超高水材料在煤礦充填開采中的應(yīng)用研究進(jìn)展

楊 樂，徐佑林，令狐昌開，呂夢嵐,

（1.貴州理工學(xué)院，貴州 貴陽 550003；2.貴州大學(xué)，貴州 貴陽 550025）

我國對煤炭資源的需求量很大，同時煤炭資源儲備充足，儲量處于全球前列[1]，但我國煤礦資源“三下”壓煤即建筑下、鐵道下、水面下壓煤情況突出，壓煤量近百億噸。

在“三下”地區(qū)進(jìn)行煤炭開采時，會不可避免地導(dǎo)致地表沉陷嚴(yán)重，土地資源被破壞，地表建筑物受到安全威脅。考慮到我國對煤炭資源的巨大需求以及“三下”壓煤安全開采的要求，其開采方式必須安全可持續(xù)，這對于滿足我國煤炭資源需求、合理使用地下資源、維護(hù)生產(chǎn)安全、推動我國煤炭工業(yè)的蓬勃發(fā)展意義重大。錢鳴高等[2]認(rèn)為對煤炭資源的開發(fā)應(yīng)該利用綠色采礦技術(shù)，比如煤礦的充填開采可以有效提高礦山開采的整體安全性，不僅可以保護(hù)地表建筑物，還可以減弱工地頂板塌陷、地壓沖擊等工程地質(zhì)問題，從而解決煤礦“三下”開采難題。

煤礦的充填開采方式中以超高水充填使用較廣，即使用超高水充填材料對采場上巖層進(jìn)行支撐，從而保證采場覆巖的穩(wěn)定性，減少采場上覆巖層的垮落，最終減少地表沉陷[3]。隨著對超高水充填材料的深入研究，促進(jìn)了其在煤礦充填開采方面的運(yùn)用。西馮街煤業(yè)采用超高水材料進(jìn)行封孔，證實(shí)了超高水材料制備工藝簡單、成本低，是一種理想的封孔材料[4]。百貫溝礦在處理高冒區(qū)時選擇了超高水材料充填方式，證實(shí)了超高水材料充填工藝是一種安全、高效、經(jīng)濟(jì)的充填方式[5]。周睿[6]以邯礦集團(tuán)陶一勘探線超高水材料開放式充填采礦實(shí)際條件為工程背景，建立了力學(xué)分析模型，求出懸頂距控制在20 m以內(nèi)可維持充填試驗(yàn)面在采礦過程中關(guān)鍵層不出現(xiàn)斷層。本文根據(jù)超高水材料的特性，對其在采空區(qū)的填充方式和充填工藝體系加以闡述，并介紹了其工程使用狀況和應(yīng)用效果等，現(xiàn)介紹如下。

1 超高水充填材料的特性

超高水材料一般由A、B兩種材質(zhì)構(gòu)成：A材質(zhì)一般由鋁土礦、石膏等獨(dú)立制作成的主料并配以復(fù)合型超緩凝分散劑組成；B材質(zhì)通常由石膏、硅灰混磨成主料并配以復(fù)合型速凝早強(qiáng)劑組成。制備超高水材料時，A、B兩種物料同時配合懸浮擴(kuò)散物料，兩者的混和質(zhì)量比為1∶1，制得的超高水材料水體積分?jǐn)?shù)高達(dá)97%。超高水材料具備許多優(yōu)勢：材料的最終抗拉強(qiáng)度可達(dá)到0.66 MPa，物料凝固時間可以按照不同條件在90 min內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)；材料具備早強(qiáng)、快硬的特性，7 d抗壓強(qiáng)度就可以達(dá)到材料最終抗壓強(qiáng)度的60%～90%，同時材料體積與應(yīng)變較小，在三向受力狀況下具備不可壓縮性，有利于施工現(xiàn)場充填與使用。超高水材料膠結(jié)體一般由鈣礬石組成，為細(xì)長的鐵絲網(wǎng)狀構(gòu)造，有高持水性特點(diǎn)。在密封狀況下，超高水材料膠結(jié)體可維持長期穩(wěn)定性。

2 超高水材料在煤礦采空區(qū)的充填方法

超高水材料的自然流動性較好，對采空區(qū)進(jìn)行填充時，通常將超高水材料利用管道直接運(yùn)輸至作業(yè)面，再采用2種不同的方式對采空區(qū)進(jìn)行充填：一是直接將超高水材料運(yùn)送到采空區(qū)的工作面，利用超高水材料自身的流動性，對充填區(qū)域進(jìn)行流淌充填；二是用管道將其引流至采空區(qū)的密閉空間或充填包內(nèi)，使之成型固結(jié)。經(jīng)過長時間的研制和實(shí)踐，已經(jīng)形成了一些常用的充填工藝和方法，現(xiàn)介紹如下。

