超高水材料在煤矿充填开采中的应用研究进展

杨 乐，徐佑林，令狐昌开，吕梦岚,

（1.贵州理工学院，贵州 贵阳 550003；2.贵州大学，贵州 贵阳 550025）

我国对煤炭资源的需求量很大，同时煤炭资源储备充足，储量处于全球前列[1]，但我国煤矿资源“三下”压煤即建筑下、铁道下、水面下压煤情况突出，压煤量近百亿吨。

在“三下”地区进行煤炭开采时，会不可避免地导致地表沉陷严重，土地资源被破坏，地表建筑物受到安全威胁。考虑到我国对煤炭资源的巨大需求以及“三下”压煤安全开采的要求，其开采方式必须安全可持续，这对于满足我国煤炭资源需求、合理使用地下资源、维护生产安全、推动我国煤炭工业的蓬勃发展意义重大。钱鸣高等[2]认为对煤炭资源的开发应该利用绿色采矿技术，比如煤矿的充填开采可以有效提高矿山开采的整体安全性，不仅可以保护地表建筑物，还可以减弱工地顶板塌陷、地压冲击等工程地质问题，从而解决煤矿“三下”开采难题。

煤矿的充填开采方式中以超高水充填使用较广，即使用超高水充填材料对采场上岩层进行支撑，从而保证采场覆岩的稳定性，减少采场上覆岩层的垮落，最终减少地表沉陷[3]。随着对超高水充填材料的深入研究，促进了其在煤矿充填开采方面的运用。西冯街煤业采用超高水材料进行封孔，证实了超高水材料制备工艺简单、成本低，是一种理想的封孔材料[4]。百贯沟矿在处理高冒区时选择了超高水材料充填方式，证实了超高水材料充填工艺是一种安全、高效、经济的充填方式[5]。周睿[6]以邯矿集团陶一勘探线超高水材料开放式充填采矿实际条件为工程背景，建立了力学分析模型，求出悬顶距控制在20 m以内可维持充填试验面在采矿过程中关键层不出现断层。本文根据超高水材料的特性，对其在采空区的填充方式和充填工艺体系加以阐述，并介绍了其工程使用状况和应用效果等，现介绍如下。

1 超高水充填材料的特性

超高水材料一般由A、B两种材质构成：A材质一般由铝土矿、石膏等独立制作成的主料并配以复合型超缓凝分散剂组成；B材质通常由石膏、硅灰混磨成主料并配以复合型速凝早强剂组成。制备超高水材料时，A、B两种物料同时配合悬浮扩散物料，两者的混和质量比为1∶1，制得的超高水材料水体积分数高达97%。超高水材料具备许多优势：材料的最终抗拉强度可达到0.66 MPa，物料凝固时间可以按照不同条件在90 min内进行调节；材料具备早强、快硬的特性，7 d抗压强度就可以达到材料最终抗压强度的60%～90%，同时材料体积与应变较小，在三向受力状况下具备不可压缩性，有利于施工现场充填与使用。超高水材料胶结体一般由钙矾石组成，为细长的铁丝网状构造，有高持水性特点。在密封状况下，超高水材料胶结体可维持长期稳定性。

2 超高水材料在煤矿采空区的充填方法

超高水材料的自然流动性较好，对采空区进行填充时，通常将超高水材料利用管道直接运输至作业面，再采用2种不同的方式对采空区进行充填：一是直接将超高水材料运送到采空区的工作面，利用超高水材料自身的流动性，对充填区域进行流淌充填；二是用管道将其引流至采空区的密闭空间或充填包内，使之成型固结。经过长时间的研制和实践，已经形成了一些常用的充填工艺和方法，现介绍如下。

2.1 开放式充填法

超高水材料开放式充填法是在低仰或倾斜的开采条件下，把超高水材料A、B两种浆体混合好，然后按相应的管路方向直接注入采空区[7]，A、B两种浆体混合后发生水化反应，从而充填采空区，最终起到充填效果，开放式充填示意图如图1所示。

图1 开放式充填示意图

超高水材料开放式充填法的特点如下：（1）技术优势。充填和采矿可同时进行，互不影响，工作面生产过程不受充填工序的影响；开放式充填工序可简化，对操作人员的技术要求较低，易于组织和操作，工作面支架无需技术改造，无需控制直接顶，也不在近采空区作业，充填过程相对安全有效。（2）缺点。在充填开采时，当采高幅度较大或者煤矿的开采面具有较小的倾斜度时，开放式充填法无法有效支撑起邻近开采区的上覆岩层，但是可以通过在作业面下方修建挡桨体，从而提高充填浆体的表面积，最终起到缩短悬露顶板跨距的作用。此外，如果工作面被水淹没，充填浆液会被稀释，使得充填效果减弱。（3）应用条件。开放式充填法主要适用于煤矿仰斜开采，当悬露顶板的跨距小于基本顶的初次垮落步距时，可以采取补充措施，满足使用要求。

