定向排布煤矸石骨料的煤矿胶结充填装置和充填方法

本发明涉及一种定向排布煤矸石骨料的煤矿胶结充填装置和充填方法，属于煤矿胶结充填开采技术领域。

背景技术：

煤矿胶结充填开采是现阶段煤矿领域较为高效环保的一种开采方式，属于“绿色开采”体系中的一种。煤矿胶结充填开采的主要目的是通过管道泵送预先拌好的水泥、粉煤灰、煤矸石等料浆输送至采空区，待其硬化凝固支撑采场覆岩。近几十年来，由于煤炭开采过度粗放，遗留了资源浪费、环境污染等诸多问题，比如地表塌陷、煤矸石等固废堆积、“三下”压煤等。而煤矿胶结充填开采的应用，可有效解决上述问题，在现阶段具有良好的应用前景和发展潜力。

胶结充填相比于固体充填、高水充填有较高的力学强度和长期的稳定性，可适用于各种复杂地质条件，而被广泛关注和应用。基于当前充填采煤成本高、效率低等问题，太原理工大学冯国瑞教授（冯国瑞,杜献杰,郭育霞,等.结构充填开采基础理论与地下空间利用构想[j].煤炭学报,2019,44(01):74-84.）提出“结构充填开采”思想理论，即在采空区选取关键位置并有针对性地布设结构充填体，以满足随采随充的岩层控制要求，其中要求充填体的强度至少达到10-20mpa；西安科技大学刘浪教授（刘浪,辛杰,张波,等.矿山功能性充填基础理论与应用探索[j].煤炭学报,2018,43(07):1811-1820.）提出“储库式功能性充填”技术理论，将传统胶结充填材料与拓展功能介质相拌合，使其在满足流动、力学等条件下形成具有存储功能的复合充填体。此外，随着浅部煤层采掘殆尽，我国煤矿领域已开始逐渐转战千米深井采煤，江苏省有色金属华东地质勘查局叶根喜高工（叶根喜,朱权洁,李舒霞,等.千米深井沿空留巷复合充填体研制与应用[j].采矿与安全工程学报,2016,33(05):787-794.）、中国矿业大学（北京）邓雪杰副教授（邓雪杰,董超伟,袁宗萱,等.深部充填沿空留巷巷旁支护体变形特征研究[j].采矿与安全工程学报,2020,37(01):62-72.）分别依据孙村煤矿11121工作面、唐口煤矿9303工作面工程实际提出：千米深井沿空留巷充填体的最小强度不应低于6mpa。然而，目前煤矿胶结充填体的强度现状仅能达到5mpa左右，难以服务于结构充填开采、深地充填开采，进而阻碍了我国煤矿胶结充填开采技术的推广与进步。

在煤矿胶结充填材料的制备过程中，为了节省成本，往往仅采用颚式破碎机破碎煤矸石制备骨料颗粒，因此煤矸石骨料颗粒大多呈扁平状且两端较尖。基于课题组前期研究发现，煤矸石颗粒表面疏松多孔，具有一定吸附性，且当煤矸石骨料垂直于受压方向时，煤矿胶结充填试件的承压稳定性最好、抗压强度最高。这是因为只有在垂直于受压方向时才不易产生使骨料颗粒旋转的弯矩，可以最大限度地保持界面过渡区（胶结充填体中最薄弱环节）结构的稳定性，进而提高煤矿胶结充填体的抗压强度及承载寿命。

因此，有必要在煤矿采空区中布设一种装置，使煤矸石骨料颗粒在煤矿胶结充填体中呈垂直于受压方向（即平行于地层）定向排布，进而有效提升煤矿胶结充填体的承载能力，并长期维持承载稳定性。

技术实现要素：

本发明旨在提供一种定向排布煤矸石骨料的煤矿胶结充填装置和充填方法，有效提升煤矿胶结充填体的抗压强度及承载寿命。

本发明提供了一种定向排布煤矸石骨料的煤矿胶结充填装置，包括超声波发生器，超声波发生器通过电线连接变阻器、电磁铁及电源，变阻器可以调节超声波发生器和电磁铁的功率，电磁铁的启停与超声波发生器独立不相干；

所述电磁铁内部设置有方阵排列的用于放置换能器的孔洞，电磁铁通过柔性布式充填模板两侧顶部的挂钩和两侧的小型磁片与柔性布式充填模板紧密贴合，柔性布式充填模板为内部空心的长方体结构，嵌套在顶板、底板、两侧电磁铁围成的空腔中；靠近电磁铁侧的外表面顶部缝有间隔排列的挂钩，外表面上缝有方阵排列的小型磁片。

在一侧电磁铁及对应的柔性布式充填模板上设有充填口、磁粉投放口，充填管道从充填口穿过进入柔性布式充填模板内部，磁粉投放口位于充填口下方，充填料浆通过充填管道、充填口充填进柔性布式充填模板内；换能器放置在电磁铁内部的孔洞中。

进一步地，所述换能器在电磁铁中等间距方阵排布。

本发明提供了一种定向排布煤矸石骨料的煤矿胶结充填方法，采用上述胶结充填装置，包括以下步骤：

（1）在煤矿采空区中布设柔性布式充填模板和内置换能器的电磁铁，确认电磁铁垂直于采空区顶板、底板，确认电磁铁顶端与采空区顶板间仅留存有仅供挂钩滑移的微小缝隙，确认电磁铁底端与采空区底板吻合良好，通过柔性布式充填模板两侧顶部的挂钩和两侧的小型磁片将柔性布式充填模板与电磁铁表面贴合紧密，然后在柔性布式充填模板侧面布设充填口、磁粉投放口，充填管道、磁粉投放管道贯穿该侧的电磁铁，确认柔性布式充填模板与采空区顶板、底板、电磁铁表面贴合紧密，确认充填口、磁粉投放口与柔性布式充填模板和电磁铁套合紧密且未被挡住，确认换能器牢固嵌套进电磁铁内部的孔洞中被固定且能够正常工作，确认电路连接无误；

