大采高综采面超高水材料充填开采技术

采矿工程超高水充填材料应用与展望-采矿工程论文-工程论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——摘要:本文对采矿工程中超高水充填材料的应用与展望进行分析，首先对此种材料的应用范围进行列举，如采空区的应用、在预充空巷开采技术中的应用、在注浆堵水技术中的应用等，而后对超高水充填材料的未来应用方向进行展望。

关键词:采矿工程;超高水充填材料;注浆堵水随着城市发展步伐的逐步加速，人们的生活水平获得提升，人们基础生活中对能源的需求越来越大，因此，我国矿业工程必须加大矿产开采力度，满足人们的能源需求。

但是传统的采矿方式不仅会对环境造成较大的污染、安全性也不够高，由此，超高水充填材料的出现，不仅让工程施工环境的安全得到维护，还对资源的可持续发展起到了支撑作用。

1采矿工程中的超高充填材料应用1．1在采空区的应用在采矿工程中，使用充填工艺目的是让矿产开采工作对地面造成的凹陷危害得到有效预防与缓解，因为地下开采活动可能会造成地层、地质构造出现断裂或是错位等情况，同时此项操作可减轻开采活动对井下巷道与工作面造成的影响，促进采矿工作的顺利与安全。

同时，工作人员操作充填工艺对矿区的环境进行改善，还可让巷道得到维护，提升通风效果，可以有效缓解采矿工程操作对环境造成的压力，实现绿色开采。

通常情况下，可以选择的传统充填材料主要有砂石、碎石、工业废渣等，同时充填方式主要有水利输送、充填管路输送等方式。

如果技术操作人员选择水利输送的方式，需要承担较为复杂的人为操作工序。

同时，此种输送方式需要消耗大量的充填材料，最重要的一点是容易在输送的过程中发生充填管路堵塞问题，解决过程中还需占用大量的维修与输送资金，因此此种方式并未得到大范围推广。

而超高水填充材料颗粒粒径较小，同时具备较好的浆液流动性能，操作工艺上也较为简单，对技术操作人员的要求不高，便于操作。

在用料量上也相对较少，因此可以节约大量的材料成本，由此可以得出的结论是超高水充填材料具备诸多应用优势。

采矿工程超高水充填材料应用标准摘要：在煤矿开采环节经常会存在着以下几个问题：煤炭自燃发火、工作面过空巷等，这些问题在老矿井中尤为明显，严重影响着矿井开采的安全性。

现如今超高水充填材料在采矿工程中有着十分广泛的应用，可以起到很好的预充空巷和防火灭火的作用。

本文将对超高水充填材料的注浆防火技术、欲充空巷开采技术以及充填开采技术进行深入分析，希望可以促进煤炭采矿工程的顺利施工。

关键词：超高水填充材料；煤矿工程；具体应用超高水充填材料由两部分组成的，一部分是以铝土矿为主要原材料经过烧制和复合超缓凝剂组成，另一部分是由石膏与复合速凝剂组成，在使用时需要将两种液体按照等体积比例混合，在混合一段时间后即可凝固成具有相对强度的充填材料。

超高水充填材料不仅无毒无害，而且制作过程简单，两种液体在混合后的8~30分钟内就可呈现初凝状态，凝固后的抗压强度可达到0.66~1.65MPa，并且单浆液能够做到长时间运输且不凝固，因此在采矿工程中具有十分广泛的应用[1]。

1超高水材料充填开采技术及原理1.1超高水材料充填开采技术利用超高水材料对采矿区进行充填，常用的方法有混合式充填法、开放式充填法以及袋式充填法等，施工人员需要结合矿井的实际情况选择合适的充填方法。

超高水材料充填技术在应用时涉及到浆体制备、材料储运、浆液输送、采空区充填等几个步骤，具体的技术流程如图1所示，其中制备浆体是整个充填技术的核心所在，现如今已经实现了由PLC系统进行自动化控制。

