采空区垮落带内的扩散范围和灌浆充填量。

3）矸石浆体在采空区内流动具有阶段选择性，涌出点涌出的浆体先以淌流方式沿动流坡度在第一阶梯内流动，而后第一阶梯内的浆体再以渗流方式沿倾向方向向第二阶梯内流动；沿着矸石浆体的流动方向，矸石浆体中粗颗粒的占比呈降低的趋势，细颗粒的占比呈上升的趋势，矸石浆体的质量分数呈下降的趋势。

4）采用低位灌浆充填，可以实现固废的采空区排放，其充填规模与垮落岩块块度、矸石浆体浓度和矸石粒度组成有关。

创新点：

首次在地面建立采空区垮落带矸石堆积模型，研究两种浓度矸石浆体在采空区垮落岩块间空隙内的流动扩散规律，确定了低位灌浆充填的可行性。

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