傾斜煤層的超高水材料混合固結充填法

楊 捷 王玉凱

(中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院，北京 100083)

傾斜煤層的超高水材料混合固結充填法

楊 捷 王玉凱

(中國礦業大學(北京) 資源與安全工程學院，北京 100083)

為解決超高水材料開放式充填受煤層傾角影響較大的缺點，實現傾斜煤層安全、高效的充填開采，創新性地提出了混合充填的新思路，形成了超高水材料混合固結充填技術并深入地進行了可行性分析。給出了相關充填工藝流程：首先填充固體充填物，之后充填高水材料，待漿液液面達到要求高度后，進行二次充填固體充填物。分析了該技術的充填機理和能夠控制上覆巖層運動的實質，總結了技術的特色和優點。認為該充填技術合理地利用了煤層傾角，達到了充填不受煤層傾角限制的目地，解決了開放式充填的技術難題，同時還進一步提高了控制地表移動的能力。此外，超高水材料混合固結充填成本低廉，采煤與充填互不影響，為提高傾斜煤層滯壓資源采出率、減緩地表損害提供了新的手段，具有廣闊的應用前景。

煤礦充填 傾斜煤層 超高水材料混合固結充填法 可行性分析 充填工藝

煤礦充填開采是解放“三下壓煤”，提高資源利用率，實現“綠色開采”的有效途徑[1-2]。目前，采空區全部充填開采雖然形成了多種方法，但均達不到理想化充填。所形成的幾種充填技術各有特點,比如,膏體充填效果好，但是易堵管，適用于煤層穩定，重點保護場合；高水充填輸送距離遠、輸送能力大，但是投資大，適用于單一煤層、普通保護場合[3]等。而超高水材料開放式充填適用于傾斜煤層仰斜開采，此時漿液具有高流動性，能自行充填采空區，而且充填后采空區密實效果好，是一種很受推崇的充填方法。但是，該技術充填成本高而且受煤層傾角影響較大，適用范圍因此受到了限制。鑒于此，筆者提出了超高水材料混合固結法，以解決超高水材料開放式充填的不足，擴展其應用范圍。

1 超高水材料開放式充填分析

超高水材料開放式充填是由中國礦業大學馮光明教授研發的一種煤礦采空區充填方法。該技術是在煤礦仰斜開采條件下，對采空區不進行任何調控，完全利用超高水材料漿液的自流性將采空區充滿，凝固后的充填體與垮矸以及圍巖形成一個完整的結構體來控制上覆巖層活動[4]。超高水材料開放式充填利用了超高水材料漿液的高流動性(料漿中水的體積約占97%)這一特點，料漿不僅可以充滿采空區，而且還可以密實采空區周圍巖體的裂隙。因此，經超高水材料充填后的采空區，充填體與原巖體形成了一個緊密而穩定的統一整體，這有利于控制上覆巖層移動。由于開放式充填受煤層傾角影響很大，限制了其使用范圍。

當煤層傾角較小時，超高水材料漿液地流動性較差，采空區充填率會降低，極大地影響了對上覆巖層的控制效果。更為嚴重的是充填工作面后方會形成大面積的未支護的懸頂區域，如圖1所示。若頂板得不到及時支護，直接頂容易垮落，基本頂則會彎曲下沉，最終造成地面變形，嚴重時還會造成工作面人員傷亡。因此，當煤層傾角較小時，不能采用超高水材料開放式充填。在目前所實施的超高材料水開放式充填工業試驗中，煤層傾角最小的是田莊煤礦，為12°。

圖1 煤層傾角較小時的超高水材料開放式充填示Fig.1 Schematic diagram of open filling miningof super high water materials at small inclined angle

煤層傾角較大時，充填漿液流動性好，與采空區圍巖形成一個穩定的整體，而且懸頂區面積也會減小，利于開放式充填。但是，工作面上的采煤機、刮板輸送機、液壓支架等設備因傾角較大會發生滑移、倒塌事故，不利于采煤工作面的生產作業[5]，開放式充填難以實施。

2 超高水材料混合固結充填法

超高水材料混合固結充填法是對現行的超高水材料開放式充填的補充與發展。該方法是針對傾斜長臂仰斜開采的礦井進行充填開采時，通過配套的專用液壓支架和相關設備，采用一系列充填工藝，將適量的超高水材料和經過處理的、具有一定強度的固體充填物同時充填到采空區的一種新型充填技術。

該技術既吸收利用了超高水材料的高流動性特點，也結合了固體充填體能及時提供支撐力的優點。當煤層傾角較小時，固體充填物可暫時支撐懸露頂板，減少頂板下沉量。當煤層傾角較大時，固體充填物又可以阻滯工作面機械設備下滑。該技術彌補了開放式充填的不足，實現了傾斜煤層安全、高效充填。