1.2超高水材料充填开采技术的原理分析矿井在开采后采空区的上覆岩层会形成裂隙带、弯曲下沉带以及冒落带，彻底形成这三带需要一定时间，也就是具有一定的滞后特点，所以利用超高水材料进行充填就是利用矿井开采后的缓冲时间，让采矿区域充满超高水材料并且胶结在一起，这可有效防止采空区顶板塌落，使得上层岩石的活动趋于稳定，确保采空区域的安全性。

同时对裂隙带空隙以及冒落带进行密实充填，也会极大的降低下沉带的下沉空间，从而控制地表的下沉量，这可有效防止地表塌陷，降低对地面的影响。

超高水充填材料在采矿工程中的应用与展望摘要: 为解决“三下”压煤开采、工作面过空巷和煤炭自然发火等问题，对超高水材料充填开采技术、预充空巷开采技术和注浆防灭火技术进行研究。

基于超高水充填材料的性质，介绍了以上 3 种技术的应用情况，并分别以陶一煤矿、王庄煤矿和金地煤矿为例对其应用效果进行了分析和评价。

结果表明，超高水材料充填开采技术能保证采空区充填率达到 85% 以上; 采用超高水材料预充空巷开采技术后，工作面回采过空巷期间未出现矿压显现剧烈现象; 采用超高水材料注浆防灭火技术后，火区的温度和 CO、NH4 浓度均恢复到正常水平。

今后需在继续完善当前技术相关理论与工艺的同时，进一步拓展超高水材料的应用领域。

关键词:超高水材料; 充填开采; 预充空巷; 防灭火1有关超高水充填材料的详细介绍超高水充填材料主要是由单浆液构成，该单浆液是由甲乙两模块分别配水形成。

其中甲模块中主要组成部分为复合超缓凝剂与铝土矿，乙模块中主要组成部分为复合超缓凝剂与石膏等。

甲乙两类单浆液的体积相同进行混合，然后过一段时间后就能凝固从而变成充填体。

超高水充填材料中水灰比最低是 6.3：1，最高是 11：1，这意味着其水体积可以高达 95%—97%的范围。

甲乙这两类单浆液进行混合后可以在 8—30 分钟内达到初凝状态，其固结体的最终强度能够达到 0.06—1.65MPa，而其七天的抗压强度能够涨到最终强度的 60%—90%。

这两类单浆液具体的抗压强度以及混合后的凝结时间可以依据实际情况来适当做出调整；甲乙两类单浆液可以在 30—40 小时内保持良好的流动性、不凝固，其具有高强度的可灌性流动性，有利于在管路中实现长时间长距离运输。

而在遭受压力的时候该单浆液固结体积应变仅有 0.00075—0.003 之间，由此可知其具有较强的不可压缩性。

2超高水材料注浆防灭火技术及应用超高水材料注浆防灭火技术是一种集注浆、注水、凝胶、阻化剂于一体的新型防灭火技术，具备以上防灭火技术的优点，同时克服了浆液易流失、不凝结、流动性差及工艺复杂、成本高等缺点。

超高水充填开采技术在煤矿中应用论文摘要：邢东矿采用超高水材料充填开采技术，现已成功充填回采煤量50万吨（最高月产5.5万吨），利润1.7亿元。

同时节省了巨额拆迁费用，不但置换出来煤，还大量利用了井下污水，减小对环境的污染。

对于解放建下乃至三下压煤都有很好的应用性。

邢东矿剩余煤炭资源的82%以上为村庄压煤，大量建下压煤的存在，对当前及今后矿井合理的生产布局、正常的采掘接续安排与持续稳产均产生了极大影响，严重制约着矿井回采率及可持续发展能力的提升。

