“三下”壓煤?jiǎn)栴}、工作面過空巷問題和煤炭自然發(fā)火問題是當(dāng)前煤炭開采存在的幾個(gè)主要問題，特別是對(duì)于可采資源不足的老礦井，這些問題尤為嚴(yán)重。超高水充填材料是中國礦業(yè)大學(xué)近年來研制成功的一種水體積分?jǐn)?shù)可高達(dá) 97% ( 水灰比為 11 ∶ 1) 的礦用新型充填材料[1]。2008 年，該材料首次在邯鄲礦業(yè)集團(tuán)陶一煤礦進(jìn)行了充填采煤試驗(yàn)，取得了良好效果[2]，并逐漸在其他礦應(yīng)用推廣。隨著超高水材料被更多人所熟悉，近幾年該材料在預(yù)充空巷開采和防滅火方面也有了較多應(yīng)用。筆者基于超高水材料的性質(zhì)，對(duì)超高水材料充填開采技術(shù)、預(yù)充空巷開采技術(shù)及注漿防滅火技術(shù)進(jìn)行介紹，對(duì)其目前的工程應(yīng)用情況及應(yīng)用效果進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，并在此基礎(chǔ)上提出今后需要完善的工作及發(fā)展的方向，以期促進(jìn)充填開采、工作面過空巷、煤礦井下防滅火等技術(shù)的發(fā)展以及超高水材料的推廣應(yīng)用。

　　1 超高水充填材料簡(jiǎn)介

　　超高水材料由 A、B 兩部分分別配水形成單漿液組合而成，A 部分由鋁土礦為主燒制并復(fù)合超緩凝劑組成，B 部分由石膏等材料與復(fù)合速凝劑組成， 2 種單漿液以體積比 1 ∶ 1 比例配合使用，單漿液混合后形成的混合漿液經(jīng)一定時(shí)間即可凝固并形成具有一定強(qiáng)度的充填體。該材料制備工藝簡(jiǎn)單，對(duì)人和設(shè)備無毒無害，水體積分?jǐn)?shù)可達(dá)到 95% ～ 97% ( 即水灰比為 6. 3 ∶ 1 ～ 11 ∶ 1) ; 2 種單漿液混合后可在 8 ～ 30 min 實(shí)現(xiàn)初凝，固結(jié)體的 7 d 抗壓強(qiáng)度可達(dá)到最終強(qiáng)度的 60% ～ 90% ，最終強(qiáng)度可達(dá) 0. 66 ～ 1. 65 MPa，凝結(jié)時(shí)間和固結(jié)體抗壓強(qiáng)度可根據(jù)工程需要進(jìn)行調(diào)整; 單漿液可持續(xù) 30 ～ 40 h 不凝固且流動(dòng)性良好，非常適合在管路中進(jìn)行長(zhǎng)距離輸送; 混合漿體稠度低，具有很強(qiáng)的流動(dòng)性和可灌性; 固結(jié)體受壓時(shí)體積應(yīng)變只有 0. 000 75 ～ 0. 003 00，在三向受力狀態(tài)下有良好的不可壓縮性[3]。超高水材料固結(jié)體抗壓強(qiáng)度曲線如圖 1 所示。

　　2 超高水材料充填開采技術(shù)及應(yīng)用

　　2. 1 超高水材料充填開采技術(shù)超高水材料采空區(qū)充填方法有開放式充填法、袋式充填法和混合式充填法等，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件選取不同的充填方法[5]。超高水材料充填開采技術(shù)包含充填工藝系統(tǒng)和采空區(qū)充填方法。超高水材料充填工藝系統(tǒng)由材料儲(chǔ)運(yùn)、漿體制備、漿液輸送和混合、采空區(qū)充填等 4 個(gè)子系統(tǒng)組成，超高水材料充填工藝系統(tǒng)流程如圖 2 所示，其中漿體制備系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，完全由 PLC 自動(dòng)化控制[4]。

