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基本信息

項(xiàng)目名稱：
用于煤礦采空區(qū)充填的超高水材料及其充填方法
小類：
能源化工
簡(jiǎn)介：
超高水材料是一種新發(fā)明的采空區(qū)充填材料，水體積和水灰比分別可達(dá)97%和11:1。為解放建筑物下壓煤，結(jié)合超高水材料的基本性能，研究出了超高水材料采空區(qū)充填開采技術(shù)。作品對(duì)該技術(shù)的各種充填方式的充填過程、優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件進(jìn)行了詳細(xì)的分析。結(jié)果表明：在井下潮濕、低溫、封閉的環(huán)境中，超高水材料是一種理想的采空區(qū)充填材料；該材料及相應(yīng)的充填開采方法是未來(lái)采空區(qū)充填開采技術(shù)發(fā)展的方向之一。
詳細(xì)介紹：
1 引言 煤炭資源一直是我國(guó)的第一大能源，在我國(guó)能源消耗中占70%左右，而且在未來(lái)幾十年內(nèi)，我國(guó)以煤為主的能源結(jié)構(gòu)格局不會(huì)有較大的改變，煤炭工業(yè)的健康發(fā)展可以保證我國(guó)的能源安全和經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展。煤炭被采出后，采出空間上覆的巖層失去支撐而向采空區(qū)內(nèi)逐漸移動(dòng)、彎曲和破壞，從而引發(fā)土地沉陷災(zāi)害，地表沉陷帶來(lái)的破壞已涉及到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、環(huán)境保護(hù)、生態(tài)平衡等各方面。在建筑物下、鐵路下、水體下、承壓水體上（簡(jiǎn)稱“三下一上”）進(jìn)行煤炭資源開采時(shí)引發(fā)的問題最直接也最為突出，例如：煤礦開采后，地面房屋局部開裂甚至倒塌，使工農(nóng)關(guān)系緊張；鐵路彎曲或下沉，給鐵路安全運(yùn)輸留下隱患；圍巖裂隙與水體溝通后會(huì)出現(xiàn)透水事故，嚴(yán)重影響礦井的安全高效生產(chǎn)。隨著礦井儲(chǔ)量的逐漸減少，煤炭資源的枯竭與經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展之間的矛盾日益突出。據(jù)國(guó)有重點(diǎn)煤礦的統(tǒng)計(jì)分析，我國(guó)“三下”壓煤總量達(dá)到140億噸以上，其中建筑物下壓煤約為90億t。而這些儲(chǔ)量大多集中分布于工業(yè)基礎(chǔ)較好、開發(fā)條件較為優(yōu)越、且對(duì)煤炭資源較為緊迫的經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)地區(qū)。因此，如何有效地進(jìn)行“三下”壓煤開采對(duì)充分利用地下資源，延長(zhǎng)資源枯竭礦井壽命，促進(jìn)煤炭工業(yè)的健康發(fā)展都具有重要意義。 采空區(qū)充填開采逐漸成為解放“三下”壓煤的主要方法之一，是指用各種適當(dāng)?shù)某涮畈牧蠈?duì)煤層采出后在地下形成的空洞實(shí)行充填，以控制上覆巖層移動(dòng)和地表沉陷的一種采空區(qū)處理方法。充填開采的關(guān)鍵技術(shù)之一是充填材料，不同的充填材料所對(duì)應(yīng)的充填工藝、系統(tǒng)和充填方法不同。按充填材料不同，目前，采空區(qū)充填方法有水砂充填、矸石充填和膏體充填等。這些充填方法為解放建下壓煤提供了較可行的途徑，積累了許多實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，但仍存在一些不足，主要表現(xiàn)在：①充填工藝較復(fù)雜，初期投資高，勞動(dòng)強(qiáng)度大；②充填料都以固體料為主，增加了井下輔助運(yùn)輸工作量；③充填與開采相互影響；④充填后采空區(qū)密實(shí)效果不理想；⑤一些需要進(jìn)行充填開采的煤礦缺乏充填材料。這些不足在不同程度上影響著采空區(qū)充填技術(shù)在“三下”開采中的推廣與應(yīng)用。 超高水材料是中國(guó)礦業(yè)大學(xué)研究發(fā)明的一種新型充填材料，使用時(shí)加水配制成漿液，然后即可在一定時(shí)間內(nèi)固化，固結(jié)體水體積分率和水固比分別可達(dá)97%和11:1。該材料具有早強(qiáng)快硬、漿液流動(dòng)性好、初凝時(shí)間可調(diào)等特點(diǎn)，生成的固結(jié)體不收縮，體積應(yīng)變小，在三向受力狀態(tài)下有良好的不可壓縮性。超高水材料唯一的不足就是抗風(fēng)化及抗高溫（400℃以上）性能較差，但工作面開采后采空區(qū)是一個(gè)密閉的空間且濕度較大，溫度也不可能超過400℃。因此，我們提出運(yùn)用超高水材料進(jìn)行采空區(qū)充填，由此控制上覆巖層活動(dòng)，以達(dá)到減緩地表下沉的目的。