为解决这一难题，邢东矿开展了超高水材料充填开采的试验研究，并在现场进行了成功应用。

1 工程概况邢东矿1126工作面，是本矿首个超高水充填工作面。

该工作面主采2#煤层，走向长490 m，倾斜长70 m，煤层平均厚度4.5 m，煤层平均倾角10.3°，可采储量 25万t。

采用单一厚煤层一次采全高倾斜长壁后退式采煤法，用超高水材料充填方法控制采空区顶板。

2 超高水充填材料基本性能2.1 材料简介超高水速凝固结充填材料（简称超高水材料）是指水体积在95%以上，最高可达到97%的超高水材料。

主要由AB两种物料，分别加入8～11倍水组成。

A料主要以铝土矿石膏等独立炼制并复合超缓凝分散剂构成，B料由石膏、石灰和复合速凝剂构成。

两者按一定比例配合使用，强度可根据需要进行调整，满足井下充填要求。

2.2 材料物理力学基本性能（1）材料力学性能。

超高水材料不同水体积固结体的强度随时间变化规律如图1所示。

从中可以看出，早期强度较高，而7 d后强度增长缓慢。

（2）材料变形特性。

超高水充填材料用于采空区充填后，处在较为封闭的状态，其固结体要受到上覆岩层的作用，体积是否会发生收缩或者膨胀，直接影响对上覆岩层的有效控制。

图2所示为超高水充填材料固结体体积应变随时间变化的曲线。

从中可以看出，超高水材料受压后，体积应变较小，位于0.001～0.003之间，表现出良好的不可压缩性。

3 超高水充填采煤工艺3.1 超高水充填支架我矿使用的充填液压支架型号为ZC12400/30/50，是一种新型的超高水充填开采工作面支护设备，做到了采煤与充填作业的分离，避免了采煤与充填的相互干扰。

超高水材料充填开采设计方法及地表移动控制分析充填开采作为一种成熟的开采工艺被越来越多的矿区所应用，在最大限度开采地下资源的同时，有效保护地面建构筑物，防止地下水进入井下，是先进的绿色开采技术。

针对超高水材料充填控制地面沉陷面临的问题，首先对超高水材料不同龄期、不同配比时的应力应变关系进行试验研究，测定了不同龄期的凝固体强度，分析研究了不同配比时强度随时间的变化规律，采用弹塑性梁、板理论，构建了充填工作面周围不同开采条件下，开放式充填控顶距判别式和充填开采设计方法，通过实测和数值模拟结果证明所提方法的正确性，主要工作及成果如下：（1）通过力学实验研究了不同配比、不同龄期下，超高水材料凝固体的应力应变关系，得到了各条件对应的抗压强度和弹性模量,为其工程实践应用提供技术依据。

（2）当采场的的长宽比b/a <1/2时，顶板的垮落步距可按梁模型进行分析。

基于弹塑性理论，建立了三种边界条件下梁的极限荷载和极限垮落距，分析了梁截面上弹性核高度与梁长度的关系，同时对两端固支梁和一端固支一端简支梁模型，按照塑性极限分析法，得到了不同边界条件下，梁的极限承载力和垮落距；考虑到实际应用中边界条件对计算结果的影响，进一步分析推导了弹性基础（或者充填体）梁及其受水平力作用时梁上最大弯矩表达式。

（3）针对充填工作面周围不同开采情况，将充填工作面分为四周未开采、一侧有采空区、两侧有采空区、三侧有采空区及周围均有采空区，分别将其简化为四边固支板、三边固支一边简支板、邻边固支邻边简支板、一边固支三边简支板和四边简支板五种情况，对于不同条件建立了相应的力学模型。

（4）针对超高水材料充填开采工作面周围不同开采、顶板较坚硬的条件，将其简化为不同边界固支的弹性薄板，基于虚功原理推导了弹性地基板以及四边受水平压力作用时挠度和弯矩的表达式，通过等价变化，弯矩公式转换为单级数求和后只需取6项就能到达工程要求精度，同时分析研究了不同边界条件板最大弯矩与推进距离的关系，为顶板较坚硬、周围不同开采条件下，超高水材料充填开采工作面开采宽度设计提供了计算方法。

