改变矿井资源萎缩现状——超高水材料充填采煤技术

2017 年 9 月 23 日 科学出版社 孙春东

超高水材料是在高水材料的基础上进一步发展，水体积可达95%~97%的一种高铝型充填材料。高水材料发源于英国(Tekpak，特克派克)，国产高水材料由中国矿业大学、中国建材研究院、西北矿冶研究院研发，从20 世纪80 年代以来，高水材料被应用于煤矿、金属矿山的充填开采当中。在生产过程中，高水材料显现了其优越的性能，但是由于强度较低、价格较高没有能够大范围推广。

2006 年以来，冀中能源邯郸矿业集团积极探索开采“三下一上”煤炭资源，与中国矿业大学合作，发明了超高水材料及其充填采煤工艺方法，推动了高水系列材料的研发和推广。

超高水材料充填开采工艺

超高水材料充填开采工艺方法一般分为三种：一是通过管路将其导引至预先安设于采空区的封闭空间或袋包内，使其按要求成型固结的袋式充填工艺；二是将超高水材料浆体输送至采空区后，让其自然流淌与漫溢的开放式充填工艺；三是将上述两种充填方法相互结合形成的混合式充填开采工艺。超高水材料充填采煤工艺系统如图1 所示。

图1　超高水材料充填采煤工艺系统示意图

采空区袋式充填开采工艺

采空区全袋式充填工艺是在采空区范围内全部布置充填袋，袋内充入超高水材料浆体，浆体凝固后对上覆岩层进行支撑，如图2 和图3 所示。

图2　采空区袋式充填示意

1—采煤机；2—刮板输送机；3—液压支架；4—转载机；5—充填体；6—开切眼位置；α—煤层倾角

图3　采空区袋式充填现场示意

该工艺的优点：

(1)全袋式充填能适用于现有大多数采煤方法与回采工艺条件下的采空区充填要求。与开放式充填相比，适用性更广，特别是对近水平条件下的煤层有较好的适应性。

(2)可直接控制直接顶，充填效果直观。

(3)不受工作面潮湿、涌水等条件的影响。

该工艺的缺点：

(1)充填袋架设工序与劳动组织较复杂，工作量较大，对作业环节安全要求高。

(2)充填与回采两工艺存在相互影响，配合管理技术要求高。

采空区开放式充填开采工艺

采空区开放式充填开采工艺是在仰斜开采条件下，采空区完全处于开放与自由状态，利用煤层倾角使超高水材料浆体自行流入采空区并固结成形对覆岩进行支撑。

具体做法如下：自开切眼始，工作面推进适当距离后，即对采空区实施充填。随着充填工作的不断推进，充填浆体液面不断上升，逐渐将低于工作面位置水平以下的采空区充填密实，并将部分垮落下来的矸石(若存在)胶结起来，形成整体支撑上覆岩层的充填胶结承载体。

采空区开放式充填开采示意及现场充填情况如图4 和图5 所示。

图4　开放式充填开采示意

1—采煤机；2—刮板输送机；3—液压支架；4—转载机；5—充填体；α—煤层倾角

图5　采空区开放式充填现场示意

该工艺的优点：①充填与开采互不影响，工作面产量不受充填工艺制约；②充填工艺简单，人员需求少，易于组织与管理，工作面支架不需改造；③不控制直接顶，人员作业不在采空区，充填过程安全可靠。

不足之处：当采高较大或煤层倾角较小时，该方法对控制临近采空区上覆岩层有一定的局限性，但通过在工作面后方构筑挡浆体，使充填浆体液面水平升高，缩短顶板悬跨距，可较好地实现对采空区的充填。此外，当工作面涌水较大时，对充填效果有一定影响，需采取疏治水措施。

采空区混合式充填开采工艺

采空区混合式充填是指采空区充填时，根据需要采用充填袋与开放式充填相结合的充填方式。根据充填袋布置方式与开放式充填区域位置关系的不同，混合式充填一般可分为间隔交错式充填和分段阻隔式充填两种。

间隔交错式充填

间隔交错式充填的充填工艺如下：将工作面分成若干区域，间隔布置充填袋，如图6 和图7 所示。充填袋长度与充填袋间隔距离分别为L1、L2，其值与采场参数、顶板岩层稳定性、煤层倾角和采高等因素有关。该方法适合于两巷进行沿空留巷的充填工作面。

图6　混合式充填示意(间隔未充填)

1—采煤机；2—刮板输送机；3—液压支架；4—转载机；5—袋式充填体；α —煤层倾角

图7　混合式充填示意(间隔充填)

1—采煤机；2—刮板输送机；3—液压支架；4—转载机；5—袋式充填体；6—充填体；α —煤层倾角

充填实施步骤：①当工作面推进至适当距离后，在工作面后方架设充填袋，并在其中充入超高水充填材料；②视情况对两充填袋之间的剩余空间进行开放式或将外端开口封闭后进行充填。

该方法优点及适应性：①与全袋式充填相比，减少了部分吊挂充填袋的工作量，提高了充填效率，降低了充填成本；②与开放式充填相比，混合式充填可应用于水平及近水平煤层，适应性增强；③充填间隔L1 与L2 的大小及间隔顺序与工作面围岩条件有关，可按需要进行调整。

