倾斜煤层的超高水材料混合固结充填法

杨 捷 王玉凯

(中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)

倾斜煤层的超高水材料混合固结充填法

杨 捷 王玉凯

(中国矿业大学(北京) 资源与安全工程学院，北京 100083)

为解决超高水材料开放式充填受煤层倾角影响较大的缺点，实现倾斜煤层安全、高效的充填开采，创新性地提出了混合充填的新思路，形成了超高水材料混合固结充填技术并深入地进行了可行性分析。给出了相关充填工艺流程：首先填充固体充填物，之后充填高水材料，待浆液液面达到要求高度后，进行二次充填固体充填物。分析了该技术的充填机理和能够控制上覆岩层运动的实质，总结了技术的特色和优点。认为该充填技术合理地利用了煤层倾角，达到了充填不受煤层倾角限制的目地，解决了开放式充填的技术难题，同时还进一步提高了控制地表移动的能力。此外，超高水材料混合固结充填成本低廉，采煤与充填互不影响，为提高倾斜煤层滞压资源采出率、减缓地表损害提供了新的手段，具有广阔的应用前景。

煤矿充填 倾斜煤层 超高水材料混合固结充填法 可行性分析 充填工艺

煤矿充填开采是解放“三下压煤”，提高资源利用率，实现“绿色开采”的有效途径[1-2]。目前，采空区全部充填开采虽然形成了多种方法，但均达不到理想化充填。所形成的几种充填技术各有特点,比如,膏体充填效果好，但是易堵管，适用于煤层稳定，重点保护场合；高水充填输送距离远、输送能力大，但是投资大，适用于单一煤层、普通保护场合[3]等。而超高水材料开放式充填适用于倾斜煤层仰斜开采，此时浆液具有高流动性，能自行充填采空区，而且充填后采空区密实效果好，是一种很受推崇的充填方法。但是，该技术充填成本高而且受煤层倾角影响较大，适用范围因此受到了限制。鉴于此，笔者提出了超高水材料混合固结法，以解决超高水材料开放式充填的不足，扩展其应用范围。

1 超高水材料开放式充填分析

超高水材料开放式充填是由中国矿业大学冯光明教授研发的一种煤矿采空区充填方法。该技术是在煤矿仰斜开采条件下，对采空区不进行任何调控，完全利用超高水材料浆液的自流性将采空区充满，凝固后的充填体与垮矸以及围岩形成一个完整的结构体来控制上覆岩层活动[4]。超高水材料开放式充填利用了超高水材料浆液的高流动性(料浆中水的体积约占97%)这一特点，料浆不仅可以充满采空区，而且还可以密实采空区周围岩体的裂隙。因此，经超高水材料充填后的采空区，充填体与原岩体形成了一个紧密而稳定的统一整体，这有利于控制上覆岩层移动。由于开放式充填受煤层倾角影响很大，限制了其使用范围。

当煤层倾角较小时，超高水材料浆液地流动性较差，采空区充填率会降低，极大地影响了对上覆岩层的控制效果。更为严重的是充填工作面后方会形成大面积的未支护的悬顶区域，如图1所示。若顶板得不到及时支护，直接顶容易垮落，基本顶则会弯曲下沉，最终造成地面变形，严重时还会造成工作面人员伤亡。因此，当煤层倾角较小时，不能采用超高水材料开放式充填。在目前所实施的超高材料水开放式充填工业试验中，煤层倾角最小的是田庄煤矿，为12°。

图1 煤层倾角较小时的超高水材料开放式充填示Fig.1 Schematic diagram of open filling miningof super high water materials at small inclined angle

煤层倾角较大时，充填浆液流动性好，与采空区围岩形成一个稳定的整体，而且悬顶区面积也会减小，利于开放式充填。但是，工作面上的采煤机、刮板输送机、液压支架等设备因倾角较大会发生滑移、倒塌事故，不利于采煤工作面的生产作业[5]，开放式充填难以实施。

2 超高水材料混合固结充填法

超高水材料混合固结充填法是对现行的超高水材料开放式充填的补充与发展。该方法是针对倾斜长臂仰斜开采的矿井进行充填开采时，通过配套的专用液压支架和相关设备，采用一系列充填工艺，将适量的超高水材料和经过处理的、具有一定强度的固体充填物同时充填到采空区的一种新型充填技术。