大采高综采面超高水材料充填开采技术谢国强;杨军辉;谢生荣;张广超;肖殿才;张兴娜【摘要】为了解决邢东矿村庄压滞煤炭资源开采的问题,提出了适用于大埋深、大采高等复杂地质条件下的综合机械化超高水材料充填开采技术,阐明其技术特点,并介绍了研制的分体式充填液压支架、超高水材料充填系统和采煤与充填工艺.现场监测结果表明:1126大采高综采工作面开采过程中,支架后柱工作阻力高于前柱工作阻力,顶板无明显来压现象；地表变形量较小,最大变形量未超过2cm,地表变形控制在Ⅰ级形变以内.该技术有效解决了邢东矿可采资源紧张、村庄下压煤回采的技术难题.%In order to solve the problem of exploiting coal resources under villages in Xing Dong mine, the fully mechanized filling mining with superhigh-water material in complex geological conditions such as great depth and high cutting mining face was put forward and its technical characteristics were expounded. The developed individual assembled hydraulic powered supports, filling system with superhigh-water material,coal mining and filling technology were introduced. The field monitoring results showed that working resistances of latter hydraulic prop were higher than the formers' and obvious pressure phenomenon of roof didn't appear; the deformation of earth's surface were controlled within level I, its value was small and the maximum deformation value was under 2cm. This technology resolved the problems of shortage of recoverable resources and the technology of exploiting coal resources under villages.【期刊名称】《中国矿业》【年(卷),期】2013(022)003【总页数】4页(P70-72,112)【关键词】大采高充填开采;分体式液压支架;超高水材料;充填系统【作者】谢国强;杨军辉;谢生荣;张广超;肖殿才;张兴娜【作者单位】中国矿业大学(北京)资源与安全工程学院,北京100083【正文语种】中文【中图分类】TD323建筑物下压煤问题一直制约着我国煤矿的可持续发展，且矛盾日益突出［1］。

高水充填材料的技术研究我国煤矿开采普遍采用自然垮落法管理顶板、处理采空区，已造成严重的环境问题，地表塌陷、建筑物压煤、地下水资源破坏、煤矸石环境污染等问题尤为突出。

为适应可持续发展的要求，2003年，钱鸣高院士依据循环经济的思想，提出了“绿色开采”技术的概念，其基本内涵是防止或尽可能减轻煤炭开采对环境和其它资源的造成的不良影响，其目标是取得最佳的经济效益和社会效益，其中的主要内容就包括充填开采技术。

一、国内煤矿充填开采研究进展矿山充填有数百年的历史，但有计划的充填并作为一种技术发展在国外有近60年的历史，国内则是近40年的事，而且主要在金属矿发展的比较快和成熟。

金属矿山充填经历了干式充填、水砂充填、胶结充填和全尾砂胶结充填等四个发展阶段，国内煤矿的充填开采是在金属矿山充填开采的基础上发展而来的，分为膏体充填开采和高水充填开采。

1、膏体充填开采国内投入较大，采用充填技术较早的是太平煤矿。

该矿从2003年开始先后投入6000多万元，料浆制备和输送采用德国技术，以泗河河砂、电厂粉煤灰加专用胶结料和水配制成膏状料浆，泵送至井下充填空区。

新矿集团的孙村煤矿则以破碎的陶化煤矸石经过粗碎和细碎后的新鲜煤矸石为主料，添加粉煤灰和早强剂配制成似膏体料浆，通过自流方式进行充填。

河北邢台矿也进行了膏体充填的试验研究，充填主料为粉煤灰。

该矿进行的另一项试验研究是半饱和矸石与粉煤灰充填。

方法是将矸石与粉煤灰以适当的比例混合后，通过投料系统、井下运输系统运至采煤工作面，再通过充填机充填到采空区，由捣实机进行捣实，达到解放建筑物下压煤并控制覆岩运动及地表沉陷的目的。

从充填技术看，国内煤矿与金属矿有着显著的不同。

一是大多选用膏体或似膏体充填，二是充填主料主要是煤矸石和粉煤灰。

原因可能在于：一是膏体或似膏体充填在金属矿的应用比较成熟，二是煤矿充填区的挡墙制做和密封困难，膏体或似膏体充填的防渗堵漏压力小，一般的编织袋挡墙即可满足要求；三是煤矿没有金属矿的尾矿，但煤矸石排放量大，粉煤灰的资源不难获得。

超高水充填材料及其充填开采技术研究与应用我国煤炭资源较为丰富,但其赋存特点是煤矿“三下”压煤比较普遍。

一方面,我国主要产煤省多地处平原,村庄密集,人口众多,村庄压煤比重大;另一方面,随着国内经济不断持续发展,村镇规模不断扩大,新矿区、新井田不断建设,压煤量也持续增加。