圖2 超高水材料混合固結充填法Fig.2 Schematic diagram of super high watermaterial mixed consolidated filling method 1—運料皮帶機；2—超高水材料輸送管道；3—底卸式輸送機；4—轉載輸送機；5—充填支架；6—電動機；7—運煤皮帶機

3 思路來源及可行性分析

目前,煤礦全部充填法主要有膏體充填、超高水材料充填以及綜合機械化固體充填等。由于充填材料的不同而導致了充填方法上的差異，形成了各具特色的充填技術,這也造成了許多專家學者都將進一步的研究局限在相應技術優化中[6-13]，忽略了技術之間的借鑒與對比。筆者深入分析目前各充填技術的特點，利用各技術的特點實現充填的優勢互補，產生了混合方法充填的思路，繼而形成了超高水材料混合固結充填法。

超高水材料混合固結充填法實質就是將綜合機械化固體充填和超高水材料開放式充填結合應用。通過開發新的充填設備以及充填工藝對其進行技術優化，實現充填開采。所形成的超高水混合固結充填法合理地利用了煤層傾角，解決了開放式充填的技術難題，實現了充填不受傾角限制、技術廣為適用的目的。并且該技術經濟上合理，技術上可行，安全上可靠。

4 超高水材料混合固結法的工藝

超高水混合固結充填法采用如圖3所示的支架，該支架有以下3個特點：①支架后方設計了具有一定高度和厚度的擋板，擋板是支架一部分，可以承受一定的壓力。②支架后頂梁端部懸掛了一部下邊設有葉輪機的底卸式輸送機，葉輪機旋轉通過葉片來約束固體充填物的拋射方向和速度，使足夠多的充填體與頂板接觸。③底卸式輸送機通過鉸接鏈與支架尾梁連接，保證輸送機有靈活的角度調整其方位以適應不同傾角的煤層。

圖3 超高水混合固結法充填支架Fig.3 Support diagram of super high watermaterial mixed consolidated filling method

電機帶動葉輪機葉片旋轉，將由底卸式輸送機卸落下來的固體充填物以一定的速度由出口拋射向采空區，實現固體充填物的堆積。

4.1 充填工藝

超高水材料混合固結充填技術就是通過配套的設備將超高水材料和經過處理的固體廢棄物在充填工作面混合，而后進行采空區充填的一種充填采煤方法。充填時，為了保證較好的充填效果和充填環境，需按照以下工藝進行：充填部分固體廢棄物—充填超高水材料—充填固體廢棄物—移架，以此為一個循環周期。在充填作業的時候一定要做到以下2點：①當固體廢棄物即將躍過充填支架擋板滾落到采煤工作面時，則停止充填固體廢棄物；②當超高水材料液即將浸沒支架底座時，則停止灌注超高水材料。

移架時，矸石由架后矸石堆往下滾落。通過調節支架擋板高度以及支架移動步距，使滑落的矸石再次與支架擋板接觸。

充填工藝流程如圖4所示。

圖4 超高水材料混合固結充填工藝流程Fig.4 Process flow diagram of super high watermaterial mixed consolidated filling

4.2 充填材料來源

超高水混合固結充填技術中所用到的超高水材料即為中國礦業大學所研制成功的A、B材料，A料以鋁土礦、石膏等獨立煉制成主料并配以復合超緩凝分散劑(又稱外加劑AA)構成; B料由石膏、石灰混磨成主料并與少量復合速凝劑(又稱外加劑BB)構成[13]。

考慮到葉輪機拋射固體充填物會產生粉塵污染，所以，該技術所用的固體充填物粒徑不可太小。根據其他行業的生產經驗，初步確定使用粒徑在1 mm以上的固體廢物。固體充填物來源于廠礦等企業生產之后遺留下的固體廢棄物，如矸石、尾砂、建筑垃圾等。

4.3 充填材料運輸

超高水材料現場制備，由超高水生成系統生產出料漿后，分別送入相應的緩沖池，待A、B緩沖池儲存了一定量的單料漿后，同時開啟A、B柱塞泵，經專用管路分別將A、B漿液輸送至混合池，均勻混合后，將超高水料漿泵送到采空區工作面充填。

固體充填物則由皮帶機運輸到開切眼附近，通過自移式轉載輸送機[14]將固體充填物料由低位的帶式輸送機向高位的多孔底卸式輸送機機尾轉載。輸送機底孔卸載出來的固體充填物在葉輪機葉片的導向作用下拋出，堆砌在超高水漿液面之上。