该技术既吸收利用了超高水材料的高流动性特点，也结合了固体充填体能及时提供支撑力的优点。当煤层倾角较小时，固体充填物可暂时支撑悬露顶板，减少顶板下沉量。当煤层倾角较大时，固体充填物又可以阻滞工作面机械设备下滑。该技术弥补了开放式充填的不足，实现了倾斜煤层安全、高效充填。

图2 超高水材料混合固结充填法Fig.2 Schematic diagram of super high watermaterial mixed consolidated filling method 1—运料皮带机；2—超高水材料输送管道；3—底卸式输送机；4—转载输送机；5—充填支架；6—电动机；7—运煤皮带机

3 思路来源及可行性分析

目前,煤矿全部充填法主要有膏体充填、超高水材料充填以及综合机械化固体充填等。由于充填材料的不同而导致了充填方法上的差异，形成了各具特色的充填技术,这也造成了许多专家学者都将进一步的研究局限在相应技术优化中[6-13]，忽略了技术之间的借鉴与对比。笔者深入分析目前各充填技术的特点，利用各技术的特点实现充填的优势互补，产生了混合方法充填的思路，继而形成了超高水材料混合固结充填法。

超高水材料混合固结充填法实质就是将综合机械化固体充填和超高水材料开放式充填结合应用。通过开发新的充填设备以及充填工艺对其进行技术优化，实现充填开采。所形成的超高水混合固结充填法合理地利用了煤层倾角，解决了开放式充填的技术难题，实现了充填不受倾角限制、技术广为适用的目的。并且该技术经济上合理，技术上可行，安全上可靠。

4 超高水材料混合固结法的工艺

超高水混合固结充填法采用如图3所示的支架，该支架有以下3个特点：①支架后方设计了具有一定高度和厚度的挡板，挡板是支架一部分，可以承受一定的压力。②支架后顶梁端部悬挂了一部下边设有叶轮机的底卸式输送机，叶轮机旋转通过叶片来约束固体充填物的抛射方向和速度，使足够多的充填体与顶板接触。③底卸式输送机通过铰接链与支架尾梁连接，保证输送机有灵活的角度调整其方位以适应不同倾角的煤层。

图3 超高水混合固结法充填支架Fig.3 Support diagram of super high watermaterial mixed consolidated filling method

电机带动叶轮机叶片旋转，将由底卸式输送机卸落下来的固体充填物以一定的速度由出口抛射向采空区，实现固体充填物的堆积。

4.1 充填工艺

超高水材料混合固结充填技术就是通过配套的设备将超高水材料和经过处理的固体废弃物在充填工作面混合，而后进行采空区充填的一种充填采煤方法。充填时，为了保证较好的充填效果和充填环境，需按照以下工艺进行：充填部分固体废弃物—充填超高水材料—充填固体废弃物—移架，以此为一个循环周期。在充填作业的时候一定要做到以下2点：①当固体废弃物即将跃过充填支架挡板滚落到采煤工作面时，则停止充填固体废弃物；②当超高水材料液即将浸没支架底座时，则停止灌注超高水材料。

移架时，矸石由架后矸石堆往下滚落。通过调节支架挡板高度以及支架移动步距，使滑落的矸石再次与支架挡板接触。

充填工艺流程如图4所示。

图4 超高水材料混合固结充填工艺流程Fig.4 Process flow diagram of super high watermaterial mixed consolidated filling

4.2 充填材料来源

超高水混合固结充填技术中所用到的超高水材料即为中国矿业大学所研制成功的A、B材料，A料以铝土矿、石膏等独立炼制成主料并配以复合超缓凝分散剂(又称外加剂AA)构成; B料由石膏、石灰混磨成主料并与少量复合速凝剂(又称外加剂BB)构成[13]。

考虑到叶轮机抛射固体充填物会产生粉尘污染，所以，该技术所用的固体充填物粒径不可太小。根据其他行业的生产经验，初步确定使用粒径在1 mm以上的固体废物。固体充填物来源于厂矿等企业生产之后遗留下的固体废弃物，如矸石、尾砂、建筑垃圾等。

4.3 充填材料运输

超高水材料现场制备，由超高水生成系统生产出料浆后，分别送入相应的缓冲池，待A、B缓冲池储存了一定量的单料浆后，同时开启A、B柱塞泵，经专用管路分别将A、B浆液输送至混合池，均匀混合后，将超高水料浆泵送到采空区工作面充填。

