1、-97-超高水材料充填开采基础理论及其工程应用超高水材料充填开采基础理论及其工程应用Basic Theory of Superhigh-water Packing Material and FillingMining and Their Engineering Application摘要：摘要：当前我国煤炭开采面临诸多有待解决的难题，其中“三下”（即铁路下、村庄下和水体下）压煤数量巨大，妨碍煤矿企业的可持续发展。同时煤炭开采造成大面积地表沉陷和民房破裂，矸石山堆积引发自燃发火等严重环境污染问题。基于以上突出问题，煤炭绿色开采已成为我国煤炭进一步发展的必由之路，超高水材料充填采煤理论与技术是解决
2、上述问题的不二选择。本文在结合邯郸陶一矿工程实例的基础上，详述超高水材料的特性及其配比、充填采煤关键技术和具体工艺流程以及工程应用。实践证明，超高水充填采煤技术能有效减少地面沉降和矸石排放，极大地解放了数量巨大的“三下”压煤，为矿山企业的可持续发展奠定了坚实基础，实现了良好的经济效益和社会价值。关键词：关键词：超高水充填材料；充填采煤技术；工程应用Abstract:Abstract:At present,Chinas coal mining faces many problems need to be solved,including the three under(that is,under
3、 the railway,the village and under the water),thehuge amount of coal,which hinders the sustainable development of coal mining enterprises.And at the same time,coal mining caused rupture of large area of surface subsidence and thehouses of the people,the gangue accumulation caused by spontaneous comb
4、ustion seriousenvironmental pollution problems.Based on the above problems,green coal mining hasbecome the only way for the further development of Chinas coal,super high water materialfilling mining theory and technology is to solve the problem of choice.In this paper,based onthe case of the Handan
5、ceramic mine project,the characteristics and the ratio of super highwater material,the key technology of filling coal mining,the specific technological processand the engineering application are described in this paper.Practice has proved that the ultrahigh water filling mining technology can effect
6、ively reduce the ground settlement and wasteemissions,greatly liberating a huge number of under pressure of coal,for the sustainabledevelopment of mining enterprises laid a solid foundation,to achieve good economic andsocial value.Key words:Key words:super high water filling material;filling mining
7、technology;engineeringapplication -98-1 绪论 我国长久以来采用的采煤方法已经产生诸多亟待解决的社会矛盾和环保难题。传统的长壁式采煤法处理采空区，容易导致采动影响波及地表，造成房屋拉伸式破裂和大面积地表开裂；采动裂隙的发育和贯穿将进一步破坏地下水系，打乱地下水循环，加剧荒漠化趋势并影响居民生产生活用水；井工矿开采地下煤炭资源需要建设复杂的井巷系统和附属构筑空间，不可避免地将大量矸石从地下提升到地面堆积，诱发矸石山自燃和崩塌事故。在面临日益严峻的环保压力的同时，我国浅部煤炭资源经历几十年高强度的开采，可采储量日渐下降，迫使煤炭开采逐渐从浅部开采向深部开采发展
8、。而深部开采将面临高地温、高地应力和高渗透压的开采环境，容易发生冲击地压并诱发瓦斯灾害。而与此相对应的是，我国的“三下”（铁路下、村庄下和水体下）压煤数量巨大，工业广场下设留保护煤柱的煤炭资源数量也十分可观。据有关数据统计，我国“三下”滞压煤炭资源数量可达 143 亿 t。以十对年产千万吨矿井计算，可供其开采一百五十年左右。基于以上问题，钱鸣高院士于本世纪之初提出“绿色开采”体系。充填开采作为其体系中的重要组成部分，已成为解决煤炭开采所面临的环保问题和释放“三下”和工业广场下压滞煤炭资源的必然选择，是保障我国煤炭工业可持续发展的必由之路。超高水材料充填采煤又不同其他充填采煤方法，具有充填凝固速