解决“三下”压煤问题是我国煤矿可持续发展的关键。

此外,由于煤矿开采造成地表沉陷、建筑物破坏及地下水与土地资源减少等,使矿区生态环境问题越来越突出。

基于上述问题,煤炭绿色开采是实现我国煤炭工业可持续发展的必由之路,充填开采技术是实现上述目标的不二选择。

本文在充分研究我国煤炭资源赋存状况及充填开采现状的基础上,从充分回收煤炭资源、减少矿区环境污染、消除矿区生态破坏的角度出发,提出超高水充填材料用于矿井采空区充填的课题,并对此进行了详细研究。

本文在详细查阅大量国内外文献的基础上,详细研究了超高水材料的生成机理,并通过大量实验,对超高水材料的各组成要素进行了详细研究。

在实验室条件下,经过多年反复试验研究,找出超高水材料合理的组成配方。

所制得的超高水材料由A、B两种主料与少量复合速凝剂和复合缓凝分散剂组成。

该材料可在水体积高达97%时,实现初凝时间在8~90min之间的按需调整。

当水体积在95~97%时,抗压强度可根据外加剂的不同而进行调节,其28天强度可达到0.66~1.5MPa之间。

该材料A、B两主料单浆可持续30~40小时不凝固,混合后材料可快速水化。

调整外加剂配方可以改变材料性能如凝结时间与强度等。

为了考察所制得超高水材料性能,对超高水充填材料的基本性能包括基本力学性能、化学性能及所构成材料的稳定性进行了研究,发现该材料具有早强、快硬的特点,7天抗压强度可达到最终强度的60~90%,后期强度增长趋势较缓慢。

通过调节水固比与外加剂,可根据需要调整其强度性能与凝结时间等指标。

该材料体积应变较小,有利于采空区的充填应用。

该材料抗风化性能较差,火烤效果类同于风化,表明该材料不适于干燥、开放的环境。

《综合机械化超高水材料袋式充填采煤技术规范》编制说明标准编制组一、工作简况（一）任务来源本标准的制定计划由中国煤炭工业协会归口上报并执行，经中国国家标准化管理委员会批准，正式列入2016年国家标准制修订项目计划，项目编号为20161825-T-603，项目名称为《综合机械化高水材料充填采煤技术要求》，起草单位为中国煤炭工业协会生产力促进中心、冀中能源邯郸矿业集团有限公司等。

（二）协作单位本标准制定的协作单位主要有冀中能源集团有限责任公司、国家能源充填采煤技术重点实验室、河北充填采矿技术有限公司、冀中能源股份有限公司、河北煤炭科学研究院。

（三）主要工作过程（1）建立标准起草组该标准提出后，于2016 年获国家标准化管理委员会立项，2016年12月成立了由冀中能源邯郸矿业集团有限公司、国家能源充填采煤技术重点实验室等组成的标准起草组。

（2）形成标准草案标准起草组于2016年12月启动本文件的调研工作，并于2017年5月底前完成了相关资料的收集和分析工作。

起草组经多次组内研讨，确定了标准的框架和主要内容，并于2017年10月形成了标准草案稿。

（3）征求意见阶段标准起草工作组先后召开了多次组内研讨会，对标准草案进行了讨论。

根据专家意见，起草组对草案内容进行了修改，于2018年12月底形成标准征求意见稿。

（四）主要起草人及所做的工作本标准主要起草人为杨忠东、张党育、孙春东、高会春、卢志敏、李继升、杨洪增、秦大健、宋佳、刘富、郑厚发等。

根据任务分工，孙春东主要做了制定详细工作计划，卢志敏、李继升、杨洪增、秦大健等进行了前期资料的收集、标准制订初稿的起草以及标准征求意见稿的讨论修改等工作，其他人员也都一起参与了调研，多次开会讨论，共同修改完善标准。

二、编制原则和主要内容说明（一）编制原则本标准的编制原则主要包括：（1）本标准在结构和编写上严格按照GB/T 1.1-2009的规范要求。

（2）本标准的编制注意协调一致的原则，与已经发布的相关国家标准、行业标准和规范相协调。