針對(duì)煤層開采后采空區(qū)環(huán)境的特點(diǎn)，對(duì)超高水材料的基本性能進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)研究；結(jié)合超高水材料的基本性能，研究出了超高水材料采空區(qū)充填開采技術(shù)，該技術(shù)包括開放式、袋式、混合式和分段阻隔式四種充填方式；并對(duì)各種充填方式的充填過程、優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件進(jìn)行了詳細(xì)的分析；最后將該項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于邯鄲礦業(yè)集團(tuán)陶一煤礦和臨沂礦業(yè)集團(tuán)田莊煤礦建筑物下采煤，獲得了很好的地表減沉效果。超高水材料采空區(qū)充填開采技術(shù)對(duì)于“三下”壓煤開采具有非常廣闊的應(yīng)用前景。 2 超高水材料使用方法及其基本性能 作為采空區(qū)充填材料，研究其基本性能非常必要，此處提及的超高水材料的基本性能包括力學(xué)性能（強(qiáng)度及體積應(yīng)變性能）、流體力學(xué)性能（可泵性、流變性等）及化學(xué)性能（凝結(jié)時(shí)間、抗風(fēng)化性能）等。 2.1 超高水材料使用方法 超高水材料由A、B兩種主料和AA、BB兩種輔料組成，通常呈面粉狀。A料主要以鋁土礦、石膏等獨(dú)立高溫?zé)贫桑珺料由石膏、石灰混磨而成，AA料為復(fù)合超緩凝分散劑（又稱外加劑AA），BB料為復(fù)合速凝劑（又稱外加劑BB）。A、B兩種骨料以1：1比例使用，AA、BB兩種輔料根據(jù)實(shí)際要求配合使用，通常A：B：AA：BB為10：10：4：1（質(zhì)量比）。 2.2 材料力學(xué)基本性能 超高水材料的力學(xué)基本性能主要研究強(qiáng)度和體積應(yīng)變性能，試驗(yàn)材料取自徐州萬(wàn)方礦山科技有限公司，材料型號(hào)分別為DFPK與DFPM，養(yǎng)護(hù)溫度19℃，水溫18℃。 2.2.1 材料強(qiáng)度特性 隨著水化齡期的延長(zhǎng)，超高水材料固結(jié)體的抗壓強(qiáng)度會(huì)不斷增加，不同水體積的固結(jié)體強(qiáng)度大小和變化規(guī)律均有差異。此外，由于超高水材料固結(jié)體的水含量過高，其中的游離水在干燥環(huán)境下易因風(fēng)化而快速失去。因此，在對(duì)超高水材料固結(jié)體力學(xué)性能進(jìn)行研究時(shí)，也對(duì)風(fēng)化后的強(qiáng)度隨時(shí)間變化的規(guī)律和特征進(jìn)行研究。 為在較大范圍內(nèi)研究超高水材料的力學(xué)性能，分別對(duì)水體積分率91%、92%、93%、94%、95%、96%與97%七個(gè)級(jí)別的固結(jié)體強(qiáng)度進(jìn)行研究。每個(gè)級(jí)別分成兩組進(jìn)行試驗(yàn)：一組置于養(yǎng)護(hù)箱內(nèi)進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，一組置于室內(nèi)空氣中讓其自然風(fēng)化。試驗(yàn)時(shí)對(duì)正常養(yǎng)護(hù)塊和受風(fēng)化塊進(jìn)行不同齡期的抗壓強(qiáng)度測(cè)量。 正常養(yǎng)護(hù)條件下，超高水材料固結(jié)體抗壓強(qiáng)度隨時(shí)間延長(zhǎng)而不斷增加且早期特征明顯，各齡期強(qiáng)度R2h、R4h、R6h、R8h、R1d、R2d、R3d、R7d分別占最終強(qiáng)度的1.96%～21%、4%～26%、8%～30%、15%～35%、22%～43%、29%～52%、36%～61%和66%～90%（不同試樣變化范圍），7d后強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢。 超高水材料固結(jié)體早期受風(fēng)化強(qiáng)度Rf-2h、Rf-4h、Rf-6h、Rf-8h、Rf-1d、Rf-2d、Rf-3d受風(fēng)化影響較小，但3d后影響明顯，7d后固結(jié)體強(qiáng)度迅速下降。水體積為91%、92%和93%時(shí)固結(jié)體風(fēng)化后抗壓強(qiáng)度峰值大約出現(xiàn)在第3d，分別為1.96Mpa、1.56 Mpa和1.25 Mpa，28天時(shí)抗壓強(qiáng)度均低于0.2Mpa；水體積為94%、95%和96%時(shí)固結(jié)體風(fēng)化后抗壓強(qiáng)度峰值大約出現(xiàn)在第2d，分別為0.89Mpa、0.71 Mpa和0.42 Mpa，28天時(shí)抗壓強(qiáng)度基本為零；而水體積為97%時(shí)的抗壓強(qiáng)度峰值大約在第1d，值為0.119Mpa，28天時(shí)抗壓強(qiáng)度為零。 2.2.2 材料應(yīng)變性能 對(duì)超高水材料應(yīng)變性能的研究主要通過在外力作用下，其固結(jié)體的體積變化情況及其大小，由體積應(yīng)變e進(jìn)行衡量。試驗(yàn)采用標(biāo)準(zhǔn)試模制備試塊，根據(jù)測(cè)量試塊受壓前后實(shí)際體積的變化來(lái)測(cè)試固結(jié)體的體積應(yīng)變。 超高水材料固結(jié)體受壓后，體積應(yīng)變較小，位于0.00075～0.003之間。具有該特性是由于超高水材料含水量較高，內(nèi)部空隙相對(duì)較少，水又是不可壓縮流體，與內(nèi)部有孔隙的其他材料相比，可壓縮性自然較小。