4.4 充填工作面

超高水材料混合固結充填工作面(如圖5)與普通傾斜長臂工作面布置基本相似，回風巷和運輸巷分別布置在工作面的兩側。工作面由充填專用液壓支架支護，底卸式輸送機懸掛在支架后尾梁的下方，輸送超高水漿液的主干管路沿著支架布置在擋板前方。同時在主干管路上安設相應的軟管，用來排放超高水漿液至采空區。

圖5 超高水混合固結充填工作面Fig.5 Working face skim of super high water material mixed consolidated filling

5 超高水材料混合固結充填法特色

5.1 充填機理和控頂實質

在超高水材料混合固結充填技術中，超高水材料與固體充填物混合使用。超高水材料起滲透、密實固體間的縫隙與空間的作用。將超高水材料與固體廢棄物混合充填到采空區后，將形成固液結合，液體充分滲透固體，密閉裂隙空間的狀況。由于該材料還具有一定的膨脹性，因此凝固后，充填料漿會形成一個緊密支撐上覆巖層的穩固結構體，其壓縮率極小，幾乎可以忽略。

固體充填物作主要充填骨料不僅起到了降低充填成本的作用，而且還在超高水漿液尚未浸沒頂板，混合漿液凝固的初期階段，對頂板提供有效的支撐。這對控制地表的下沉、彎曲是極其重要，也是非常有效的[15]。當超高水漿液液位在充填支架以下時，充填的固體廢棄物形成結合緊密的支撐體，支撐起上覆巖層的部分質量，隨著工作面逐步向前推進，超高水被逐步灌入采空區，充填漿液將與周圍的巖體共同形成緊密的穩定的統一承載體系控制上覆巖層的移動。

5.2 縮小懸露頂板距離

固體充填物在葉輪機葉片的導向作用下，從葉輪機出口拋向頂板，在支架后方形成與頂板接觸的散體堆。由于充填支架后方擋板的阻滯作用，散體堆不斷的堆積變高，與上覆頂板的接觸面積也逐漸增大，這樣便大大的縮小了頂板懸頂區的范圍。

采空區頂板下沉最大撓度值隨著懸頂區長度的增加而增加；要維持關鍵層不發生斷裂，有好的控頂效果，必須保證有合適的控頂長度[16]。從圖6中可以明顯看出：隨著煤層傾角α的增大，懸露無支護的頂板跨度L逐漸變小，頂板下沉撓度值也逐漸減小，對上覆巖層移動控制效果也在逐漸變好。

5.3 合理利用傾角擴展應用

實施充填以后，在煤壁與固結凝固區之間存在著“壓力拱”[17]，充填支架、松散充填體以及固結初凝區承受著“拱”內巖石重力。此外，由于采煤工作面機械設備下滑(當煤層傾角α>12°，工作面的機械設備會有明顯下滑[5])原因，充填固體也受到了來自支架擋板的緊壓力。所以，拋射形成的散體堆既受到工作面機械設備施加的作用力，又受到上覆巖層的作用力。

固體充填物的散體顆粒通過相互間的擠壓、滾動平衡著這2個壓緊力。由于力的作用是相互的，被擠壓緊密的固體充填體也會施加給支架的擋板一個沿著工作面推進方向的力，保證工作面設備不再發生下滑；與固體充填體接觸的上覆頂板也會受到一個垂直于頂板的力，阻止其彎曲下沉。另外，這些松散的固體充填物也與固結初凝區、固結凝固區有著復雜的受力關系，但是，這些復雜的力的總體作用就是保持這些充填體能夠穩定的堆砌在超高水漿液以上。

以上復雜的受力關系根據其作用效果可以轉化為2個簡單的過程：①拱內的巖石與混合固結區施加力，作用到與之接觸的固體充填物上使其形成穩固的支撐體。②工作面的機械設備通過支架擋板施加給架后與頂板無接觸的松散體緊壓力。受力模型簡圖如圖7。

圖6 不同煤層傾角下的工作面充填Fig.6 Working face backfilling diagrams underdifferent inclined angle of coal seam

圖7 受力簡化模型Fig.7 Stress simplified model

設G為采煤工作面的機械設備的總重力，煤層傾角為α，F0是松散體、初凝區與凝固區間的擠壓力。

上覆巖層施加給充填體A的與頂板垂直的作用力

(1)

式中，q為巖層自重及其上載荷；L為支撐體與頂板接觸的距離。

接觸面的靜摩擦系數是us，則充填體A與煤層、巖層的最大摩擦力

(2)