固体充填物则由皮带机运输到开切眼附近，通过自移式转载输送机[14]将固体充填物料由低位的带式输送机向高位的多孔底卸式输送机机尾转载。输送机底孔卸载出来的固体充填物在叶轮机叶片的导向作用下抛出，堆砌在超高水浆液面之上。

4.4 充填工作面

超高水材料混合固结充填工作面(如图5)与普通倾斜长臂工作面布置基本相似，回风巷和运输巷分别布置在工作面的两侧。工作面由充填专用液压支架支护，底卸式输送机悬挂在支架后尾梁的下方，输送超高水浆液的主干管路沿着支架布置在挡板前方。同时在主干管路上安设相应的软管，用来排放超高水浆液至采空区。

图5 超高水混合固结充填工作面Fig.5 Working face skim of super high water material mixed consolidated filling

5 超高水材料混合固结充填法特色

5.1 充填机理和控顶实质

在超高水材料混合固结充填技术中，超高水材料与固体充填物混合使用。超高水材料起渗透、密实固体间的缝隙与空间的作用。将超高水材料与固体废弃物混合充填到采空区后，将形成固液结合，液体充分渗透固体，密闭裂隙空间的状况。由于该材料还具有一定的膨胀性，因此凝固后，充填料浆会形成一个紧密支撑上覆岩层的稳固结构体，其压缩率极小，几乎可以忽略。

固体充填物作主要充填骨料不仅起到了降低充填成本的作用，而且还在超高水浆液尚未浸没顶板，混合浆液凝固的初期阶段，对顶板提供有效的支撑。这对控制地表的下沉、弯曲是极其重要，也是非常有效的[15]。当超高水浆液液位在充填支架以下时，充填的固体废弃物形成结合紧密的支撑体，支撑起上覆岩层的部分质量，随着工作面逐步向前推进，超高水被逐步灌入采空区，充填浆液将与周围的岩体共同形成紧密的稳定的统一承载体系控制上覆岩层的移动。

5.2 缩小悬露顶板距离

固体充填物在叶轮机叶片的导向作用下，从叶轮机出口抛向顶板，在支架后方形成与顶板接触的散体堆。由于充填支架后方挡板的阻滞作用，散体堆不断的堆积变高，与上覆顶板的接触面积也逐渐增大，这样便大大的缩小了顶板悬顶区的范围。

采空区顶板下沉最大挠度值随着悬顶区长度的增加而增加；要维持关键层不发生断裂，有好的控顶效果，必须保证有合适的控顶长度[16]。从图6中可以明显看出：随着煤层倾角α的增大，悬露无支护的顶板跨度L逐渐变小，顶板下沉挠度值也逐渐减小，对上覆岩层移动控制效果也在逐渐变好。

5.3 合理利用倾角扩展应用

实施充填以后，在煤壁与固结凝固区之间存在着“压力拱”[17]，充填支架、松散充填体以及固结初凝区承受着“拱”内岩石重力。此外，由于采煤工作面机械设备下滑(当煤层倾角α>12°，工作面的机械设备会有明显下滑[5])原因，充填固体也受到了来自支架挡板的紧压力。所以，抛射形成的散体堆既受到工作面机械设备施加的作用力，又受到上覆岩层的作用力。

固体充填物的散体颗粒通过相互间的挤压、滚动平衡着这2个压紧力。由于力的作用是相互的，被挤压紧密的固体充填体也会施加给支架的挡板一个沿着工作面推进方向的力，保证工作面设备不再发生下滑；与固体充填体接触的上覆顶板也会受到一个垂直于顶板的力，阻止其弯曲下沉。另外，这些松散的固体充填物也与固结初凝区、固结凝固区有着复杂的受力关系，但是，这些复杂的力的总体作用就是保持这些充填体能够稳定的堆砌在超高水浆液以上。

以上复杂的受力关系根据其作用效果可以转化为2个简单的过程：①拱内的岩石与混合固结区施加力，作用到与之接触的固体充填物上使其形成稳固的支撑体。②工作面的机械设备通过支架挡板施加给架后与顶板无接触的松散体紧压力。受力模型简图如图7。

图6 不同煤层倾角下的工作面充填Fig.6 Working face backfilling diagrams underdifferent inclined angle of coal seam