2.1 開放式充填法

超高水材料開放式充填法是在低仰或傾斜的開采條件下，把超高水材料A、B兩種漿體混合好，然后按相應(yīng)的管路方向直接注入采空區(qū)[7]，A、B兩種漿體混合后發(fā)生水化反應(yīng)，從而充填采空區(qū)，最終起到充填效果，開放式充填示意圖如圖1所示。

圖1 開放式充填示意圖

超高水材料開放式充填法的特點(diǎn)如下：（1）技術(shù)優(yōu)勢。充填和采礦可同時進(jìn)行，互不影響，工作面生產(chǎn)過程不受充填工序的影響；開放式充填工序可簡化，對操作人員的技術(shù)要求較低，易于組織和操作，工作面支架無需技術(shù)改造，無需控制直接頂，也不在近采空區(qū)作業(yè)，充填過程相對安全有效。（2）缺點(diǎn)。在充填開采時，當(dāng)采高幅度較大或者煤礦的開采面具有較小的傾斜度時，開放式充填法無法有效支撐起鄰近開采區(qū)的上覆巖層，但是可以通過在作業(yè)面下方修建擋槳體，從而提高充填漿體的表面積，最終起到縮短懸露頂板跨距的作用。此外，如果工作面被水淹沒，充填漿液會被稀釋，使得充填效果減弱。（3）應(yīng)用條件。開放式充填法主要適用于煤礦仰斜開采，當(dāng)懸露頂板的跨距小于基本頂?shù)某醮慰迓洳骄鄷r，可以采取補(bǔ)充措施，滿足使用要求。

2.2 全袋式充填法

超高水材料全袋式充填法是指通過在整個采空區(qū)內(nèi)布置充填袋，并將超高水材料漿體充入其中，待超高水材料凝結(jié)后從而支撐上覆巖層的填充方法，全袋式充填示意圖如圖2所示。

圖2 全袋式充填示意圖

超高水材料全袋式充填法還可以用于沿空留巷，這種充填方法具備如下特點(diǎn)：（1）優(yōu)點(diǎn)。全袋式充填法適應(yīng)性較強(qiáng)，可以廣泛應(yīng)用于一般的采煤方法和回采工藝條件，能有效控制直接頂，充填效率較好，可以有效減少受作業(yè)面水涌流的影響。（2）缺點(diǎn)。充填包架的施工過程復(fù)雜，需要大量的勞動力，而且工程量很大，在施工環(huán)節(jié)中安全性較低；同時充填和回采會互相影響，對施工和工程管理的技術(shù)要求較高。

2.3 混合式充填法

混合式充填法是將開放式充填法和袋式充填法相結(jié)合的充填方法，混合式充填法也可兼作沿空留巷，其示意圖見圖3。混合式充填時，把工作面分為幾個區(qū)段，然后間隔布設(shè)充填袋，對兩排填充袋中間的多余空隙進(jìn)行開放式充填，或密封后進(jìn)行充填。

與全袋式充填法相比，混合式充填法降低了吊掛充填袋的使用量，充填效果提高，成本降低。與開放式充填法相比，混合式充填法可廣泛應(yīng)用于水平及近水平煤層的開采，適應(yīng)性明顯增強(qiáng)。采用混合式充填法充填時，填充間隙的尺寸與工作面圍巖條件直接相關(guān)，可按要求加以調(diào)節(jié)。

2.4 分段阻隔充填法

分段阻隔充填法是指工作面每推進(jìn)一定進(jìn)程后，使用超高水材料充填袋在采空區(qū)構(gòu)筑一道隔離墻，然后將超高水材料流體注入封閉的采空空間內(nèi)，超高水材料固化后起到支撐采空頂板的作用。該法屬于混合式充填法的特殊類型，在煤頂板穩(wěn)定性較好的情況下可以選用，具有節(jié)約充填袋、充填效率高的優(yōu)點(diǎn)。

圖3 混合式充填示意圖

3 超高水材料充填工藝系統(tǒng)