　　2. 2 超高水材料充填開采覆巖控制原理采用傳統(tǒng)的垮落法進(jìn)行煤炭開采后，采空區(qū)上覆巖層由下而上依次形成冒落帶、裂隙帶和彎曲下沉帶( 以下簡(jiǎn)稱三帶) 。采空區(qū)覆巖在充分形成三帶之前，都存在延滯的特點(diǎn)，即都要經(jīng)歷一定的時(shí)間。超高水材料充填開采就是要在延滯期內(nèi)盡可能地把采空區(qū)域全部充滿并盡量膠結(jié)形成一個(gè)整體，從而使已垮矸石不再被壓實(shí)，采空區(qū)頂板不再垮落，覆巖中的裂隙不再擴(kuò)張，并在短時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定控制上位巖層的活動(dòng)。通過對(duì)冒落帶及裂隙帶空隙的密實(shí)充填，使彎曲下沉帶沒有繼續(xù)下沉的空間和機(jī)會(huì)，從而使地表下沉量滿足要求。

　　2. 3 應(yīng)用情況及效果超高水材料充填開采技術(shù)于 2008 年首次在邯鄲礦業(yè)集團(tuán)陶一煤礦進(jìn)行了采空區(qū)充填試驗(yàn)，之后在臨沂 礦 業(yè) 集 團(tuán) 田 莊 煤 礦[6]、永煤集團(tuán)城郊煤礦[7]、冀中能源邢東煤礦[8]和井陘三礦[9]、山西柳林大莊煤礦等 11 個(gè)煤礦獲得了推廣應(yīng)用，均取得了較為理想的應(yīng)用效果[10]。陶一煤礦共設(shè)計(jì)了 6 個(gè)充填工作面，目前已全部開采完畢，分別嘗試了開放式、袋式和混合式充填法，充填方法與充填開采效果觀測(cè)在所有應(yīng)用礦井中都是最全面的。筆者以陶一煤礦為例，對(duì)該技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。

　　3 超高水材料預(yù)充空巷開采技術(shù)及應(yīng)用

　　工作面過空巷是整合礦井和老礦井煤炭開采中常見問題，也是煤炭開采中未能很好解決的技術(shù)難題。這是因?yàn)楫?dāng)工作面推進(jìn)到空巷附近時(shí)，巷道原有支護(hù)難以承受工作面超前支承壓力，易導(dǎo)致巷道與工作面之間的煤幫片幫，甚至發(fā)生基本頂斷裂，進(jìn)而引發(fā)端面冒頂，使工作面不能正常推進(jìn)。長(zhǎng)期以來，工作面過空巷都是采用傳統(tǒng)的加強(qiáng)支護(hù)方法，不僅維護(hù)成本高、工作量大，而且效果也不大理想。

　　3. 1 超高水材料預(yù)充空巷開采技術(shù)超高水材料預(yù)充空巷開采技術(shù)包括空巷充填工藝和充填方法。超高水材料充空巷工藝包括充填泵站和充填點(diǎn) 2 部分，預(yù)充空巷工藝系統(tǒng)如圖 4 所示。與超高水材料的采空區(qū)充填方法類似，超高水材料充填空巷方法也主要有開放式充填法、混合式充填法和分段阻隔式充填法等，超高水材料充填空巷方法如圖 5 所示

　　3. 2 超高水材料預(yù)充空巷開采圍巖控制原理采用超高水充填材料將空巷充滿后，可使其基本恢復(fù)原巖狀態(tài)，原本有空巷的工作面相當(dāng)于變成了由充填材料替換了煤體的正常工作面，這樣不再需要對(duì)空巷進(jìn)行維護(hù)，而且空巷與工作面之間的煤柱不會(huì)再像原來那樣破碎，仍有較強(qiáng)的承載能力。工作面過空巷時(shí)，采煤機(jī)可像正常采煤一樣直接切割充填體。超高水材料固結(jié)體具有較大的承載能力和較好的變形特性，不僅能夠支撐基本頂，保持充填體墻壁及頂板完整，而且能適量變形讓壓，防止充填體發(fā)生片幫、冒頂。流動(dòng)性和滲透性很強(qiáng)的超高水材料漿液可滲透到空巷圍巖縱橫交錯(cuò)的裂隙中并固結(jié)，固結(jié)體具有良好的韌性和黏結(jié)性，從而在圍巖中形成網(wǎng)絡(luò)骨架結(jié)構(gòu)，將破碎圍巖黏結(jié)成整體，阻止圍巖進(jìn)一步片幫或冒落。超高水材料充填冒落空巷的原理如圖 6 所示。