因此，超高水材料固結(jié)體體積應(yīng)變非常小，可認(rèn)為該材料基本不可壓縮性。 2.3 材料凝結(jié)時(shí)間及固結(jié)體顯微結(jié)構(gòu)特征 同樣，采用水體積分率為91%～97%七個(gè)級(jí)別對(duì)超高水材料凝結(jié)時(shí)間及固結(jié)體顯微結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行研究。 2.3.1 超高水材料凝結(jié)時(shí)間 試驗(yàn)時(shí)，外加劑AA及BB的添加量分別為A主料和B主料的6%和4%，將A、B料加水制成漿液并攪拌，約3分鐘后將兩種漿液混合。在其它條件相同的前提下，調(diào)節(jié)超高水材料的水體積比例并記錄從兩種漿液混合到凝結(jié)所用時(shí)間 超高水材料的凝結(jié)時(shí)間主要受水灰比的影響，水灰比越大，凝結(jié)時(shí)間越長(zhǎng)，反之則短。另外，凝結(jié)時(shí)間還受外加劑性能、溫度等的影響。 2.3.2 固結(jié)體顯微結(jié)構(gòu)特征 超高水材料的水化物主要為鈣礬石，其微觀形貌特征為網(wǎng)狀或針狀結(jié)構(gòu)。為了考察超高水材料水化產(chǎn)物的實(shí)際情況，對(duì)超高水材料固結(jié)體進(jìn)行了掃描電鏡（SEM）分析。利用掃描電鏡獲取不同級(jí)別水體積的超高水材料固結(jié)體在水化齡期14d時(shí)放大3000倍的SEM照片，鑒于文章篇幅，只列出水體積95%～97%三個(gè)級(jí)別的SEM照片。 各圖的主導(dǎo)物質(zhì)均為鈣礬石，但鈣礬石的形態(tài)因超高水材料固結(jié)體的水灰比而異。隨著水體積的加大，鈣礬石的針、桿狀結(jié)構(gòu)不斷纖細(xì)化，尤其以97%水體積的鈣礬石結(jié)構(gòu)特征最明顯，為非常纖細(xì)的絲網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。而隨著水體積的降低，材料越來(lái)越致密，表現(xiàn)出鈣礬石晶體粗大化以及局部纖細(xì)鈣礬石致密化。這說(shuō)明，該種結(jié)構(gòu)不斷致密化是提高材料強(qiáng)度的關(guān)鍵所在，也是超高水材料性能可通過水體積來(lái)調(diào)整的原因所在。 超高水材料水化物除鈣礬石外，還有鋁膠和彌散的團(tuán)絮無(wú)定形物質(zhì)，這些物質(zhì)共同形成鈣礬石網(wǎng)狀或針狀結(jié)構(gòu)。這種鈣礬石與鈣礬石、鈣礬石與凝膠物質(zhì)相互交錯(cuò)的多孔結(jié)構(gòu)是超高水材料持水量高的重要原因之一。 2.4 超高水材料漿液流變性 在實(shí)際工業(yè)應(yīng)用時(shí)，超高水材料從配置成漿液至混合，以及到使用地點(diǎn)，都需通過管路來(lái)完成。期間，漿液經(jīng)歷物理流動(dòng)及水化反應(yīng)的過程。因此，研究漿液的流變性能，對(duì)應(yīng)用設(shè)備選型、管路形式及使用點(diǎn)應(yīng)用方式的確定都具有重要意義。 2.4.1 A、B單漿液流體流變性 通常，A、B兩種單漿液輸送至使用點(diǎn)不超過2h，而A、B料單漿在靜置過程中，會(huì)有部分沉淀，影響測(cè)試結(jié)果。因此，為了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，采用SNB-2型數(shù)字式旋轉(zhuǎn)粘度計(jì)對(duì)水體積在95%～97%的A、B單漿在2h內(nèi)的表觀粘度進(jìn)行測(cè)試。試驗(yàn)過程如下：每次試驗(yàn)前將被測(cè)漿液重新攪拌使其處于紊流狀態(tài)，20s內(nèi)被測(cè)流體靜置并測(cè)量其粘度，每隔10min重復(fù)操作。 不同水體積A、B單漿的粘度隨時(shí)間變化不大，但隨著水體積的減少，粘度有所增大，B漿隨時(shí)間增加，粘度略有增大的趨勢(shì)。從工程應(yīng)用角度考慮，A、B單漿粘度仍屬低粘度，時(shí)間對(duì)單漿流體影響不大，可視為牛頓流體，因而為超高水材料漿液長(zhǎng)距離輸送提供了理論依據(jù)。 2.4.2 混合漿液流變性 超高水材料A、B單漿液混合后發(fā)生水化反應(yīng)并凝固，且能實(shí)現(xiàn)初凝時(shí)間在8～90min之間的按需調(diào)整，試驗(yàn)方法與單漿液的相同。 當(dāng)混合漿液接近凝結(jié)時(shí)間時(shí)，其粘度各曲線均出現(xiàn)拐點(diǎn)，之后粘度在極短時(shí)間內(nèi)迅速攀升，混合漿液很快失去流動(dòng)性，可見混合漿液已不再是牛頓流體，而為震凝性時(shí)變非牛頓流體。此外，在2/3凝結(jié)時(shí)間內(nèi)超高水材料混合漿液的粘度很小且基本無(wú)變化，混合漿液的輸送應(yīng)該在2/3凝結(jié)時(shí)間內(nèi)完成，以防止管路的堵塞。 2.5 超高水材料穩(wěn)定性分析 超高水材料固結(jié)體的主要成分是鈣礬石，水體積高達(dá)95%～97%，其穩(wěn)定性直接影響到材料的推廣與應(yīng)用。顯然，鈣礬石的穩(wěn)定性決定超高水材料固結(jié)體的穩(wěn)定性。