（2）与地面连接的充填管路开始缓慢匀速充填料浆，同时磁粉投放口随充填速率调节投放磁粉，磁粉投放速率与充填速率成正比，并启动超声波发生器和电磁铁内部的换能器，促进充填料浆中煤矸石骨料颗粒的多孔表面吸附磁粉，通过变阻器调节促进吸附的效果；

（3）充填完毕后，待充填料浆达到初凝状态（即开始失去塑性流动）时，启动电磁铁，通过电磁铁在柔性布式充填模板中制造平行于采空区顶板、底板的磁场，使吸附磁粉后的煤矸石骨料颗粒定向旋转至平行于地层的状态，通过变阻器调节煤矸石骨料颗粒的旋转速率；

（4）断开电路，拆卸充填管路及胶结充填装置，撤出超声波发生器、变阻器、电磁铁及换能器，待到下次充填时循环使用。

本发明的有益效果：

通过投放并混合磁粉、利用超声波促进煤矸石骨料颗粒表面吸附磁粉、利用电磁铁制造平行于地层的磁场使煤矸石骨料颗粒定向旋转，最终形成煤矸石骨料颗粒平行于地层并垂直于受压方向的定向排布，进而有效提高煤矿胶结充填体的承载能力和长期稳定性，满足结构充填开采、深地充填开采对充填体的强度需求，有利于进一步推进我国煤矿胶结充填开采技术的进步，为地下空间高效利用、深部储煤安全采掘提供重要的理论和技术支撑，对于促进我国能源革命具有重要意义。

附图说明

图1为本发明装置在地下充填煤矿中的整体布置图；

图2为本发明装置在煤矿采空区中的详细布置图；

图3为本发明装置中电磁铁与柔性布式充填模板的固定结构图以及电磁铁的内部结构图。

其中：1.超声波发生器；2.变阻器；3.电磁铁；4.柔性布式充填模板；5.充填口；6.磁粉投放口；7.料浆；8.换能器；9.挂钩；10.小型磁片。

具体实施方式

下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。

实施例1：

如图1~3所示，一种定向排布煤矸石骨料的煤矿胶结充填装置，包括超声波发生器1，超声波发生器1通过电线连接变阻器2、电磁铁3及电源，变阻器2可以调节超声波发生器1和电磁铁3的功率，电磁铁3的启停与超声波发生器1独立不相干；

所述电磁铁3内部设置有方阵排列的用于放置换能器8的孔洞，电磁铁3通过柔性布式充填模板4两侧顶部的挂钩9和两侧的小型磁片10与柔性布式充填模板4紧密贴合，柔性布式充填模板4为内部空心的长方体结构，嵌套在顶板、底板、两侧电磁铁3围成的空腔中；靠近电磁铁3侧的外表面顶部缝有间隔排列的挂钩9，外表面上缝有方阵排列的小型磁片10。在一侧电磁铁3及对应的柔性布式充填模板4上设有充填口5、磁粉投放口6，充填管道从充填口5穿过进入柔性布式充填模板4围成的空腔中，磁粉投放口6位于充填口5下方，充填料浆7通过充填管道、充填口5充填进柔性布式充填模板4内；换能器8放置在电磁铁3内部的孔洞中。

进一步地，所述换能器8在电磁铁3中等间距方阵排布。

采用上述装置进行煤矸石骨料定向排布的充填方法，包括以下步骤：

（1）在煤矿采空区中布设柔性布式充填模板4和内置换能器8的电磁铁3，确认电磁铁3垂直于采空区顶板、底板，确认电磁铁3顶端与采空区顶板间仅留存有仅供挂钩9滑移的微小缝隙，确认电磁铁3底端与采空区底板吻合良好，通过柔性布式充填模板4两侧顶部的挂钩9和两侧的小型磁片10将柔性布式充填模板4与电磁铁3表面贴合紧密，然后在柔性布式充填模板4侧面布设充填口5、磁粉投放口6，充填管道、磁粉投放管道贯穿该侧的电磁铁3，确认柔性布式充填模板4与采空区顶板、底板、电磁铁3表面贴合紧密，确认充填口5、磁粉投放口6与柔性布式充填模板4和电磁铁3套合紧密且未被挡住，确认换能器8牢固嵌套进电磁铁3内部的孔洞中被固定且能够正常工作，确认电路连接无误；

（2）与地面连接的充填管路开始缓慢匀速充填料浆7，同时磁粉投放口6随充填速率调节投放磁粉，磁粉投放速率与充填速率成正比，并启动超声波发生器1和电磁铁3内部的换能器8，促进充填料浆7中煤矸石骨料颗粒的多孔表面吸附磁粉，通过变阻器2调节促进吸附的效果；

（3）充填完毕后，待充填料浆7达到初凝状态（即开始失去塑性流动）时，启动电磁铁3，通过电磁铁3在柔性布式充填模板4中制造平行于采空区顶板、底板的磁场，使吸附磁粉后的煤矸石骨料颗粒定向旋转至平行于地层的状态，通过变阻器2调节煤矸石骨料颗粒的旋转速率；

（4）断开电路，拆卸充填管路及胶结充填装置，撤出超声波发生器1、变阻器2、电磁铁3及换能器8，待到下次充填时循环使用。