　　3. 3 應(yīng)用情況及效果超高水材料預(yù)充空巷開采技術(shù)于 2011 年首次在潞安礦業(yè)集團(tuán)王莊煤礦進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)[11]，之后在徐州礦務(wù)集團(tuán)龐莊煤礦[12]和陜西寶雞北馬房煤礦獲得了推廣應(yīng)用，均取得了很好的應(yīng)用效果。目前，霍州煤電集團(tuán)三交河煤礦正在進(jìn)行該技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)。

　　4 超高水材料注漿防滅火技術(shù)及應(yīng)用

　　超高水材料注漿防滅火技術(shù)是一種集注漿、注水、凝膠、阻化劑于一體的新型防滅火技術(shù)，具備以上防滅火技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服了漿液易流失、不凝結(jié)、流動(dòng)性差及工藝復(fù)雜、成本高等缺點(diǎn)。

　　4. 1 超高水材料注漿防滅火技術(shù)根據(jù)井下發(fā)火空間位置高低以及區(qū)域大小，超高水材料注漿滅火技術(shù)可分為密閉式注漿防滅火技術(shù)、鉆孔注漿防滅火技術(shù)和綜合注漿防滅火技術(shù)。 1) 密閉式注漿防滅火技術(shù)。該技術(shù)是指將井下處于明處的火源隔離起來，形成一個(gè)密閉空間，然后用超高水材料漿液注滿該空間，漿液在該空間內(nèi)凝結(jié)固化，達(dá)到防滅火的目的密閉式注漿防滅火技術(shù)如圖 7 所示，圖中 A 料和 AA 小料分別是超高水材料 A 部分中的主料和外加劑，二者混合后加水?dāng)嚢杩芍谱鞒?A 漿液; B 料和 BB 小料分別是超高水材料 B 部分中的主料和外加劑，二者混合后加水?dāng)嚢杩芍谱鞒?B 漿液。2) 鉆孔注漿防滅火技術(shù)。該技術(shù)是針對(duì)位于暗處或難以密閉區(qū)域的發(fā)火，方法是打多個(gè)鉆孔貫通發(fā)火區(qū)域，向其中注入超高水材料漿液，同時(shí)在發(fā)火區(qū)頂部對(duì)火區(qū)進(jìn)行噴漿處理，待漿液接觸火源將其熄滅，采空區(qū)鉆孔注漿防滅火技術(shù)如圖 8 所示。 3) 綜合注漿防滅火技術(shù)。該技術(shù)針對(duì)高位煤體自燃引起的大范圍發(fā)火，將前 2 種防滅火技術(shù)有效結(jié)合，先向發(fā)火區(qū)頂部打鉆注入比超高水材料漿液黏結(jié)性更強(qiáng)、流動(dòng)性稍差、可快速凝固的高水材料漿液，漿液會(huì)快速凝結(jié)固化于高位發(fā)火區(qū)內(nèi)，包裹自燃煤體、填充裂隙，同時(shí)降低溫度、抑制火情; 再向下部密閉發(fā)火區(qū)域注入超高水材料漿液，撲滅火災(zāi)并密實(shí)發(fā)火區(qū)裂隙等漏風(fēng)通道，起到整體防滅火效果，而且下部區(qū)域在火災(zāi)撲滅后可再次開挖復(fù)用。

　　4. 2 超高水材料注漿防滅火機(jī)理煤自燃必須具備 4 個(gè)條件: ①煤具有自燃傾向性且呈破碎堆積狀態(tài); ②持續(xù)的 O2 供給; ③良好的熱量積聚環(huán)境; ④持續(xù)一定時(shí)間。防滅火的過程就是用防滅火材料或方法阻化煤氧復(fù)合反應(yīng)，使氧化產(chǎn)熱速率小于散熱速率，從而防止煤體溫度升高或?qū)⒆匀济后w熄滅的過程。從宏觀角度講，超高水材料防滅火機(jī)理如下。 1) 吸熱降溫，有效控制火區(qū)溫度。向火區(qū)內(nèi)注入大量超高水材料漿液后，漿液溫度會(huì)升高形成水蒸氣，同時(shí)帶走大量熱量，使火區(qū)溫度顯著降低，從而降低煤的氧化活性，氧化速率明顯減慢，產(chǎn)熱量顯著降低。而且，這也有助于保證材料在火區(qū)的熱穩(wěn)定性。 2) 隔絕可燃物與助燃物的接觸。自燃煤體多呈松散破碎狀態(tài)，其周圍一般存在漏風(fēng)通道，煤體被分隔成多個(gè)微小顆粒，顆粒之間存在空隙，空氣易進(jìn)入。超高水材料漿液注入自燃煤體后，可潤濕流經(jīng)的煤顆粒，然后形成一層膜將分散的煤粒包裹起來，隔絕 O2，同時(shí)漿液充填于煤體顆粒間的裂隙中并凝結(jié)固化，堵塞煤體表面漏風(fēng)裂隙，阻止 O2 進(jìn)入煤體內(nèi)部。

