楊國棟

（西山煤電集團(tuán)有限責(zé)任公司工程質(zhì)量監(jiān)督站，山西 太原 030053）

0 引言

近些年來，國家提高了對環(huán)境保護(hù)的要求，各個煤炭企業(yè)大力進(jìn)行可持續(xù)發(fā)展，錢鳴高院士等提出了煤炭資源的綠色開采技術(shù)這一概念，而綠色開采技術(shù)中十分重要的一環(huán)便是井下的充填開采作業(yè)[1]。根據(jù)充填作業(yè)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(shù)在實際中均有所應(yīng)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(fù)雜，前期花費較多，系統(tǒng)的可靠性不高；

2）填充采空區(qū)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(qū)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(yè)，影響采煤工作效率；

5）填充之后采空區(qū)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(shù)在采空區(qū)中的應(yīng)用，所以，為避免這些不足，開發(fā)新型低成本、高性能的填充材料和適應(yīng)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?jǐn)?shù)，可達(dá)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(chǎn)物復(fù)合而成，B部分則由CaSO4復(fù)合速凝劑制成，A和B兩部分的用量比例為1：1。

應(yīng)注意調(diào)節(jié)水體積在95%～97%之間，根據(jù)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(diào)節(jié)的范圍是480s～5400s，最終抗壓強度可調(diào)節(jié)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(nèi)不會凝固。若兩個部分混合接觸，則會進(jìn)行快速水化反應(yīng)，并凝固成型。本文設(shè)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(dá)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(chǎn)起來較為簡單。該材料的特點是早期強度高、凝結(jié)快速、單槳流動度高、可根據(jù)需要調(diào)節(jié)凝結(jié)時間等，材料固化成型后不會發(fā)生收縮變形，力學(xué)強度良好，三軸壓載下可以較好保持原來的特性。該材料應(yīng)在較為密閉和濕潤的環(huán)境中使用，否則易風(fēng)化腐蝕而降低材料性能。因此，在煤礦井下進(jìn)行采空區(qū)填充時，采用超高水材料可充分發(fā)揮其良好的填充性能。

結(jié)合超高水材料的一些性能，并以此為基礎(chǔ)，繪出其進(jìn)行充填作業(yè)時的工藝流程圖見圖1。

圖1 超高水材料的充填采空區(qū)工藝

超高水材料的A料和B料制漿的設(shè)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(zhǔn)確按照配方配制漿液，減小誤差。這一制漿系統(tǒng)可在地面或者井下進(jìn)行作業(yè)，可以高效配制超高水材料用于采空區(qū)注漿。當(dāng)A液和B液制備量足夠時，將二者經(jīng)各自的輸送管路同時注入采空區(qū)，使其混合并反應(yīng)，一直到將采空區(qū)注滿。填充工作與采煤工作之間不會產(chǎn)生影響，可以保證兩種作業(yè)同時進(jìn)行。

2 開放式采空區(qū)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(jīng)各自的管路同時注入采空區(qū)進(jìn)行充填[3-4]，二者混合后進(jìn)行水化反應(yīng)，從而填充采空區(qū)，起到充填的效果，如圖2所示。

1）優(yōu)點：采用開放式充填開采時，對采空區(qū)的填充工作不會影響采煤工作的進(jìn)行，回采工作面的采煤產(chǎn)量不會因填充工作的進(jìn)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(yè)不經(jīng)過采空區(qū)，所以其過程具有較高的安全系數(shù)。

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(qū)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(qū)進(jìn)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(jìn)而影響了對采空區(qū)的充填效果。

3）應(yīng)用的條件：開采方式應(yīng)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(dá)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(yè)試驗

本技術(shù)從2008年9月份開始，就已經(jīng)應(yīng)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(shù)來填補采空區(qū)外，邯鄲礦業(yè)集團(tuán)和礦業(yè)集團(tuán)正計劃將其推廣到自己所屬的煤礦。此外，根據(jù)超高水材料的特性，不僅可用于礦山采空區(qū)充填，而且在堵水、充填、注漿、防火等方面具有良好的應(yīng)用前景。

陶一、田莊兩座煤礦在采用了本技術(shù)之后，細(xì)致測量了地上及地下的應(yīng)用情況，以考察本技術(shù)在采空區(qū)填充工作中的應(yīng)用成效。陶一煤礦在采空區(qū)填充作業(yè)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(jié)果如下圖3所示，并得到了以下的結(jié)論：

圖3 采空區(qū)充填效果

1）通過地表觀查與測量發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)明顯的裂紋，對環(huán)境的破壞等級能夠符合國家規(guī)定。

2）對采空區(qū)進(jìn)行了填充之后，其上覆巖層活動較為平緩，且填充進(jìn)行得越早，巖層越穩(wěn)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(yè)時遇到的阻力能保持在一個較為穩(wěn)定的水平，且防止頂板來壓現(xiàn)象的出現(xiàn)。

4）在進(jìn)行填充開采作業(yè)時，采動的原因?qū)夭上锏喇a(chǎn)生顯著影響的區(qū)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(qū)域更小。

5）充填結(jié)束后，在井下挖探測巷和打鉆孔進(jìn)行窺探，發(fā)現(xiàn)本文采用的開放式填充方法，能夠?qū)⑺玫某咚牧献M采空區(qū)區(qū)域，且材料能夠滲入采空區(qū)周圍煤巖層裂隙內(nèi)，對其進(jìn)行封堵填充。上覆巖層中裂隙越發(fā)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(qū)的充填效果。

6）填充工作結(jié)束后，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)，本文所采用的填充工藝及材料有效填充了采空區(qū)，并對直接頂提供了良好的支護(hù)，避免直接頂塌陷掉渣現(xiàn)象的發(fā)生。

7）在充填作業(yè)中采用了本技術(shù)，使得采空區(qū)的填充率達(dá)到了85%，并且所用的充填材料固結(jié)后能將整個采空區(qū)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(qū)起到很好的支護(hù)作用，減緩其活動的劇烈度。

本技術(shù)在采空區(qū)中的實際應(yīng)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(xù)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

4 結(jié) 語

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

1）由于煤礦井下采空區(qū)的環(huán)境較為潮濕和封閉，因此，在采空區(qū)內(nèi)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(qū)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(yè)的成本較小，實際應(yīng)用起來十分便捷。同時，進(jìn)行充填作業(yè)時，不會對正常的采煤作業(yè)產(chǎn)生影響，填充結(jié)束后可有效支護(hù)上覆巖層，較少塌陷冒落現(xiàn)象。

3）在采空區(qū)利用超高水材料進(jìn)行充填能防控頂板突水、采空區(qū)內(nèi)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。