常壓80℃下，鈣礬石是穩(wěn)定的，大于80℃鈣礬石逐漸變成無(wú)定形結(jié)構(gòu)，但在400℃以下滴水會(huì)重新生成鈣礬石，超過400℃逐漸分解成硬石膏，950℃時(shí)全部形成無(wú)水硫酸鈣及氧化鈣等。壓力約在3GPa時(shí)，鈣礬石開始失穩(wěn)，若繼續(xù)升高，鈣礬石轉(zhuǎn)化成無(wú)定型結(jié)構(gòu)。純鈣礬石在空氣中易與CO2作用分解為碳酸鈣、硫酸鈣和氫氧化鋁，這是通常情況下鈣礬石崩解的最主要原因。 2.5.1 超高水材料固結(jié)體自然風(fēng)化性 超高水材料固結(jié)體受風(fēng)化影響各齡期強(qiáng)度隨時(shí)間變化情況如圖2（b）所示，而對(duì)不同水體積分率的超高水材料固結(jié)體在風(fēng)化條件相同情況下的風(fēng)化程度也不近相同。 制備七個(gè)級(jí)別的超高水材料固結(jié)體標(biāo)準(zhǔn)試塊并稱重，而后將試塊四周懸空置于實(shí)驗(yàn)室自然通風(fēng)，風(fēng)化時(shí)間統(tǒng)一為28d。28d后稱量試塊質(zhì)量，計(jì)算其變化情況，得超高水材料固結(jié)體自然風(fēng)化狀態(tài)下質(zhì)量與水體積的變化規(guī)律。 超高水材料固結(jié)體在自然狀態(tài)下質(zhì)量減輕率與水體積大小有關(guān)。97%、95%、91%水體積的固結(jié)體試塊風(fēng)化后質(zhì)量減輕分別約為80%、70%和48%，即水體積越高，質(zhì)量減輕率越大，反之則小。可見，置于空氣中的超高水材料固結(jié)體一定時(shí)間后，大部分水分喪失，固結(jié)體完全失穩(wěn)。 2.5.2 超高水材料固結(jié)體熱穩(wěn)定性 對(duì)超高水材料固結(jié)體直接用明火烘烤來(lái)研究其熱穩(wěn)定性。將7個(gè)級(jí)別水體積固化齡期均為7d的固結(jié)體試塊放置在明火上烘烤，焰心最高溫度約為800℃左右，每隔5min稱量試塊質(zhì)量，烘烤時(shí)間50min。 在烘烤初始30min內(nèi)，試塊質(zhì)量減輕呈直線增長(zhǎng)，40min后，質(zhì)量減輕變緩，且耐火性與水體積關(guān)系密切，水體積越高，耐火性越差。這是因?yàn)殡S著烘烤時(shí)間的延長(zhǎng)，試塊外表面變質(zhì)而形成的松散層阻擋了明火對(duì)試塊進(jìn)一步的侵蝕，出現(xiàn)了隨烘烤時(shí)間延長(zhǎng)質(zhì)量減輕程度減緩的現(xiàn)象，而當(dāng)固結(jié)體水體積降低時(shí)，固結(jié)體密實(shí)度較高，抗烘烤能力增強(qiáng)。此外，在烘烤試塊過程中發(fā)現(xiàn)，烘烤后固結(jié)體表面松散，成細(xì)粉狀，與自然風(fēng)化相似，只是烘烤的過程更為快速。 從上述分析可知，水體積在95%～97%時(shí)，超高水材料固結(jié)體抗壓強(qiáng)度可根據(jù)水體積和外加劑配方的不同而進(jìn)行調(diào)節(jié)，且能實(shí)現(xiàn)初凝時(shí)間在8～90min之間的按需調(diào)整，其28d強(qiáng)度可達(dá)到0.66～1.5MPa。超高水材料A、B兩主料單漿液可持續(xù)30～40h不凝固，混合以后材料可快速水化并凝固，調(diào)整外加劑配方可改變材料性能，固結(jié)體初凝強(qiáng)度約為最終強(qiáng)度的20%，7h抗壓強(qiáng)度可達(dá)到最終強(qiáng)度的60%～90%，后期強(qiáng)度增長(zhǎng)趨勢(shì)較慢。超高水材料固結(jié)體由鈣礬石、鋁膠和游離水構(gòu)成，其中，鈣礬石是其中的主要物質(zhì)。水體積大于95%的材料稱為超高水材料，而小于95%的材料為普通高水材料。超高水材料的水灰比可達(dá)11:1，而普通高水材料水灰比為2.5:1左右，兩者用水量相差甚大。 3 超高水材料采空區(qū)充填工藝系統(tǒng) 超高水材料充填開采工藝系統(tǒng)包括超高水材料制漿系統(tǒng)、輸送系統(tǒng)和采空區(qū)充填三部分。制漿系統(tǒng)可置于井下，也可在地面，由A、B兩條生產(chǎn)線組成，兩生產(chǎn)線布置方式完全相同，完全由PLC（數(shù)字運(yùn)算操作電子系統(tǒng)的可編程邏輯控制器）控制，攪拌完成的單料漿分別放入相應(yīng)的緩沖池。 輸送系統(tǒng)由泥漿泵、輸送管路和混合器組成。待緩沖池內(nèi)單料漿液累積到一定量后，同時(shí)開啟A、B柱塞泵，經(jīng)輸送管路將A、B漿液輸送到工作面附近的混合器，混合漿液最后經(jīng)混合管到達(dá)采空區(qū)充填作業(yè)點(diǎn)。 超高水材料采空區(qū)充填方法主要有開放式、袋式和混合式分段阻隔式四種。 4 超高水材料采空區(qū)充填方法 將超高水材料漿液輸送至工作面后，可通過以下兩種方式將其保持在采空區(qū)并凝固：①利用超高水材料漿液良好的流動(dòng)性令其自然流淌與漫溢直至充滿整個(gè)采空區(qū)；②可通過管路將其導(dǎo)引至預(yù)先設(shè)置于采空區(qū)的封閉空間或袋包內(nèi)，使其按要求成形固結(jié)體。這兩種基本方法相互組合又可形成新的充填方法，其適應(yīng)性更強(qiáng)。 