中厚煤層綜采面超高水材料充填開采技術分析

曹建波

摘 要：本文從超高水材料的特性介紹入手，對超高水材料充填開采技術的作用機理進行分析，并對該技術在中厚煤層綜采作業面的應用進行深入研究。結果表明，該技術不但能提高作業效率，而且還能確保生產安全。

關鍵詞：綜采作業面；超高水材料；充填開采

1 超高水材料充填開采技術分析

1.1 超高水材料簡介

超高水材料是煤礦采空區充填過程中較為常用的材料之一，一般都是由兩種主料與少量的速凝劑和緩凝劑組成。當水體積在95-97%這一區間浮動時，其固結體的抗壓強度能夠按照外加劑的不同，按需調節初凝時間，范圍一般可控制在8-90min之間，其28d的強度能夠達到0.66-1.5MPa，兩種主料漿液均可以維持在30-40min左右不凝固。固結體7h的抗壓強度能夠達到最終強度的60%-90%。由于超高水材料的水體積均大于95%，故此其水灰比要比普通高水材料大很多，約為11：1。

1.2 材料特性

超高水充填材料具有如下特性：

1.2.1 初凝快。超高水充填材料在不同水灰比的條件下，其初凝時間均不超過20min，并且早期抗壓強度增長速度較快，24h左右基本能夠達到最高強度的50%。

1.2.2 形變性。當超高水充填材料固結體受到壓力荷載作用后，體積應變相對較小，約為0.00073-0.003之間。換言之，固結后的超高水充填材料具有不可壓縮性，這一特性使其非常適用于煤層充填開采。

1.2.3 再膠結性。超高水充填材料壓裂后，28d再膠結強度能夠達到未壓裂之前強度的90%以上，這表明，材料本身具有壓裂后再膠結的性能，該性能可以調節充填體上部覆蓋巖體的穩定性。

1.2.4 恒阻性。通常情況下，超高水充填材料固結體當中所含的主要為游離水。使得充填材料在受壓破壞之后，仍具備重新結晶的能力，使其具有了良好的恒阻特性。

1.2.5 熱穩定性。超高水材料耐火性的強弱主要取決于材料當中的水含量多少，即水含量越高，耐火性差，水含量較低時，耐火性較高。隨著材料受熱時間的增長，其質量變化會逐漸變慢，此時材料的密實度會變得越來越高，穩定性也會隨之提高。

1.3 作用機理

超高水材料充填技術的作用機理可以歸納為以下三個方面：

1.3.1 力學作用。通過對充填體和井下巷道圍巖力學性質分析可知，充填體加入后，有效改善圍巖和頂板的應力狀態，進一步提高兩者的強度，對圍巖和頂板起到了一定的支撐作用。

1.3.2 結構作用。就充填體本身的作用而言，在井下采掘作業的過程中，采空的部分全部由充填體代替，雖然填體的強度小于原介質的強度且變形也相對較大，但是充填體能夠使原本的巖層結構保持穩定。

1.3.3 讓壓作用。從能量學角度上講，充填體的變形過程實質上是吸收了開采過程中釋放的能量而導致的，它的作用是減緩圍巖與頂板的能量釋放，通過這種讓壓方式，有效防止突然失穩的情況發生。

2 超高水材料充填開采技術在中厚煤層綜采作業面的應用研究

為了便于本文研究，下面依托工程實例對超高水材料充填開采技術在中厚煤層綜采面的應用展開論述。

某煤礦XX礦井東西走向長12.5km，南北傾斜寬度3.4km。礦井B13煤層傾角30°，平均厚度為3.5m，屬于典型的中厚煤層。以往受各方面因素的制約，綜采面的回采效率較低。為實現高產高效的目標，經綜合考慮后，決定對該煤層綜采面進行超高水材料充填開采，下面就此展開詳細論述。

2.1 充填系統

2.1.1 充填材料為超高水速凝固結充填材料，物料分為A、B兩種，分別加入8-11倍的水組成。其中，A料的主要成分為鋁土礦石膏、復合超緩凝分散劑等；B料則是由石膏、石灰以及復合速凝劑等構成。