那么，工作面設備發生下滑移動的臨界條件就是

(3)

由于

(4)

整理得到

(5)

所以，保證工作面機械設備不發生倒滑事故的最大重力

(6)

F0的作用是使固體充填物形成穩定的支撐體，該力是不斷變化的，最大可認為是無窮大。記(us·q·L+F0)為K，所以對于任何角度的煤層一定有G

因此，實施超高水材料混合固結充填法，工作面的機械設備是不會發生下滑事故的；只需調整好角度，保證機械設備的重心不越位，避免發生傾倒事故。由于煤層傾斜，利于超高水混合固結充填法實施采空區充填作業，充填后，堆砌的充填物又自發阻止了設備的倒滑。實施超高水材料混合固結充填法也使傾斜長臂開采法在傾角較大的煤層中得以應用，擴展了傾斜長臂開采的應用范圍。

5.4 充填成本與效率

在超高水混合固結充填技術中，固體充填物是主要的充填骨料，價格低廉。而超高水材料僅作為“黏結劑”，使用量很少。所以，超高水混合固結充填成本大幅度降低。

在超高水混合固結充填技術中，超高水材料具有高流動性，由高位向低位注入采空區；固體廢棄物則由機械設備完成充填。因此，該技術充填速度快，能夠跟得上采煤工作面向前推進的速度。另外，該技術的充填漿體能夠在很短的時間內凝固、負載。超高水材料的凝固強度以及初凝時間可按需調整，固體充填物其本身就具有強度。所以，該技術能夠在較短的時間內實現充填體整體承載上覆巖層的重力。據此可以認為：實施超高水材料混合固結充填法完全可以實現采煤與充填平行作業。

6 結 論

(1)根據超高水材料開放式充填的不足之處而完善、發展，形成了一種新的充填技術——超高水材料混合固結充填技術。

(2)超高水材料混合固結充填技術解決了開放式充填的技術難題，打破了煤層傾角的限制，可以在任何角度的傾斜煤層上實施充填開采，也間接地擴大了傾斜長臂采煤法的使用范圍。

(3)超高水材料混合固結充填技術充填成本低于超高水材料充填，采充能力大，可以實現采礦與充填能力的均衡，而且進一步提高了控制地表沉降的效果，是一種很有前途的充填開采技術。

[1] 繆協興，錢鳴高.中國煤炭資源綠色開采研究現狀與展望[J].采礦與安全工程學報，2009，26(1)：1-14. Miao Xiexing，Qian Minggao.Research on green mining of coal re-sources in China：current status and future prospects[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2009，26(1)：1-14.

[2] 錢鳴高，繆協興，許家林，等.論科學采礦[J].采礦與安全工程學報，2008，25(1)：1-10. Qian Minggao，Miao Xiexing，Xu Jialin，et al.On scientific mining[J].Journal of Mining & Safety Engineering，2008，25(1)：1-10.

[3] 胡炳南.我國煤礦充填開采技術及其發展趨勢[J].煤炭科學技術，2012，40(11)：1-5. Hu Bingnan.Back fill mining technology and development tendency in China coal mine[J].Science and Technology，2012,40(11):1-5.

[4] 馮光明，孫春東，王成真,等.超高水材料采空區充填方法研究[J].煤炭學報，2010，35(12)：1963-1968. Feng Guangming，Sun Chundong，Wang Chengzhen，et al.Research on goaf filling methods with super high-water material[J].Journal of China Coal Society,2010，35(12):1963-1968.

[5] 杜計平，孟憲銳.采礦學[M].徐州:中國礦業大學出版社，2009. Du jiping，Meng Xianrui.Mining Technology[M].Xuzhou:China University of Mining and Techonlogy Press，2009.

[6] 郭 力，何朋立.采空區充填效果的隨機規律研究[J].金屬礦山，2013(4)：36-39. Guo Li，He Pengli.Study on the stochastic law of gob stowing effect[J].Metal Mine，2013(4)：36-39.

[7] 繆協興.綜合機械化固體充填采煤技術研究進展[J].煤炭學報，2012，37(8):1247-1255. Miao Xiexing.Progress of fully mechanized mining with solid backfilling technology[J].Journal of China Coal Society，2012，37(8)：1247-1255.

[8] 張 強，張吉雄，巨 峰,等.固體充填采煤充實率設計與控制理論研究[J].煤炭學報，2014，39(1)：64-71. Zhang Qiang，Zhang Jixiong，Ju Feng，et al.Backfill body`s compression ratio design and control theory research in solid backfill coal mining[J].Journal of China Coal Society,2014,39(1):64-71.