2.2 全袋式充填法

超高水材料全袋式充填法是指通过在整个采空区内布置充填袋，并将超高水材料浆体充入其中，待超高水材料凝结后从而支撑上覆岩层的填充方法，全袋式充填示意图如图2所示。

图2 全袋式充填示意图

超高水材料全袋式充填法还可以用于沿空留巷，这种充填方法具备如下特点：（1）优点。全袋式充填法适应性较强，可以广泛应用于一般的采煤方法和回采工艺条件，能有效控制直接顶，充填效率较好，可以有效减少受作业面水涌流的影响。（2）缺点。充填包架的施工过程复杂，需要大量的劳动力，而且工程量很大，在施工环节中安全性较低；同时充填和回采会互相影响，对施工和工程管理的技术要求较高。

2.3 混合式充填法

混合式充填法是将开放式充填法和袋式充填法相结合的充填方法，混合式充填法也可兼作沿空留巷，其示意图见图3。混合式充填时，把工作面分为几个区段，然后间隔布设充填袋，对两排填充袋中间的多余空隙进行开放式充填，或密封后进行充填。

与全袋式充填法相比，混合式充填法降低了吊挂充填袋的使用量，充填效果提高，成本降低。与开放式充填法相比，混合式充填法可广泛应用于水平及近水平煤层的开采，适应性明显增强。采用混合式充填法充填时，填充间隙的尺寸与工作面围岩条件直接相关，可按要求加以调节。

2.4 分段阻隔充填法

分段阻隔充填法是指工作面每推进一定进程后，使用超高水材料充填袋在采空区构筑一道隔离墙，然后将超高水材料流体注入封闭的采空空间内，超高水材料固化后起到支撑采空顶板的作用。该法属于混合式充填法的特殊类型，在煤顶板稳定性较好的情况下可以选用，具有节约充填袋、充填效率高的优点。

图3 混合式充填示意图

3 超高水材料充填工艺系统

超高水材料充填工艺系统主要由物料储运、浆料处理、浆料输送与混合4部分构成，其中浆料处理系统是整个工艺系统的核心。在超高水材料充填泵站内设有制浆设备和浆液泵送设备。超高水材料充填泵站布置灵活，受空间限制较小，可以布置在地面上或矿井下，应依照矿井实际情况合理布置。如果将充填泵站建在地面上，则设备的布置受场地约束较小，容易搭建，便于运送材料，但是配水系统比较复杂，充填输送管路较长，井上、井下协调困难。将充填泵站建在矿井下时，易于搭建管路和配水系统，各种管路缩短，方便管理，但是受到井下空间的限制，各种材料的运送比较困难，充填泵站的建设规模也受限制。实践表明，将超高水材料充填开采工艺建设在井上或者井下时，初期的综合投入一般不超过500万元，并且操作简便，设备智能化程度高，安全风险较低[8]。

4 超高水材料采空区充填方法的应用

2008年，超高水材料充填开采技术在邯郸矿业集团陶一矿井首次开展了充填试验，试验前，根据陶一矿井建筑物压煤情况，对充填试验面进行了沉陷预计分析，最后选择了超高水材料充填技术对采空区进行充填，试验后期对充填开采后的地表下沉情况进行了分析和论证，发现沉降情况稳定，从而证实了超高水材料充填技术的合理性[9]。山西潞安集团依据司马矿放顶煤工作面现场实际情况，设定了充填地区适用范围54 m×89 m（倾向长度×走向长度），并将该区域内的采高降为2.9 m且不放顶煤，试验结果表明：在采取限高开采措施及超高水材料局部填充后，地面塔基基本稳定，经济效益明显，可为类似煤矿开采提供技术参考[10]。孙春东等[11]研究了采用超高水材料袋式填补开采采场覆岩构造的特征，揭示了长壁充填开采“支架-围岩”的关系，从而确定了超高水材料袋式填补采矿覆岩沉降管理的关键是提升充填效率；冀中能源邯郸矿业集团有限公司根据亨健矿2515作业面填补采矿地质条件和技术要求，采用超高水材料袋式充填采矿技术，实测结果表明，现场开采工作面矿压缓和、采场围岩破裂范围较小且能有效控制地表下沉。冀中股份针对邢东矿1127作业面开发中采空区密封效果不好的问题，采用了以超高水材料为主的填补密封墙体结构技术，实践结果表明，该技术工艺简便，在完成施工3个多月后，密封墙保存状态较好且表面无裂缝，密封效果良好[12]。

超高水材料煤矿采空区充填技术的应用实践表明，该技术可行性高、充填成本低、安全性较高、设备占地空间少、智能化水平高、初期投资较少、浆体比例精确度高、易于控制等，可作为各矿井“三下”采煤的充填方式，延长矿井寿命，为开采煤炭资源提供新选择。

5 结语与展望

超高水材料煤矿采空区充填技术在多地的试验表明，该技术对于解决煤炭“三下”开采问题具有良好的应用效果和发展前景。在后期的“三下”充填开采过程中，可以尝试把工业废弃物与超高水材料组合后用于充填采空区，从而达到废弃物利用的效果。另外，超高水充填材料的潜在应用价值较高，在堵水、壁后充填、离层注浆、消防灭火等方面均有较好的使用前景；同时由于超高水材料具备可灌注性、胶结性的优势，能对底层水存在的原生裂缝和采空后形成的可再生裂缝进行有效填充和胶结；还可以有效预防和控制底板水突出的问题，在承压水上充填开采方面也具有较大的优越性。