4.1 開放式充填法 該方法是指在仰斜開采條件下，對(duì)采空區(qū)不進(jìn)行任何調(diào)控，完全利用超高水材料漿液的自流性將采空區(qū)充滿，凝固后的充填體與垮矸以及圍巖形成一個(gè)完整的結(jié)構(gòu)體來(lái)控制上覆巖層活動(dòng)。 直接頂垮落步距大于采空區(qū)懸頂距離時(shí)，充填可使直接頂不垮，但開放式充填不考慮直接頂穩(wěn)定與否，若直接頂垮落，超高水材料漿液仍可將垮矸間縫隙充滿，阻止垮矸被壓實(shí)，由此減小地表下沉率。 4.1.1 充填過程分析 為了保證充填效果，應(yīng)該盡量防止直接頂垮落，嚴(yán)格按照以下步驟進(jìn)行充填工作： （1）首先根據(jù)充填開采工作面圍巖條件并結(jié)合同煤層已開采工作面直接頂?shù)目迓淝闆r估算出該面直接頂垮落步距，然后結(jié)合煤層厚度、傾角以及賦存條件確定充填可否使直接頂不垮落。 （2）若開放式充填能使直接頂不垮落，自開切眼始，工作面推進(jìn)距離接近直接頂垮落步距時(shí)，必須對(duì)采空區(qū)進(jìn)行充填直至圖2所示狀態(tài)，之后隨采隨充。充填結(jié)束時(shí)，兩巷起封閉墻，將采空區(qū)充滿。 （3）若不能阻止直接頂垮落，則可根據(jù)地表的減沉要求及上覆巖層情況，進(jìn)行若干（據(jù)實(shí)際情況而定）班采煤后將采空區(qū)垮矸間縫隙一次性充填。充填結(jié)束時(shí)，處理方式同上。 4.1.2 開放式充填優(yōu)缺點(diǎn) 從以上的分析可知，開放式充填的優(yōu)點(diǎn)有：①充填與開采互不影響，工作面產(chǎn)量不受充填工藝制約；②充填工藝簡(jiǎn)單，工作面支架不需改造；③直接頂垮落與否不影響充填工作，人員作業(yè)不在采空區(qū)，充填過程安全可靠；④充填速度快，與采煤同步；⑤人員需求少，勞動(dòng)強(qiáng)度低，易于組織與管理；⑥充填后采空區(qū)密實(shí)效果很好，對(duì)采場(chǎng)頂?shù)装逋凰?、采空區(qū)浮煤自燃以及瓦斯突出有防控作用。 開放式充填的不足也是顯而易見的：當(dāng)采高較大、煤層傾角較小或頂板條件不好時(shí)，充填難以阻止頂板垮落，從而導(dǎo)致井下充填效果不能直觀地顯現(xiàn)出來(lái)。此外，當(dāng)工作面涌水較大時(shí)，對(duì)充填效果有一定影響，需采取疏水措施。 4.1.3 適用條件 超高水材料采空區(qū)充填利用了超高水材料漿液的高流動(dòng)性這一重要特點(diǎn)，工作面的煤層的傾角越大越有利于超高水材料漿液的流動(dòng)，也有利于提高超高水材料的充填率，從而更有利于控制上覆巖層活動(dòng)。但煤層傾角過大又不利于采面進(jìn)行采煤。故，超高水材料開放式充填工藝適用于煤層傾角較大且可進(jìn)行仰斜開采的工作面。另外，在煤層傾角及采空區(qū)圍巖條件一定的情況下，煤層回采厚度決定工作面后方的懸頂距離，需要考慮直接頂不垮或充填減沉率較大時(shí)，就必須考慮可采煤厚或采取一定的措施。 4.2 袋式充填法 該方法將超高水材料漿液通過管路充入預(yù)先在采空區(qū)設(shè)置好的充填袋內(nèi)，凝固后的充填體控制上覆巖層活動(dòng)。 4.2.1 充填過程分析 該方法需要專門的充填支架，采煤與充填工作協(xié)調(diào)進(jìn)行。 （1）根據(jù)煤層厚度、采煤進(jìn)尺及圍巖條件確定并制作一定尺寸的柔性充填袋。 （2）自開切眼始，即在支架后方架設(shè)充填袋。 （3）用專用柔性管路把混合好的超高水材料漿液灌入充填袋內(nèi)，凝固后形成充填體。 （4）袋內(nèi)超高水材料固結(jié)體穩(wěn)固后，采煤并前移支架，回采尺寸和充填袋寬度相近時(shí)停止采煤，支架后方架設(shè)充填袋并充填。如此循環(huán)，直至進(jìn)行完整個(gè)工作面。 4.2.2 袋式充填優(yōu)缺點(diǎn) 從圖10可知，袋式充填的優(yōu)點(diǎn)有：①能適用于現(xiàn)有大多數(shù)采煤方法與回采工藝條件下的采空區(qū)充填要求；②可直接控制直接頂，充填效果直觀；③受工作面涌水影響小。此外，該方法還可根據(jù)需要進(jìn)行兩巷沿空留巷。 不足：①充填袋架設(shè)工序與勞動(dòng)組織較復(fù)雜，工作量較大，對(duì)作業(yè)環(huán)節(jié)安全要求高；②充填與回采兩工藝存在相互影響，配合管理技術(shù)要求高。 4.2.3 適用條件 與開放式充填相比，袋式充填適用性更廣，特別是對(duì)水平或近水平條件下的煤層有較好的適應(yīng)性。但在采高過大時(shí)，難以架設(shè)充填袋，不適宜運(yùn)用袋式充填開采。 4.3 混合式充填法 該方法將袋式充填和開放式充填相結(jié)合，采空區(qū)部分采用袋式充填，只要保證頂板短期內(nèi)不垮即可，工作面推進(jìn)一定距離后用充填袋將采空區(qū)未充填的部分封閉，然后向內(nèi)充入超高水材料漿液，這種方法也適合于兩巷沿空留巷。 4.3.1 充填過程分析 （1）確定充填袋長(zhǎng)度L1與充填袋間隔距離L2，其值與采場(chǎng)參數(shù)、頂板巖層條件、煤層傾角和采高等因素有關(guān)； （2）將工作面分成若干區(qū)域，間隔布置充填袋，如圖4所示； （3）視情況對(duì)兩充填袋之間的剩余空間進(jìn)行開放式或封閉后充填。 