曹建波

摘 要：本文從超高水材料的特性介紹入手，對(duì)超高水材料充填開(kāi)采技術(shù)的作用機(jī)理進(jìn)行分析，并對(duì)該技術(shù)在中厚煤層綜采作業(yè)面的應(yīng)用進(jìn)行深入研究。結(jié)果表明，該技術(shù)不但能提高作業(yè)效率，而且還能確保生產(chǎn)安全。

關(guān)鍵詞：綜采作業(yè)面；超高水材料；充填開(kāi)采

1 超高水材料充填開(kāi)采技術(shù)分析

1.1 超高水材料簡(jiǎn)介

超高水材料是煤礦采空區(qū)充填過(guò)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(dāng)水體積在95-97%這一區(qū)間浮動(dòng)時(shí)，其固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度能夠按照外加劑的不同，按需調(diào)節(jié)初凝時(shí)間，范圍一般可控制在8-90min之間，其28d的強(qiáng)度能夠達(dá)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(jié)體7h的抗壓強(qiáng)度能夠達(dá)到最終強(qiáng)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(shí)間均不超過(guò)20min，并且早期抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)速度較快，24h左右基本能夠達(dá)到最高強(qiáng)度的50%。

1.2.2 形變性。當(dāng)超高水充填材料固結(jié)體受到壓力荷載作用后，體積應(yīng)變相對(duì)較小，約為0.00073-0.003之間。換言之，固結(jié)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(kāi)采。

1.2.3 再膠結(jié)性。超高水充填材料壓裂后，28d再膠結(jié)強(qiáng)度能夠達(dá)到未壓裂之前強(qiáng)度的90%以上，這表明，材料本身具有壓裂后再膠結(jié)的性能，該性能可以調(diào)節(jié)充填體上部覆蓋巖體的穩(wěn)定性。

1.2.4 恒阻性。通常情況下，超高水充填材料固結(jié)體當(dāng)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(jié)晶的能力，使其具有了良好的恒阻特性。

1.2.5 熱穩(wěn)定性。超高水材料耐火性的強(qiáng)弱主要取決于材料當(dāng)中的水含量多少，即水含量越高，耐火性差，水含量較低時(shí)，耐火性較高。隨著材料受熱時(shí)間的增長(zhǎng)，其質(zhì)量變化會(huì)逐漸變慢，此時(shí)材料的密實(shí)度會(huì)變得越來(lái)越高，穩(wěn)定性也會(huì)隨之提高。

1.3 作用機(jī)理

超高水材料充填技術(shù)的作用機(jī)理可以歸納為以下三個(gè)方面：

1.3.1 力學(xué)作用。通過(guò)對(duì)充填體和井下巷道圍巖力學(xué)性質(zhì)分析可知，充填體加入后，有效改善圍巖和頂板的應(yīng)力狀態(tài)，進(jìn)一步提高兩者的強(qiáng)度，對(duì)圍巖和頂板起到了一定的支撐作用。

1.3.2 結(jié)構(gòu)作用。就充填體本身的作用而言，在井下采掘作業(yè)的過(guò)程中，采空的部分全部由充填體代替，雖然填體的強(qiáng)度小于原介質(zhì)的強(qiáng)度且變形也相對(duì)較大，但是充填體能夠使原本的巖層結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定。

1.3.3 讓壓作用。從能量學(xué)角度上講，充填體的變形過(guò)程實(shí)質(zhì)上是吸收了開(kāi)采過(guò)程中釋放的能量而導(dǎo)致的，它的作用是減緩圍巖與頂板的能量釋放，通過(guò)這種讓壓方式，有效防止突然失穩(wěn)的情況發(fā)生。

2 超高水材料充填開(kāi)采技術(shù)在中厚煤層綜采作業(yè)面的應(yīng)用研究

為了便于本文研究，下面依托工程實(shí)例對(duì)超高水材料充填開(kāi)采技術(shù)在中厚煤層綜采面的應(yīng)用展開(kāi)論述。

某煤礦XX礦井東西走向長(zhǎng)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(shí)現(xiàn)高產(chǎn)高效的目標(biāo)，經(jīng)綜合考慮后，決定對(duì)該煤層綜采面進(jìn)行超高水材料充填開(kāi)采，下面就此展開(kāi)詳細(xì)論述。

2.1 充填系統(tǒng)

2.1.1 充填材料為超高水速凝固結(jié)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(fù)合超緩凝分散劑等；B料則是由石膏、石灰以及復(fù)合速凝劑等構(gòu)成。

2.1.2 在選擇充填袋的規(guī)格時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮綜采作業(yè)面的面長(zhǎng)、采掘高度以及循環(huán)進(jìn)尺等因素，其材質(zhì)應(yīng)當(dāng)具備足夠的強(qiáng)度，還要具有抗靜電、抗阻燃等性能，同時(shí)要保證接縫部位牢固。