超高水材料充填工藝系統(tǒng)主要由物料儲運(yùn)、漿料處理、漿料輸送與混合4部分構(gòu)成，其中漿料處理系統(tǒng)是整個工藝系統(tǒng)的核心。在超高水材料充填泵站內(nèi)設(shè)有制漿設(shè)備和漿液泵送設(shè)備。超高水材料充填泵站布置靈活，受空間限制較小，可以布置在地面上或礦井下，應(yīng)依照礦井實(shí)際情況合理布置。如果將充填泵站建在地面上，則設(shè)備的布置受場地約束較小，容易搭建，便于運(yùn)送材料，但是配水系統(tǒng)比較復(fù)雜，充填輸送管路較長，井上、井下協(xié)調(diào)困難。將充填泵站建在礦井下時，易于搭建管路和配水系統(tǒng)，各種管路縮短，方便管理，但是受到井下空間的限制，各種材料的運(yùn)送比較困難，充填泵站的建設(shè)規(guī)模也受限制。實(shí)踐表明，將超高水材料充填開采工藝建設(shè)在井上或者井下時，初期的綜合投入一般不超過500萬元，并且操作簡便，設(shè)備智能化程度高，安全風(fēng)險較低[8]。

4 超高水材料采空區(qū)充填方法的應(yīng)用

2008年，超高水材料充填開采技術(shù)在邯鄲礦業(yè)集團(tuán)陶一礦井首次開展了充填試驗(yàn)，試驗(yàn)前，根據(jù)陶一礦井建筑物壓煤情況，對充填試驗(yàn)面進(jìn)行了沉陷預(yù)計分析，最后選擇了超高水材料充填技術(shù)對采空區(qū)進(jìn)行充填，試驗(yàn)后期對充填開采后的地表下沉情況進(jìn)行了分析和論證，發(fā)現(xiàn)沉降情況穩(wěn)定，從而證實(shí)了超高水材料充填技術(shù)的合理性[9]。山西潞安集團(tuán)依據(jù)司馬礦放頂煤工作面現(xiàn)場實(shí)際情況，設(shè)定了充填地區(qū)適用范圍54 m×89 m（傾向長度×走向長度），并將該區(qū)域內(nèi)的采高降為2.9 m且不放頂煤，試驗(yàn)結(jié)果表明：在采取限高開采措施及超高水材料局部填充后，地面塔基基本穩(wěn)定，經(jīng)濟(jì)效益明顯，可為類似煤礦開采提供技術(shù)參考[10]。孫春東等[11]研究了采用超高水材料袋式填補(bǔ)開采采場覆巖構(gòu)造的特征，揭示了長壁充填開采“支架-圍巖”的關(guān)系，從而確定了超高水材料袋式填補(bǔ)采礦覆巖沉降管理的關(guān)鍵是提升充填效率；冀中能源邯鄲礦業(yè)集團(tuán)有限公司根據(jù)亨健礦2515作業(yè)面填補(bǔ)采礦地質(zhì)條件和技術(shù)要求，采用超高水材料袋式充填采礦技術(shù)，實(shí)測結(jié)果表明，現(xiàn)場開采工作面礦壓緩和、采場圍巖破裂范圍較小且能有效控制地表下沉。冀中股份針對邢東礦1127作業(yè)面開發(fā)中采空區(qū)密封效果不好的問題，采用了以超高水材料為主的填補(bǔ)密封墻體結(jié)構(gòu)技術(shù)，實(shí)踐結(jié)果表明，該技術(shù)工藝簡便，在完成施工3個多月后，密封墻保存狀態(tài)較好且表面無裂縫，密封效果良好[12]。

超高水材料煤礦采空區(qū)充填技術(shù)的應(yīng)用實(shí)踐表明，該技術(shù)可行性高、充填成本低、安全性較高、設(shè)備占地空間少、智能化水平高、初期投資較少、漿體比例精確度高、易于控制等，可作為各礦井“三下”采煤的充填方式，延長礦井壽命，為開采煤炭資源提供新選擇。

5 結(jié)語與展望

超高水材料煤礦采空區(qū)充填技術(shù)在多地的試驗(yàn)表明，該技術(shù)對于解決煤炭“三下”開采問題具有良好的應(yīng)用效果和發(fā)展前景。在后期的“三下”充填開采過程中，可以嘗試把工業(yè)廢棄物與超高水材料組合后用于充填采空區(qū)，從而達(dá)到廢棄物利用的效果。另外，超高水充填材料的潛在應(yīng)用價值較高，在堵水、壁后充填、離層注漿、消防滅火等方面均有較好的使用前景；同時由于超高水材料具備可灌注性、膠結(jié)性的優(yōu)勢，能對底層水存在的原生裂縫和采空后形成的可再生裂縫進(jìn)行有效填充和膠結(jié)；還可以有效預(yù)防和控制底板水突出的問題，在承壓水上充填開采方面也具有較大的優(yōu)越性。