4.3.2 混合式充填優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件 混合式充填與袋式充填相比，減少了吊掛充填袋的工作量，提高了充填效率，降低了充填成本；與開放式充填相比，可應(yīng)用于水平及近水平煤層，適應(yīng)性增強(qiáng)。這也是混合式充填的優(yōu)點(diǎn)，集合了兩者的長(zhǎng)處，改進(jìn)了部分不足，但仍存在勞動(dòng)組織較復(fù)雜、充填與開采相互影響等不足?；旌鲜匠涮钜残枰茉O(shè)充填袋，適用于采高較小的充填工作面。 4.4 分段阻隔式充填法 該方法是在工作面推進(jìn)一定距離后，在工作面后方構(gòu)筑一條隔離墻，然后將超高水材料漿液充入被隔離的采空區(qū)內(nèi)。 隔離墻可借鑒袋式充填中的方法在工作面后方設(shè)置若干充填體，墻體厚度可根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)整。在炮采或普采工作面，若底板松軟或?yàn)槟鄮r，又或粘泥來(lái)源豐富方便，隔離墻則可用簡(jiǎn)易隔離墻。 4.4.1 充填過程分析 （1）估算出直接頂垮落步距，為安全考慮，按0.7倍垮落步距（X1）對(duì)充填與采煤工作進(jìn)行分段，即工作面每推進(jìn)0.7倍垮落步距進(jìn)行一次充填； （2）工作面推進(jìn)0.7倍垮落步距后停止采煤，為充填構(gòu)筑隔離墻； （3）若采用充填袋構(gòu)筑隔離墻，充入袋內(nèi)的超高水材料水體積含量需要小于采空區(qū)漫灌的超高水材料水體積含量，以便于提高隔離墻強(qiáng)度。 （4）若采用圖6所示的簡(jiǎn)易隔離墻，需采用質(zhì)量較好的塑料布，用粘泥壓實(shí)塑料布時(shí)務(wù)必要細(xì)致，防止充填時(shí)漏漿。 4.4.2 分段阻隔式充填優(yōu)缺點(diǎn)及適用條件 分段阻隔式充填的優(yōu)點(diǎn)：與開放式相比，能完全阻止頂板垮落，充填效果更直觀；與袋式、混合式相比，對(duì)采煤工作的影響變小，勞動(dòng)組織較簡(jiǎn)單，工作量也減小。存在的主要問題是構(gòu)筑隔離墻時(shí)，存在安全隱患，需要專門的充填支架、支柱與之配合。因此，分段阻隔式充填法適用于煤層頂板比較穩(wěn)定，采高不大的緩傾斜或傾斜充填工作面。 4.5 其他充填方法 超高水材料由于其良好的性能，不僅有其獨(dú)特的充填工藝系統(tǒng)和充填開采方法，而且在其它的充填方法中也可得到應(yīng)用。以矸石和粉煤灰為主要充填骨料的覆巖離層注漿充填技術(shù)以及部分充填開采技術(shù)（包括短壁間隔條帶充填、覆巖離層分區(qū)注漿和條帶開采冒落區(qū)注漿充填技術(shù)）均可將超高水材料作為充填材料。 5 充填開采工程應(yīng)用 邯鄲礦業(yè)集團(tuán)陶一煤礦和臨沂礦業(yè)集團(tuán)田莊煤礦的資源儲(chǔ)量中建筑下壓煤非常嚴(yán)重，可采儲(chǔ)量中可供工作面正常布置的區(qū)域因地面村莊建筑物影響而變得不連續(xù)，嚴(yán)重影響了礦井開采的正常接續(xù)和生產(chǎn)效率。自2008年9月以來(lái)，超高水材料采空區(qū)充填開采技術(shù)分別在陶一煤礦12701上01面、02面、03面、05面和田莊煤礦11611充填面進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用，均采用仰斜充填開采。各面充填后成本大致相同，充填噸煤綜合成本增加約66.92元，占充填開采噸煤總成本的22.5%。此外，該技術(shù)在邢礦集團(tuán)邢東煤礦、永煤集團(tuán)城郊煤礦、新光集團(tuán)劉東煤礦等各大煤礦正在或即將進(jìn)行工業(yè)應(yīng)用。 應(yīng)用效果：目前，運(yùn)用超高水材料采空區(qū)充填開采技術(shù)已成功開采出煤炭資源約50萬(wàn)噸，直接經(jīng)濟(jì)效益約1.5億。充填后，采空區(qū)密實(shí)效果良好，截止目前地表觀測(cè)結(jié)果顯示，地表移動(dòng)變形量很小，超高水材料采空區(qū)充填完全滿足保護(hù)地面設(shè)施的要求。超高水材料采空區(qū)充填效果良好，能滿足“三下”壓煤開采的需求。 6 結(jié)論 （1）在井下潮濕、低溫、封閉的采空環(huán)境下，超高水材料是一種理想的“三下”充填材料； （2）超高水材料制漿系統(tǒng)能生產(chǎn)出連續(xù)的超高水材料漿液，該系統(tǒng)可置于井下，也可在地面； （3）超高水材料開放式充填可實(shí)現(xiàn)充填與開采平行作業(yè)，互不影響，有利于綜采工作面的高產(chǎn)高效； （4）超高水材料采空區(qū)充填開采技術(shù)具有充填工藝簡(jiǎn)單，初期投資低，勞動(dòng)強(qiáng)度低，充填成本低，機(jī)械化程度高，實(shí)際應(yīng)用與操作方便，對(duì)煤礦地質(zhì)條件適應(yīng)性強(qiáng)等顯著優(yōu)點(diǎn)； （5）超高水材料在堵水、壁后充填、離層注漿、火災(zāi)預(yù)防等方面，具有良好的發(fā)展應(yīng)用前景； （6）超高水材料采空區(qū)充填后，采空區(qū)密實(shí)效果良好，能有效控制地表移動(dòng)變形，完全滿足“三下”壓煤開采要求； （7）超高水充填材料與充填技術(shù)是煤礦采空區(qū)充填技術(shù)的一大革新，符合科學(xué)采礦的理念，是未來(lái)采空區(qū)充填的發(fā)展方向之一。