2.1.2 在選擇充填袋的規格時，應重點考慮綜采作業面的面長、采掘高度以及循環進尺等因素，其材質應當具備足夠的強度，還要具有抗靜電、抗阻燃等性能，同時要保證接縫部位牢固。

2.1.3 制漿系統。料漿的制備一般都是按照實際充填要求進行，為便于長距離輸送，應當將固體粉料配制成液態漿體，制漿質量的優劣直接影響充填效果。制漿系統共分為A、B兩套，其生產能力應當滿足充填要求，并且A與B系統的所有設備相同。可將制漿系統布置在地面，借助管路將料漿輸送至充填作業面。

2.1.4 料漿輸送系統。該系統的輸送能力必須與生產要求相符，同時確保其運行平穩、可靠，便于管理。輸送管路可采用無縫鋼管或管路之間也可以使用法蘭進行連接，有效防止料漿滲漏。

2.2 充填工藝

2.2.1 充填方法選擇

①開放式充填。指在采掘作業面向前推進的過程中，對采空區不進行調控，完全處于開放與自由狀態的一種充填方式。具有以下優點：充填與開采作業之間不會產生任何影響，工藝簡單、操作人員少、便于管理、無需對支架進行改造和對直接頂進行控制。不需要在采空區內進行作業，充填安全性顯著提高。

②全袋式充填。是指在井下采空區的范圍以內布置充填袋，并由輸送系統向袋內注入超高水材料，待其凝固之后，對上覆巖層進行支撐。其優點如下：適用范圍廣，基本可以滿足各種采煤方法和回采工藝的要求，可對直接頂進行有效控制，充填效果直觀。唯一的不足是工作量較大。

③混合式充填。該方法具體是指充填袋與開放式相結合的方法，其優點如下：充填效率高、充填成本低、適應性強。

2.2.2 工藝流程

后置支架拉架→掛袋充填準備→輸送料漿→充填→清管→驗收

2.2.3 工藝要領

當采煤機向前割三刀煤之后，在保證液壓支架完好的前提下便可開始充填作業。在充填的過程中，應當盡可能確保各個充填袋同時充填，防止料漿全部流向某個充填袋。充填之后應確保充填袋內的料漿大于充填袋容量的95%，料漿凝固階段，前置液壓支架與采煤機均可正常作業，不得對后置液壓支架進行移動，以免影響凝固質量。首次充填時，應在開切眼的位置處設置支撐墻，以此作為支撐防止破包。為了確保全部注漿口都處于同一水平線上，可將掛包體頂面最高點上的注漿孔作為注漿口，這樣能夠防止料漿無法注滿包體；當采掘作業面向前推進時，可將單料輸漿管拆除，并確保混合管的長度不變，這樣能夠使料漿混合的更加均勻，有利于提高填充質量。

2.3 地表沉降觀測

充填后的地表沉降觀測采用四等精密水準組成觀測網，然后進行整體平差。自首次充填完畢后開始進行觀測，觀測周期設定為30d/次，共觀測8期，每期觀測精度均符合國家四等水準測量規定的技術指標。觀測結果顯示，所有測點均出現不同程度的下沉，最大下沉點位的沉降量為165.6mm，每期平均下沉約23.7mm，最小下沉點位的沉降量為7.0mm，每期平均下沉1.0mm。

2.4 應用效果

在應用超高水材料充填開采工藝對中厚煤層進行采掘后，大幅度提高了回采產量，有效解決了可采資源緊張的問題，進一步提高了采掘作業的安全性。

3 結束語

綜上所述，本文對超高水材料充填開采技術在中厚煤層采掘面的應用進行了分析，該技術的應用有利于提高開采效率。在未來一段時期內，應將研究的重點放在對該技術的完善上，不斷創新，有助于該技術的推廣應用，還能促進我國煤礦產業的發展。

參考文獻

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