[9] 賈凱軍,馮光明.煤礦超高水材料充填開采技術及其展望[J].煤炭科學技術，2012，40(11)：6-9. Jia Kaijun，Feng Guangming.Backfill mining technology with ultra high water material in coal mine and outlook[J].Coal Science and Technology，2012,40(11):6-9.

[10] 張欽禮，吳立宏，卞繼偉.充填管道堵塞的事故樹分析[J].金屬礦山,2015(4):145-148. Zhang Qinli，Wu Lihong，Bian Jiwei.Fault tree analysis of filling pipeline blockage[J].Metal Mine，2015(4)：145-148.

[11] 楊寶貴，王俊濤，李永亮,等.煤礦井下高濃度膠結充填開采技術[J].煤炭科學技術，2013，41(8)：21-26. Yang Baogui，Wang Juntao，Li Yongliang，et al.Backfill coal mining technology with high concentrated cementing material in underground mine[J].Coal Science and Technology，2013，41(8)：21-26.

[12] 劉建功.綜合機械化固體充填采煤技術研究[J].煤炭與化工，2013，36(1):1-7. Liu Jiangong.Solid-filling technology in fully mechanized coal mining[J].Coal and Chemical Industry，2013，36(1)：1-7.

[13] 馮光明，賈凱軍，李風凱,等.超高水材料開放式充填開采覆巖控制研究[J].中國礦業大學學報，2011，40(6)：841-845. Feng Guangming，Jia Kaijun，Li Fengkai，et al.Research on overburden strata control using a super high water content material during open backfill mining[J].Journal of China University of Mining and Technology，2011，40(6)：841-845.

[14] 繆協興，張吉雄.井下煤矸分離與綜合機械化固體充填采煤技術[J].煤炭學報，2014，39(8)：1424-1433. Miao Xiexing，Zhang Jixiong.Key technologies of integration of coal mining-gangue washing-back filling and coal mining[J].Journal of China Coal Society，2014，39(8)：1424-1433.

[15] 楊寶貴,韓玉明,楊鵬飛,等.煤礦高濃度膠結充填材料配比研究[J].煤炭科學技術,2014,42(1)：30-33. Yang Baogui，Han Yuming，Yang Pengfei，et al.Research on ratio of high concentration cementation stowing materials in coal mine[J].Coal Science and Technology，2014，42(1)：30-33.

[16] 許猛堂，張東升，馬立強,等.超高水材料長壁工作面充填開采頂板控制技術[J].煤炭學報，2014，39(3)：410-416. Xu Mengtang，Zhang Dongsheng，Ma Liqiang,et al.Roof control technology for long wall filling mining of super high-water material[J].Journal of China Coal Society,2014,39(3):410-416.

[17] 錢鳴高,石平五，許家林，等.礦山壓力與巖層控制[M].徐州:中國礦業大學出版社,2010. Qian Minggao，Shi Pingwu，Xu Jialin，et al.Mining Pressure and Strata Control[M].Xuzhou：China University of Mining and Technology Press,2010.

(責任編輯 徐志宏)

Super High Water Material Mixed Consolidated Filling Method in Inclined Coal Seam

Yang Jie Wang Yukai

(SchoolofResourceandSafetyEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China)

In order to avoid the big influence of inclined angle on open backfill of super high water material and achieve a safe and efficient mining in gently inclined coal seam，the proposal for mixed filling was creatively put forward.The super high water material mixed consolidation technology was formed and its feasibility was deeply analyzed.At the same time，the related backfilling process was proposed：After the consolidated slurry is firstly backfilled，followed by the high water filling materials.When the slurry height reaches a certain level，second filling with consolidated slurry starts.The filling mechanism of the technique and the principals of controlling the overlying strata movement were analyzed.Also，the advantages and characteristics of high water material mixed consolidation technology were summarized.The result showed that：this new technology rationally utilized the inclined angle of coal seam to receive a breakthrough of filling without being limited by the inclined angle of coal seam and solving the difficulty in super high water material open backfill mining.Meanwhile，the efficiency of limiting rock movement was improved in further.Besides，the super high water material mixed consolidation technology has a lower price and has not a disturbance to mining.It gives a profound application prospect and a new mean to raise the recovery rate of mineral resources under buildings as well as relieve the damage of surface for the inclined coal mine.

Backfilling of coal mine，Inclined coal seam，Super high water material mixed consolidated filling method，Feasibility analysis，Filling process

2015-08-24

“十一五”國家科技支撐計劃項目(編號：2009BAB48B02)。

楊 捷(1991—)，男，碩士研究生。

TP028.8

A

1001-1250(2015)-11-051-06