作品圖片

  • 用于煤礦采空區(qū)充填的超高水材料及其充填方法
  • 用于煤礦采空區(qū)充填的超高水材料及其充填方法
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作品專業(yè)信息

設(shè)計(jì)、發(fā)明的目的和基本思路、創(chuàng)新點(diǎn)、技術(shù)關(guān)鍵和主要技術(shù)指標(biāo)

針對(duì)我國(guó)煤礦“三下”壓煤量大及目前充填開采方法在應(yīng)用中存在的不足，發(fā)明了用于采空區(qū)充填的一種新型材料及相應(yīng)的采空區(qū)充填方法，并成功應(yīng)用于工程實(shí)踐，為“三下”壓煤提供了新思路、新方法。 基本思路是結(jié)合超高水材料的基本性能，設(shè)計(jì)出合理可行的充填工藝系統(tǒng)，選擇合適的超高水材料漿液制備及泵送設(shè)備等，并研究出適用于各種煤礦地質(zhì)條件下的采空區(qū)充填方法。 創(chuàng)新點(diǎn)為研制出超高水充填材料及與之相適應(yīng)的大流量制漿充填工藝系統(tǒng)，發(fā)明了適應(yīng)于各種煤礦地質(zhì)條件下的采空區(qū)充填方法。 技術(shù)關(guān)鍵為研制出超高水充填材料及與之相適應(yīng)的大流量制漿充填工藝系統(tǒng)，發(fā)明超高水材料采空區(qū)充填方法。 主要的技術(shù)指標(biāo)是超高水材料固結(jié)體的水體積分率和水固比分別可達(dá)97%和11:1，初凝時(shí)間為20～90min，固結(jié)體最終抗壓強(qiáng)度為0.66～1.5MPa，能夠很好地滿足采空區(qū)充填要求，且充填工藝簡(jiǎn)單、充填成本較低、機(jī)械化程度高、充填與回采互不影響。

科學(xué)性、先進(jìn)性

超高水材料固結(jié)體的水體積分率和水固比分別可達(dá)97%和11:1，具有早強(qiáng)快硬、兩主料單漿（A或B漿液）流動(dòng)性好、初凝時(shí)間可調(diào)等特點(diǎn)，生成的固結(jié)體不收縮，體應(yīng)變小，在三向受力狀態(tài)下有良好的不可壓縮性?？梢?，在井下密閉、潮濕、低溫的采空區(qū)中，超高水材料是一種非常好的充填材料 超高水材料采空區(qū)充填方法主要有開放式、袋式、混合式和分段阻隔式四種,各種方法均能夠很好地滿足保護(hù)地面設(shè)施要求，且與其他充填開采技術(shù)相比，充填工藝簡(jiǎn)單、初期投入少，機(jī)械化程度高。 超高水材料含水量超高，用于煤礦采空區(qū)充填可使大量的礦井廢水在井下得到直接處理，從而達(dá)到減少礦井排水費(fèi)用保護(hù)地面環(huán)境的目的。 設(shè)計(jì)出的充填工藝系統(tǒng)全部采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備，充填泵站設(shè)備總投資只有200多萬(wàn)元，而煤礦其他充填技術(shù)的設(shè)備初期投資都在2000萬(wàn)元以上，有的甚至在1億元以上，相比之下，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、占用空間少、自動(dòng)化程度高、初期投入低、漿體配比準(zhǔn)確性高、易于控制等優(yōu)點(diǎn)。 超高水材料及其充填開采方法屬國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。

獲獎(jiǎng)情況及鑒定結(jié)果

獲得2010年3月煤炭工業(yè)科學(xué)技術(shù)一等獎(jiǎng)