2.1.3 制漿系統(tǒng)。料漿的制備一般都是按照實(shí)際充填要求進(jìn)行，為便于長(zhǎng)距離輸送，應(yīng)當(dāng)將固體粉料配制成液態(tài)漿體，制漿質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響充填效果。制漿系統(tǒng)共分為A、B兩套，其生產(chǎn)能力應(yīng)當(dāng)滿(mǎn)足充填要求，并且A與B系統(tǒng)的所有設(shè)備相同?？蓪⒅茲{系統(tǒng)布置在地面，借助管路將料漿輸送至充填作業(yè)面。

2.1.4 料漿輸送系統(tǒng)。該系統(tǒng)的輸送能力必須與生產(chǎn)要求相符，同時(shí)確保其運(yùn)行平穩(wěn)、可靠，便于管理。輸送管路可采用無(wú)縫鋼管或管路之間也可以使用法蘭進(jìn)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(kāi)放式充填。指在采掘作業(yè)面向前推進(jìn)的過(guò)程中，對(duì)采空區(qū)不進(jìn)行調(diào)控，完全處于開(kāi)放與自由狀態(tài)的一種充填方式。具有以下優(yōu)點(diǎn)：充填與開(kāi)采作業(yè)之間不會(huì)產(chǎn)生任何影響，工藝簡(jiǎn)單、操作人員少、便于管理、無(wú)需對(duì)支架進(jìn)行改造和對(duì)直接頂進(jìn)行控制。不需要在采空區(qū)內(nèi)進(jìn)行作業(yè)，充填安全性顯著提高。

②全袋式充填。是指在井下采空區(qū)的范圍以?xún)?nèi)布置充填袋，并由輸送系統(tǒng)向袋內(nèi)注入超高水材料，待其凝固之后，對(duì)上覆巖層進(jìn)行支撐。其優(yōu)點(diǎn)如下：適用范圍廣，基本可以滿(mǎn)足各種采煤方法和回采工藝的要求，可對(duì)直接頂進(jìn)行有效控制，充填效果直觀(guān)。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(kāi)放式相結(jié)合的方法，其優(yōu)點(diǎn)如下：充填效率高、充填成本低、適應(yīng)性強(qiáng)。

2.2.2 工藝流程

后置支架拉架→掛袋充填準(zhǔn)備→輸送料漿→充填→清管→驗(yàn)收

2.2.3 工藝要領(lǐng)

當(dāng)采煤機(jī)向前割三刀煤之后，在保證液壓支架完好的前提下便可開(kāi)始充填作業(yè)。在充填的過(guò)程中，應(yīng)當(dāng)盡可能確保各個(gè)充填袋同時(shí)充填，防止料漿全部流向某個(gè)充填袋。充填之后應(yīng)確保充填袋內(nèi)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(jī)均可正常作業(yè)，不得對(duì)后置液壓支架進(jìn)行移動(dòng)，以免影響凝固質(zhì)量。首次充填時(shí)，應(yīng)在開(kāi)切眼的位置處設(shè)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(xiàn)上，可將掛包體頂面最高點(diǎn)上的注漿孔作為注漿口，這樣能夠防止料漿無(wú)法注滿(mǎn)包體；當(dāng)采掘作業(yè)面向前推進(jìn)時(shí)，可將單料輸漿管拆除，并確?；旌瞎艿拈L(zhǎng)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(zhì)量。

2.3 地表沉降觀(guān)測(cè)

充填后的地表沉降觀(guān)測(cè)采用四等精密水準(zhǔn)組成觀(guān)測(cè)網(wǎng)，然后進(jìn)行整體平差。自首次充填完畢后開(kāi)始進(jìn)行觀(guān)測(cè)，觀(guān)測(cè)周期設(shè)定為30d/次，共觀(guān)測(cè)8期，每期觀(guān)測(cè)精度均符合國(guó)家四等水準(zhǔn)測(cè)量規(guī)定的技術(shù)指標(biāo)。觀(guān)測(cè)結(jié)果顯示，所有測(cè)點(diǎn)均出現(xiàn)不同程度的下沉，最大下沉點(diǎn)位的沉降量為165.6mm，每期平均下沉約23.7mm，最小下沉點(diǎn)位的沉降量為7.0mm，每期平均下沉1.0mm。

2.4 應(yīng)用效果

在應(yīng)用超高水材料充填開(kāi)采工藝對(duì)中厚煤層進(jìn)行采掘后，大幅度提高了回采產(chǎn)量，有效解決了可采資源緊張的問(wèn)題，進(jìn)一步提高了采掘作業(yè)的安全性。

3 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本文對(duì)超高水材料充填開(kāi)采技術(shù)在中厚煤層采掘面的應(yīng)用進(jìn)行了分析，該技術(shù)的應(yīng)用有利于提高開(kāi)采效率。在未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)，應(yīng)將研究的重點(diǎn)放在對(duì)該技術(shù)的完善上，不斷創(chuàng)新，有助于該技術(shù)的推廣應(yīng)用，還能促進(jìn)我國(guó)煤礦產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

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