中厚煤层综采面超高水材料充填开采技术分析

曹建波

摘 要：本文从超高水材料的特性介绍入手，对超高水材料充填开采技术的作用机理进行分析，并对该技术在中厚煤层综采作业面的应用进行深入研究。结果表明，该技术不但能提高作业效率，而且还能确保生产安全。

关键词：综采作业面；超高水材料；充填开采

1 超高水材料充填开采技术分析

1.1 超高水材料简介

超高水材料是煤矿采空区充填过程中较为常用的材料之一，一般都是由两种主料与少量的速凝剂和缓凝剂组成。当水体积在95-97%这一区间浮动时，其固结体的抗压强度能够按照外加剂的不同，按需调节初凝时间，范围一般可控制在8-90min之间，其28d的强度能够达到0.66-1.5MPa，两种主料浆液均可以维持在30-40min左右不凝固。固结体7h的抗压强度能够达到最终强度的60%-90%。由于超高水材料的水体积均大于95%，故此其水灰比要比普通高水材料大很多，约为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条件下，其初凝时间均不超过20min，并且早期抗压强度增长速度较快，24h左右基本能够达到最高强度的50%。

1.2.2 形变性。当超高水充填材料固结体受到压力荷载作用后，体积应变相对较小，约为0.00073-0.003之间。换言之，固结后的超高水充填材料具有不可压缩性，这一特性使其非常适用于煤层充填开采。

1.2.3 再胶结性。超高水充填材料压裂后，28d再胶结强度能够达到未压裂之前强度的90%以上，这表明，材料本身具有压裂后再胶结的性能，该性能可以调节充填体上部覆盖岩体的稳定性。

1.2.4 恒阻性。通常情况下，超高水充填材料固结体当中所含的主要为游离水。使得充填材料在受压破坏之后，仍具备重新结晶的能力，使其具有了良好的恒阻特性。

1.2.5 热稳定性。超高水材料耐火性的强弱主要取决于材料当中的水含量多少，即水含量越高，耐火性差，水含量较低时，耐火性较高。随着材料受热时间的增长，其质量变化会逐渐变慢，此时材料的密实度会变得越来越高，稳定性也会随之提高。

1.3 作用机理

超高水材料充填技术的作用机理可以归纳为以下三个方面：

1.3.1 力学作用。通过对充填体和井下巷道围岩力学性质分析可知，充填体加入后，有效改善围岩和顶板的应力状态，进一步提高两者的强度，对围岩和顶板起到了一定的支撑作用。

1.3.2 结构作用。就充填体本身的作用而言，在井下采掘作业的过程中，采空的部分全部由充填体代替，虽然填体的强度小于原介质的强度且变形也相对较大，但是充填体能够使原本的岩层结构保持稳定。

1.3.3 让压作用。从能量学角度上讲，充填体的变形过程实质上是吸收了开采过程中释放的能量而导致的，它的作用是减缓围岩与顶板的能量释放，通过这种让压方式，有效防止突然失稳的情况发生。

2 超高水材料充填开采技术在中厚煤层综采作业面的应用研究

为了便于本文研究，下面依托工程实例对超高水材料充填开采技术在中厚煤层综采面的应用展开论述。

某煤矿XX矿井东西走向长12.5km，南北倾斜宽度3.4km。矿井B13煤层倾角30°，平均厚度为3.5m，属于典型的中厚煤层。以往受各方面因素的制约，综采面的回采效率较低。为实现高产高效的目标，经综合考虑后，决定对该煤层综采面进行超高水材料充填开采，下面就此展开详细论述。

2.1 充填系统

2.1.1 充填材料为超高水速凝固结充填材料，物料分为A、B两种，分别加入8-11倍的水组成。其中，A料的主要成分为铝土矿石膏、复合超缓凝分散剂等；B料则是由石膏、石灰以及复合速凝剂等构成。

2.1.2 在选择充填袋的规格时，应重点考虑综采作业面的面长、采掘高度以及循环进尺等因素，其材质应当具备足够的强度，还要具有抗静电、抗阻燃等性能，同时要保证接缝部位牢固。

2.1.3 制浆系统。料浆的制备一般都是按照实际充填要求进行，为便于长距离输送，应当将固体粉料配制成液态浆体，制浆质量的优劣直接影响充填效果。制浆系统共分为A、B两套，其生产能力应当满足充填要求，并且A与B系统的所有设备相同。可将制浆系统布置在地面，借助管路将料浆输送至充填作业面。

2.1.4 料浆输送系统。该系统的输送能力必须与生产要求相符，同时确保其运行平稳、可靠，便于管理。输送管路可采用无缝钢管或管路之间也可以使用法兰进行连接，有效防止料浆渗漏。

2.2 充填工艺

2.2.1 充填方法选择

①开放式充填。指在采掘作业面向前推进的过程中，对采空区不进行调控，完全处于开放与自由状态的一种充填方式。具有以下优点：充填与开采作业之间不会产生任何影响，工艺简单、操作人员少、便于管理、无需对支架进行改造和对直接顶进行控制。不需要在采空区内进行作业，充填安全性显著提高。

②全袋式充填。是指在井下采空区的范围以内布置充填袋，并由输送系统向袋内注入超高水材料，待其凝固之后，对上覆岩层进行支撑。其优点如下：适用范围广，基本可以满足各种采煤方法和回采工艺的要求，可对直接顶进行有效控制，充填效果直观。唯一的不足是工作量较大。

③混合式充填。该方法具体是指充填袋与开放式相结合的方法，其优点如下：充填效率高、充填成本低、适应性强。

2.2.2 工艺流程

后置支架拉架→挂袋充填准备→输送料浆→充填→清管→验收

2.2.3 工艺要领

当采煤机向前割三刀煤之后，在保证液压支架完好的前提下便可开始充填作业。在充填的过程中，应当尽可能确保各个充填袋同时充填，防止料浆全部流向某个充填袋。充填之后应确保充填袋内的料浆大于充填袋容量的95%，料浆凝固阶段，前置液压支架与采煤机均可正常作业，不得对后置液压支架进行移动，以免影响凝固质量。首次充填时，应在开切眼的位置处设置支撑墙，以此作为支撑防止破包。为了确保全部注浆口都处于同一水平线上，可将挂包体顶面最高点上的注浆孔作为注浆口，这样能够防止料浆无法注满包体；当采掘作业面向前推进时，可将单料输浆管拆除，并确保混合管的长度不变，这样能够使料浆混合的更加均匀，有利于提高填充质量。

2.3 地表沉降观测

充填后的地表沉降观测采用四等精密水准组成观测网，然后进行整体平差。自首次充填完毕后开始进行观测，观测周期设定为30d/次，共观测8期，每期观测精度均符合国家四等水准测量规定的技术指标。观测结果显示，所有测点均出现不同程度的下沉，最大下沉点位的沉降量为165.6mm，每期平均下沉约23.7mm，最小下沉点位的沉降量为7.0mm，每期平均下沉1.0mm。

2.4 应用效果

在应用超高水材料充填开采工艺对中厚煤层进行采掘后，大幅度提高了回采产量，有效解决了可采资源紧张的问题，进一步提高了采掘作业的安全性。

3 结束语

综上所述，本文对超高水材料充填开采技术在中厚煤层采掘面的应用进行了分析，该技术的应用有利于提高开采效率。在未来一段时期内，应将研究的重点放在对该技术的完善上，不断创新，有助于该技术的推广应用，还能促进我国煤矿产业的发展。

参考文献

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