作品所處階段

推廣應(yīng)用階段

技術(shù)轉(zhuǎn)讓方式

有償技術(shù)轉(zhuǎn)讓

作品可展示的形式

實(shí)物、產(chǎn)品、模型、現(xiàn)場(chǎng)演示、圖片、錄像、樣品

使用說(shuō)明,技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì),適應(yīng)范圍,推廣前景的技術(shù)性說(shuō)明,市場(chǎng)分析,經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)

使用說(shuō)明：將兩種單液漿體通過管路泵送到待充填采空區(qū)附近后，通過三通實(shí)現(xiàn)混合，然后將混合漿液直接注入采空區(qū)或充入預(yù)先在采空區(qū)設(shè)置好的充填袋內(nèi)，凝固后的充填體控制上覆巖層活動(dòng)。 作品的技術(shù)特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)：超高水材料水體積和水灰比分別可達(dá)97%和11:1。其充填開采技術(shù)初期投入少、充填工藝簡(jiǎn)單、機(jī)械化程度高、充填成本低，相比其他材料的采空區(qū)充填技術(shù)有明顯優(yōu)勢(shì)。 適應(yīng)范圍：目前主要用于煤礦采空區(qū)充填，可廣泛用于所有井工開采礦床的采空區(qū)、廢棄巷道等廢棄空洞的充填以及防滅火等領(lǐng)域。 推廣前景的技術(shù)說(shuō)明：目前已經(jīng)在邯鄲礦業(yè)集團(tuán)陶一煤礦、臨沂礦業(yè)集團(tuán)田莊煤礦、邢臺(tái)礦業(yè)集團(tuán)邢東煤礦等各大煤礦得到了成功應(yīng)用，超高水材料充入采空區(qū)后能夠很好地控制采空區(qū)上覆巖層的活動(dòng)并保護(hù)地表環(huán)境，且該技術(shù)初期投入少，充填成本低，具有很好的推廣前景。 市場(chǎng)分析和經(jīng)濟(jì)效益預(yù)測(cè)：采用該材料進(jìn)行采空區(qū)充填的噸煤充填成本為65～80元，具有很高的經(jīng)濟(jì)效益。

同類課題研究水平概述

煤礦采空區(qū)充填主要包括三方面的內(nèi)容：充填材料、充填設(shè)備和充填方法。 充填材料方面：目前用于煤礦采空區(qū)充填的材料主要有水砂、矸石、膏體和超高水材料等。水砂充填最大的優(yōu)點(diǎn)在于地表減沉率較大，但其存在基礎(chǔ)投資大、工作面環(huán)境差、勞動(dòng)強(qiáng)度大、充填成本高等缺點(diǎn)。矸石充填的優(yōu)點(diǎn)在于可以處理固體廢棄物，變廢為寶，但仍存在充填對(duì)開采的影響大、采空區(qū)密閉效果不好、勞動(dòng)強(qiáng)度大等缺點(diǎn)。膏體充填的優(yōu)越性體現(xiàn)在經(jīng)濟(jì)和環(huán)保方面，但具有充填成本較高、初期投資大、對(duì)設(shè)備的要求高等缺點(diǎn)。采用超高水材料充填采空區(qū)成本較低、機(jī)械化程度高、充填工藝簡(jiǎn)單、采空區(qū)密閉效果好，而且還可以大量利用井下廢水，達(dá)到保護(hù)地面環(huán)境的目的。 超高水材料漿液配制及泵送設(shè)備方面：用于超高水材料漿液配制及輸送的制漿系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)全部采用國(guó)產(chǎn)設(shè)備，泵站設(shè)備總投資200多萬(wàn)元。制漿系統(tǒng)和輸送系統(tǒng)具有穩(wěn)定性好、占用空間小、自動(dòng)化程度高、初期投入低、材料配比準(zhǔn)確性高、實(shí)際應(yīng)用與操作方便等優(yōu)點(diǎn)，能為采空區(qū)充填提供連續(xù)的超高水材料漿液。 采空區(qū)充填方法方面：目前用于超高水材料的采空區(qū)充填方法主要有開放式、袋式、混合式和分段阻隔式四種。開放式充填法主要適應(yīng)于仰斜開采的工作面采空區(qū)充填，利用超高水材料漿液良好的流動(dòng)性使其自行流入采空區(qū)，凝固后的充填體控制上覆巖層活動(dòng)，充填工藝非常簡(jiǎn)單，充填與開采互不影響，具有其它采空區(qū)充填方法所無(wú)法比擬的優(yōu)勢(shì)。袋式充填法可適用于各種開采條件的工作面采空區(qū)充填，是將超高水材料漿液通過管路充入預(yù)先在采空區(qū)設(shè)置好的充填袋內(nèi)，凝固后的充填體控制上覆巖層活動(dòng)，該方法充填效果直觀，不受工作面涌水的影響，且充填后工作面兩巷都可完整地保留下來(lái)，達(dá)到沿空留巷的目的?；旌鲜匠涮罘ㄊ乔皟煞N方法的結(jié)合，兼具有二者的優(yōu)缺點(diǎn)。分段阻隔式充填法是在工作面推進(jìn)一定距離后，在工作面后方構(gòu)筑一條隔離墻，然后將超高水材料漿液充入被隔離的采空區(qū)內(nèi)。這幾種充填方法都是針對(duì)超高水材料的特性發(fā)明的專用采空區(qū)充填方法，是其他煤礦充填開采技術(shù)所不具有的，可根據(jù)工作面情況及礦方要求適當(dāng)選用。 超高水材料及其充填開采技術(shù)屬國(guó)內(nèi)外首創(chuàng)，達(dá)到世界領(lǐng)先水平。
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