煤礦井下超高水材料開放式充填開采技術的應用研究

楊國棟

（西山煤電集團有限責任公司工程質量監督站，山西 太原 030053）

0 引言

近些年來，國家提高了對環境保護的要求，各個煤炭企業大力進行可持續發展，錢鳴高院士等提出了煤炭資源的綠色開采技術這一概念，而綠色開采技術中十分重要的一環便是井下的充填開采作業[1]。根據充填作業所使用的材料不同，可將充填開采工作分為分水砂、矸石和膏體充填等。雖然這些技術在實際中均有所應用，但是伴隨著的也有一些不足，主要包括以下幾點：

1）實施的步驟比較復雜，前期花費較多，系統的可靠性不高；

2）填充采空區所用的材料主要為固體，在井下不方便運輸，增大了井下人工消耗；

3）對采空區填充較慢，且具有較高的勞動強度；

4）會影響到井下工作面的回采作業，影響采煤工作效率；

5）填充之后采空區不夠密實；

6）填充材料花費成本較高。

以上的不足制約了填充技術在采空區中的應用，所以，為避免這些不足，開發新型低成本、高性能的填充材料和適應性強的填充工藝顯得十分重要。

1 超高水材料充填工藝

超高水材料作為一種新型的填充材料，其具有很高的水體積分數，可達到97%。它包括A、B兩種組成部分[2]，A部分由緩凝劑和鋁土礦的燃燒產物復合而成，B部分則由CaSO4復合速凝劑制成，A和B兩部分的用量比例為1：1。

應注意調節水體積在95%～97%之間，根據各部分組成添加劑量的不同，可以制成不同抗壓強度和初凝時間的超高水材料，以滿足對材料的不同需要。其中，初凝時間可調節的范圍是480s～5400s，最終抗壓強度可調節的范圍是：0.7MPa～1.5MPa。超高水材料的兩個組成部分在不混合的情況下，可在1.3d～1.7d內不會凝固。若兩個部分混合接觸，則會進行快速水化反應，并凝固成型。本文設置水體積95%作為劃分材料是否為超高水材料的分界線。超高水材料水灰比可達12：1，而普通的則約為2：1，超高水材料用水量更大，極大地減少材料的用量，降低了填充材料的成本。

在我國，制作超高水填充材料的用料獲取容易，且生產起來較為簡單。該材料的特點是早期強度高、凝結快速、單槳流動度高、可根據需要調節凝結時間等，材料固化成型后不會發生收縮變形，力學強度良好，三軸壓載下可以較好保持原來的特性。該材料應在較為密閉和濕潤的環境中使用，否則易風化腐蝕而降低材料性能。因此，在煤礦井下進行采空區填充時，采用超高水材料可充分發揮其良好的填充性能。

結合超高水材料的一些性能，并以此為基礎，繪出其進行充填作業時的工藝流程圖見圖1。

圖1 超高水材料的充填采空區工藝

超高水材料的A料和B料制漿的設備是一樣的，二者的制漿過程中的配料都是采用PLC來控制的，以準確按照配方配制漿液，減小誤差。這一制漿系統可在地面或者井下進行作業，可以高效配制超高水材料用于采空區注漿。當A液和B液制備量足夠時，將二者經各自的輸送管路同時注入采空區，使其混合并反應，一直到將采空區注滿。填充工作與采煤工作之間不會產生影響，可以保證兩種作業同時進行。

2 開放式采空區充填方法

這一方法是在仰斜開采條件下，把超高水材料A、B兩種單液分別經各自的管路同時注入采空區進行充填[3-4]，二者混合后進行水化反應，從而填充采空區，起到充填的效果，如圖2所示。

1）優點：采用開放式充填開采時，對采空區的填充工作不會影響采煤工作的進行，回采工作面的采煤產量不會因填充工作的進行而受到影響。這種填充方法操作簡單，需要人工較少，方便管理。由于填充作業不經過采空區，所以其過程具有較高的安全系數。