分段阻隔式充填

分段阻隔式充填的充填工艺如下：当工作面推进一定距离X1 后，在支架后方架设充填袋构筑隔离墙，将超高水充填材料充入封闭空间，如此循环作业完成采空区充填，如图8 所示。该方法适用于采空区顶板稳定，采高不大的情况。

图8　采空区首条隔离墙构筑示意

1—采煤机；2—刮板输送机；3—液压支架；4—转载机；5—袋装充填体；6—充填体

该方法优缺点：与全袋式、混合式相比，充填袋架设工程量减少，对生产的影响变小。存在的主要问题是，当构筑隔离墙时，存在安全隐患，需要专门的充填支架与之配合。

研发应用及发展

超高水材料充填开采技术是伴随着超高水材料的发明而新兴的一种新技术，而超高水材料是在高水材料的基础上进一步发展而来的。

高水材料是20 世纪80 年代问世的一种新型材料，由中国矿业大学北京研究生部孙恒虎教授研制，该材料以铝酸钙或硫铝酸钙等为甲料(分别称为高铝型甲料和硫铝型甲料)，以石灰、石膏和外加剂等为乙料，经磨细、均化等工艺而制成甲、乙两种固体粉料，使用时，加大量的水配制成浆液，用管道将其送到使用地点，混合后的浆液便很快凝结。中国矿业大学冯光明教授在原高水材料的基础上，成功研制开发了一种新型超高水充填材料，所谓超高水是指水的体积含量可以达到总体积的95%以上，其固结体仍可以硬化并有一定强度。超高水材料由主料A 料、B 料，辅料AA 料、BB 料组成，其中A 料由硫铝酸盐水泥组成，AA 料由复合缓凝分散剂组成，B 料由石灰、石膏组成，BB 料由复合速凝剂组成。

1985 年之后，中国矿业大学孙恒虎教授研制开发的高水材料，主要用于沿空留巷，并在新汶煤矿成功进行了井下工业性试验研究。2008 年以来，中国矿业大学冯光明教授与冀中能源邯郸矿业集团有限公司合作，在陶一煤矿首次将超高水材料用于充填采煤试验并获得成功，对“三下”压煤超高水材料充填方法与工艺进行了试验与研究，在充填工艺、充填方式、充填装备和矿山压力控制等方面取得了一系列专利成果。该技术在多家煤矿得到了推广应用。

实验室及现场实践表明，超高水材料浆体具有良好的流动性，属漫流型流体。因此，一般情况下将超高水材料浆体充入采空区可采用地面打灌注孔或经管路直接输送两种方法。其中，管路直接输送由于浆体流向的可控性好，往往是一种应用简单、灵活的方式，具体有两种方式：①将超高水充填材料输送至采空区后，让其自然流淌漫溢；②通过管路将其导引至预先安设于采空区的封闭空间或袋包内，使其成形固结。根据井下实际条件，并结合现场充填工程实践，通过研究形成了适用于超高水材料采空区充填的工艺与方法，其中主要有开放式充填法、袋式充填法、混合式充填法和分段阻隔式充填法等。

目前，超高水材料充填开采技术在陶一煤矿、邢东矿、井陉矿等多个不同地质条件的矿井获得了成功应用，取得了良好充填效果。各试验矿井的应用情况见表1。

表1　超高水材料充填开采技术应用情况

近年来，超高水材料在预充空巷开采与井下防灭火方面也有了较多应用。2011 年，超高水材料预充空巷开采技术首次在潞安矿业集团王庄煤矿进行了应用试验，之后在徐州矿务集团庞庄煤矿和陕西宝鸡北马房煤矿获得了推广应用，均取得了很好的应用效果。

目前，霍州煤电集团三交河煤矿正在进行该技术的现场试验。2011 年9 月，山西金地兴县煤业首次进行了超高水材料注浆灭火试验，之后在肥城矿业集团梁宝寺煤矿、徐州矿务集团三河尖煤矿和张双楼煤矿获得了推广应用，均取得了良好效果。

由于超高水材料充填能将采空区及其顶底板中几乎所有导通的裂隙充填密实，对含水层下煤层的保水开采、承压含水层上的煤层开采和巷旁充填开采具有良好的适应性，这也将成为未来超高水材料应用的方向之一。

《超高水材料充填采煤技术》

作者：孙春东

责编：李雪

北京：科学出版社，2017.6

ISBN：978-7-03-053575-7

邯郸矿区具有地表村庄密集、人口众多、村庄压煤比重大的特点，如何高效开采村庄下压煤，实现矿区的可持续发展是矿区面临的重要挑战之一。《超高水材料充填采煤技术》紧密结合超高水材料充填采煤技术的发展历程，系统地总结了邯郸矿区超高水材料充填采煤理论、技术与实践方面的创新成果。

本书系统地介绍了超高水材料的基本性能和工程特性、超高水材料充填开采工艺方法、充填工艺系统和装备、矿山压力显现及覆岩活动规律、地表沉降规律及控制等内容。结合超高水材料充填采煤工程案例，通过地表沉降观测、工程探查、充填体承载监测、等效采高理论验证，阐述超高水材料充填固结体的整体稳定性及其存在的问题，给出了超高水材料充填开采设计的要素及主要原则等。

（本期责编：李文超）