图7 受力简化模型Fig.7 Stress simplified model

设G为采煤工作面的机械设备的总重力，煤层倾角为α，F0是松散体、初凝区与凝固区间的挤压力。

上覆岩层施加给充填体A的与顶板垂直的作用力

(1)

式中，q为岩层自重及其上载荷；L为支撑体与顶板接触的距离。

接触面的静摩擦系数是us，则充填体A与煤层、岩层的最大摩擦力

(2)

那么，工作面设备发生下滑移动的临界条件就是

(3)

由于

(4)

整理得到

(5)

所以，保证工作面机械设备不发生倒滑事故的最大重力

(6)

F0的作用是使固体充填物形成稳定的支撑体，该力是不断变化的，最大可认为是无穷大。记(us·q·L+F0)为K，所以对于任何角度的煤层一定有G

因此，实施超高水材料混合固结充填法，工作面的机械设备是不会发生下滑事故的；只需调整好角度，保证机械设备的重心不越位，避免发生倾倒事故。由于煤层倾斜，利于超高水混合固结充填法实施采空区充填作业，充填后，堆砌的充填物又自发阻止了设备的倒滑。实施超高水材料混合固结充填法也使倾斜长臂开采法在倾角较大的煤层中得以应用，扩展了倾斜长臂开采的应用范围。

5.4 充填成本与效率

在超高水混合固结充填技术中，固体充填物是主要的充填骨料，价格低廉。而超高水材料仅作为“黏结剂”，使用量很少。所以，超高水混合固结充填成本大幅度降低。

在超高水混合固结充填技术中，超高水材料具有高流动性，由高位向低位注入采空区；固体废弃物则由机械设备完成充填。因此，该技术充填速度快，能够跟得上采煤工作面向前推进的速度。另外，该技术的充填浆体能够在很短的时间内凝固、负载。超高水材料的凝固强度以及初凝时间可按需调整，固体充填物其本身就具有强度。所以，该技术能够在较短的时间内实现充填体整体承载上覆岩层的重力。据此可以认为：实施超高水材料混合固结充填法完全可以实现采煤与充填平行作业。

6 结 论

(1)根据超高水材料开放式充填的不足之处而完善、发展，形成了一种新的充填技术——超高水材料混合固结充填技术。

(2)超高水材料混合固结充填技术解决了开放式充填的技术难题，打破了煤层倾角的限制，可以在任何角度的倾斜煤层上实施充填开采，也间接地扩大了倾斜长臂采煤法的使用范围。

(3)超高水材料混合固结充填技术充填成本低于超高水材料充填，采充能力大，可以实现采矿与充填能力的均衡，而且进一步提高了控制地表沉降的效果，是一种很有前途的充填开采技术。

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(责任编辑 徐志宏)

Super High Water Material Mixed Consolidated Filling Method in Inclined Coal Seam

Yang Jie Wang Yukai

(SchoolofResourceandSafetyEngineering，ChinaUniversityofMiningandTechnology(Beijing)，Beijing100083，China)

In order to avoid the big influence of inclined angle on open backfill of super high water material and achieve a safe and efficient mining in gently inclined coal seam，the proposal for mixed filling was creatively put forward.The super high water material mixed consolidation technology was formed and its feasibility was deeply analyzed.At the same time，the related backfilling process was proposed：After the consolidated slurry is firstly backfilled，followed by the high water filling materials.When the slurry height reaches a certain level，second filling with consolidated slurry starts.The filling mechanism of the technique and the principals of controlling the overlying strata movement were analyzed.Also，the advantages and characteristics of high water material mixed consolidation technology were summarized.The result showed that：this new technology rationally utilized the inclined angle of coal seam to receive a breakthrough of filling without being limited by the inclined angle of coal seam and solving the difficulty in super high water material open backfill mining.Meanwhile，the efficiency of limiting rock movement was improved in further.Besides，the super high water material mixed consolidation technology has a lower price and has not a disturbance to mining.It gives a profound application prospect and a new mean to raise the recovery rate of mineral resources under buildings as well as relieve the damage of surface for the inclined coal mine.

Backfilling of coal mine，Inclined coal seam，Super high water material mixed consolidated filling method，Feasibility analysis，Filling process

2015-08-24

“十一五”国家科技支撑计划项目(编号：2009BAB48B02)。

杨 捷(1991—)，男，硕士研究生。

TP028.8

A

1001-1250(2015)-11-051-06