9、度快，充填流体含水率大、泵送性能优良和无毒无害等特点，且能在凝固之后使充填体有较高的强度和优良的“恒阻”特性，可有效地减少地面开裂和沉降。2 超高水材料充填采煤技术国内外研究现状及问题 我国煤炭开采形式以井工开采为主。充填采矿法有提高煤炭回采率，充分利用资源，有效控制地压，减少或消除地表沉降及可在“三下”开采等优点，加上采空区可以用废石来充填，可减少矸石等废物的堆放及环境污染，改善矿区周围生态环境，是钱鸣高院士倡导的煤矿绿色开采的重要组成部分。基于这些优点，在我国目前的能源状况及形势下，充填采矿法越来越受到人们的重视，充填工艺技术也在充填采矿法不断改造与发展的过程中得到创新与发展。2.1 国外
10、研究概况 高水充填材料的研究可追溯到上个世纪 80 年代初英国的巷旁泵送充填技术，由英国煤炭研究院（MRDE）研发的一种称为“Aquapak”的混合水泥胶结料，它可以在水量很高（水体积达到 85%）的情况下固结，Aquapak 用料量约为 500kg/m3。大约两年后（1982 年），另一种叫做 Tekpak 的材料问世，其性能又优于 Aquapak，材料用量减少到 364 kg/m3，而可泵时间则由 Aquapak 的 45 min 增加到 Tekpak 的 180 min。相应成本由 52.06/m3 降为 43.49/m3。Aquapak 由分别叫做 Aquacem 和 Aquabent
11、 -99-的两种物料构成，两种物料按 1:1 的比例与水拌和，然后分别送到充填地点混合，20 min 后固化，2 小时强度可达 0.4 MPa/m2。2.2 国内研究概况 我国最早开展高水材料的研究是在上个世纪 80 年代中期，由中国矿业大学校本部 ZKD 高水速凝材料及高水灰渣充填材料，于 1991 年通过煤炭部鉴定。ZKD 高水充填材料由石家庄水泥制品厂工业化生产后，经煤炭部高水充填材料检验中心检测，各项技术指标达到或超过国际先进水平。其主要性能指标水灰比 2.5:1；初凝时间 6 分钟；可泵时间大于 24 小时；抗压强度分别为 2 小时 2.05MPa，24 小时 3.97MPa，7 天
12、 5.08MPa。随后又承担了国家“八五”重点科技攻关项目“沿空留巷机械化构筑护巷带技术”，对材料及其泵送充填技术又进行了深入的研究，并在新汶矿务局翟镇煤矿进行了井下工业性试验研究。与此同时，中国矿业大学北京研究生部也研制成功高水材料，并把材料用于金属矿山，完成了金属矿山全尾砂速凝固化胶结充填技术的工业性应用。此后，高水充填材料在全国范围内得到了广泛的应用研究，在巷旁充填、注浆堵水、油井堵水、采空区及煤层火区灭火、三软煤层的注水防尘封孔、软土地基处理、壁后充填、软岩加固、港口工程以及非煤矿区的胶结充填等方面得到了广泛的应用。2.3 存在的问题 目前我国的煤炭资源状况及开采现状，无论从保护资源、
13、提高资源回收利用率，抑或从保护环境，减少生态破坏及环境污染的度来分析，充填开采都是最好的选择，而胶结充填又是各充填开采方法中较好充填方法之一。用充填法进行采矿对充分回收煤炭资源，提高资源回收率，延长矿井服务年限，控制地表沉陷并实现“三下一上”采煤，减少生态环境破坏等均有一定的经济效益、社会效益和环境效益，具有广阔的发展前景。胶结充填的核心是充填胶结材料。对充填胶结材料的要求有以下几个方面：（1）尽可能的降低充填成本；（2）充填工艺简单易行；（3）有好的环境效益，可以充分利用如矸石、尾砂等废料；（4）材料具有良好的强度与凝结性能。现有的胶结材料中，赤泥胶结材料具有许多优良的性能，而矿渣胶结材料在
14、达到相同或相近充填效果的前提下，成本仅为普通水泥充填的一半左右，具有明显的技术和经济优势。此外，二者均可实现全尾砂胶结充填抑或膏体泵送充填，对充分利用尾砂、煤矸石、粉煤灰等废料，减少环境污染具有重要作用。但二者依托的充填开采技术皆为高浓度全尾砂胶结充填及膏体泵送充填。前者在生产实践中，目前依然存在制浆技术难度较大的问题，尤其是利用全尾砂造浆时，难以达到预期的浓度；高浓度料浆输送存在一定的困难；输送及参数控制设备技术要求较高，在目前的条件下难以在一般矿山全面推 -100-广应用。而后者的主要优点是充填料浆浓度高，减少了水泥用量，降低了充填成本；充填体收缩率小，接顶率高，充填质量好，强度较高；采场
15、无任何溢流水，改善了井下作业环境，节省了排水及清理污泥的费用。但全尾砂膏体泵送充填存在一次性投资大，泵压输送技术要求很高以及输送管子容易堵塞等问题，在推广应用过程中存在的困难较明显。而上述论及的赤泥胶结料的生产受到地域性限制，使用时存在过高的远程运输费用，往往使充填成本大幅度增加，使用户难以承受。高水速凝固化材料胶结充填的优点是：用水量比较高，使用时具有良好的悬浮性，使前述充填料浆的悬浮性和流动性得到改善，可实现中低浓度料浆的水力输送，避免了高浓度料浆输送困难的问题，简化了工艺过程，减少了运行成本。但采用纯高水材料采空区充填时，吨煤成本很高，按目前价格吨煤成本大概在 300 元及以上，企业难以
16、承受，另一方面高水材料来源较少，成为推广应用的另一障碍。若能研制出一种新型充填材料，既具有高水材料性能上的优点，又具有应用时充填工艺简单，特别是使单位体积材料用量能大幅度减少，充填成本显著降低，材料来源受限问题得到解决，则煤矿充填开采技术就有可能在采空区充填领域得到广泛的推广与应用，使我国的充填开采技术走向一个新的阶段。超高水充填材料开发研究的想法由此产生。因此，在高水材料研究的基础上，进一步提高水固比、大幅度降低材料用量是本课题的指导思想。以此为指导，从理论上研究高水材料的形成机理，探索超高水材料开发的科学依据。以此为基础，展开对超高水材料的研究。若此材料及其相关充填工艺系统能够研制成功，则必将成为推进我国矿山胶结充填开采技术向前发展的重要方法之一，为我国矿山资源的充分利用及在我国进一步实现绿色开采做出应有的贡献。研究的超高水充填材料应具有以下特征：固结体持水量高，固体料用量少，密实度高，其水含量超过现有任何胶结材料；浆体流动性好，可灌性强；材料来源广，成本低；与矸石、岩石及多数工业废弃固体物应有良好的胶结性；具有速凝早强，固结体在三维受力环境下抗压缩能力强，满足采空区充填要求。而研