　　4. 3 應(yīng)用情況及效果 2011 年 9 月，山西呂梁金地煤礦首次進(jìn)行了超高水材料注漿防滅火試驗(yàn)[13-17]，之后在肥城礦業(yè)集團(tuán)梁寶寺煤礦、徐州礦務(wù)集團(tuán)三河尖煤礦和張雙樓煤礦獲得了推廣應(yīng)用，均取得了良好效果。金地煤礦發(fā)火區(qū)域位于 1311 回風(fēng)平巷與回風(fēng)下山的交叉口處，且發(fā)火區(qū)已經(jīng)發(fā)生了頂板大面積冒落，火區(qū)附近巷道寬 4 m、高 3. 2 m，沿煤層底板掘進(jìn)，上部留有約 9 m 厚的頂煤。礦方發(fā)現(xiàn)火情后，分別采用注水和注氮?dú)獾姆绞竭M(jìn)行防滅火，火情起初得到抑制，但不久煤層又復(fù)燃。針對(duì)這一情況，采用了超高水材料綜合注漿防滅火技術(shù)。滅火期間，通過監(jiān)測(cè)發(fā)火區(qū)附近 5 號(hào)密閉墻體內(nèi)部溫度以及標(biāo)志性氣體濃度發(fā)現(xiàn)，測(cè)點(diǎn)溫度從原來的高溫降到了 16 ℃，CO、NH4 濃度也逐漸恢復(fù)到安全值以下。

　　5 研究方向與展望

　　1) 繼續(xù)深入研究不同圍巖地質(zhì)條件下超高水材料充填開采后上覆巖層活動(dòng)的共性機(jī)理，完善超高水材料充填開采的相關(guān)理論，為充填工藝及參數(shù)選取的合理化與科學(xué)化提供理論依據(jù)。同時(shí)，進(jìn)一步改善充填開采工藝，提高準(zhǔn)備工作效率和機(jī)械化程度，縮短準(zhǔn)備時(shí)間。 2) 研究超高水材料的膠結(jié)性能、煤矸摻入量的超高水材料復(fù)合固結(jié)體力學(xué)特性等，為今后超高水材料與矸石等工業(yè)廢棄物的膠結(jié)充填做準(zhǔn)備。 3) 超高水材料能將采空區(qū)及其頂?shù)装逯袔缀跛�有�?dǎo)通的裂隙充填密實(shí)，對(duì)含水層下煤層的保水開采和承壓含水層上的煤層開采具有良好的適應(yīng)性，應(yīng)加強(qiáng)這方面的理論研究和應(yīng)用推廣工作。 4) 完善超高水材料預(yù)充空巷開采和防滅火技術(shù)方面的理論研究工作，使工藝設(shè)計(jì)與技術(shù)參數(shù)選取更加合理。 5) 開展超高水材料在巷道圍巖修復(fù)、堵水、壁后充填、離層注漿等方面的應(yīng)用試驗(yàn)，擴(kuò)展超高水材料的應(yīng)用范圍。

　　參考文獻(xiàn):

　　[1] 馮光明. 超高水充填材料及其充填開采技術(shù)研究與應(yīng)用[D].徐州: 中國礦業(yè)大學(xué)，2009.

　　[2] 李風(fēng)凱，馮光明，賈凱軍，等. 陶一礦超高水材料充填開采試驗(yàn)研究[J]. 煤炭工程，2011( 11) : 63-66.

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　　《超高水充填材料在采礦工程中的應(yīng)用與展望》來源：《煤炭科學(xué)技術(shù)》，作者：馮光明1，2 ，賈凱軍1，2 ，尚寶寶1，2