2）缺點：在有較大采高或者煤層的傾向比較小的情況時，開放式充填對鄰近采空區上覆的巖層起不到及時且有效的控制作用，但是在工作面的后部建造一面擋漿墻使得充填材料漿液的液面升高，這可以減小頂板懸露跨距，較好地對采空區進行有效的充填。但是，工作面的涌水會增大充填材料漿液的水灰比，對其性能造成不利影響，進而影響了對采空區的充填效果。

3）應用的條件：開采方式應為傾斜方式，且懸露頂板跨距要比基本頂初次垮落步距小，若無法達到該條件可采取其它方式使其滿足條件。

圖2 開放式充填開采

3 工業試驗

本技術從2008年9月份開始，就已經應用于邯鄲陶一煤礦等許多煤礦。除了上述煤礦一直在利用這項技術來填補采空區外，邯鄲礦業集團和礦業集團正計劃將其推廣到自己所屬的煤礦。此外，根據超高水材料的特性，不僅可用于礦山采空區充填，而且在堵水、充填、注漿、防火等方面具有良好的應用前景。

陶一、田莊兩座煤礦在采用了本技術之后，細致測量了地上及地下的應用情況，以考察本技術在采空區填充工作中的應用成效。陶一煤礦在采空區填充作業中全面采用了本方法，故以陶一煤礦為例，考察其充填開采效果，具體結果如下圖3所示，并得到了以下的結論：

圖3 采空區充填效果

1）通過地表觀查與測量發現，在充填開采之后，地面最大下沉距離為220mm，并且周圍建筑物沒有出現明顯的裂紋，對環境的破壞等級能夠符合國家規定。

2）對采空區進行了填充之后，其上覆巖層活動較為平緩，且填充進行得越早，巖層越穩定。

3）填充之后，工作面中使用的單體支柱和所使用的液壓支架的在作業時遇到的阻力能保持在一個較為穩定的水平，且防止頂板來壓現象的出現。

4）在進行填充開采作業時，采動的原因對回采巷道產生顯著影響的區域為工作面前方50m的范圍，與垮落法開采相比，其受采動影響的區域更小。

5）充填結束后，在井下挖探測巷和打鉆孔進行窺探，發現本文采用的開放式填充方法，能夠將所用的超高水材料注滿采空區區域，且材料能夠滲入采空區周圍煤巖層裂隙內，對其進行封堵填充。上覆巖層中裂隙越發育，裂隙之間通透性越高，則填充材料漿液越容易滲透，提高了材料對采空區的充填效果。

6）填充工作結束后，經觀察發現，本文所采用的填充工藝及材料有效填充了采空區，并對直接頂提供了良好的支護，避免直接頂塌陷掉渣現象的發生。

7）在充填作業中采用了本技術，使得采空區的填充率達到了85%，并且所用的充填材料固結后能將整個采空區充滿，材料本身也牢固密實，具有較高的抗壓強度，對上覆巖區起到很好的支護作用，減緩其活動的劇烈度。

本技術在采空區中的實際應用表明，采用的填充方式所花耗的成本在70～85元之間，相比其它充填方式，成本是最低的。為煤礦中的“三下”壓煤開采提供了一種有效的方法，延長了礦井的使用壽命，給礦山的可持續發展奠定了基礎。

4 結 語

超高水材料開放式充填開采技術在一些礦井的成功實施，說明該技術能夠有效解決煤礦的“三下”壓煤開采問題，具有廣闊的應用和推廣前景。主要結論如下：

1）由于煤礦井下采空區的環境較為潮濕和封閉，因此，在采空區內使用超高水材料能取得十分良好的效果；

2）本文所采用的采空區填充工藝操作起來較為簡便，前期資金投入較低，對勞動強度的需求較小，且較高的機械化程度使得填充作業的成本較小，實際應用起來十分便捷。同時，進行充填作業時，不會對正常的采煤作業產生影響，填充結束后可有效支護上覆巖層，較少塌陷冒落現象。

3）在采空區利用超高水材料進行充填能防控頂板突水、采空區內的遺煤自燃等，且可以消除大量的礦井廢水，防止對地下水系造成破壞。