專題-超高水材料充填開采基礎(chǔ)理論及其工程應(yīng)用.pdf

- 97 - 超高水材料充填開采基礎(chǔ)理論及其工程應(yīng)用超高水材料充填開采基礎(chǔ)理論及其工程應(yīng)用 Basic Theory of Superhigh-water Packing Material and Filling Mining and Their Engineering Application 摘要：摘要：當(dāng)前我國煤炭開采面臨諸多有待解決的難題，其中“三下” （即鐵路下、村莊下 和水體下）壓煤數(shù)量巨大，妨礙煤礦企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。同時(shí)煤炭開采造成大面積地表 沉陷和民房破裂，矸石山堆積引發(fā)自燃發(fā)火等嚴(yán)重環(huán)境污染問題。基于以上突出問題， 煤炭綠色開采已成為我國煤炭進(jìn)一步發(fā)展的必由之路， 超高水材料充填采煤理論與技術(shù) 是解決上述問題的不二選擇。本文在結(jié)合邯鄲陶一礦工程實(shí)例的基礎(chǔ)上，詳述超高水材 料的特性及其配比、充填采煤關(guān)鍵技術(shù)和具體工藝流程以及工程應(yīng)用。實(shí)踐證明，超高 水充填采煤技術(shù)能有效減少地面沉降和矸石排放，極大地解放了數(shù)量巨大的“三下”壓 煤，為礦山企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)價(jià)值。 關(guān)鍵詞：關(guān)鍵詞：超高水充填材料；充填采煤技術(shù)；工程應(yīng)用 Abstract: Abstract: At present, Chinas coal mining faces many problems need to be solved, including the “three under“ (that is, under the railway, the village and under the water), the huge 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 the houses of the people, the gangue accumulation caused by spontaneous combustion serious environmental pollution problems. Based on the above problems, green coal mining has become the only way for the further development of Chinas coal, super high water material filling mining theory and technology is to solve the problem of choice. In this paper, based on the case of the Handan ceramic mine project, the characteristics and the ratio of super high water material, the key technology of filling coal mining, the specific technological process and the engineering application are described in this paper. Practice has proved that the ultra high water filling mining technology can effectively reduce the ground settlement and waste emissions, greatly liberating a huge number of under pressure of coal, for the sustainable development of mining enterprises laid a solid foundation, to achieve good economic and social value. Key words:Key words: super high water filling material; filling mining technology; engineering application - 98 - 1 緒論 我國長久以來采用的采煤方法已經(jīng)產(chǎn)生諸多亟待解決的社會(huì)矛盾和環(huán)保難題。 傳統(tǒng) 的長壁式采煤法處理采空區(qū)，容易導(dǎo)致采動(dòng)影響波及地表，造成房屋拉伸式破裂和大面 積地表開裂；采動(dòng)裂隙的發(fā)育和貫穿將進(jìn)一步破壞地下水系，打亂地下水循環(huán)，加劇荒 漠化趨勢(shì)并影響居民生產(chǎn)生活用水；井工礦開采地下煤炭資源需要建設(shè)復(fù)雜的井巷系統(tǒng) 和附屬構(gòu)筑空間，不可避免地將大量矸石從地下提升到地面堆積，誘發(fā)矸石山自燃和崩 塌事故。 在面臨日益嚴(yán)峻的環(huán)保壓力的同時(shí)，我國淺部煤炭資源經(jīng)歷幾十年高強(qiáng)度的開采， 可采儲(chǔ)量日漸下降，迫使煤炭開采逐漸從淺部開采向深部開采發(fā)展。而深部開采將面臨 高地溫、高地應(yīng)力和高滲透壓的開采環(huán)境，容易發(fā)生沖擊地壓并誘發(fā)瓦斯災(zāi)害。而與此 相對(duì)應(yīng)的是，我國的“三下” （鐵路下、村莊下和水體下）壓煤數(shù)量巨大，工業(yè)廣場下 設(shè)留保護(hù)煤柱的煤炭資源數(shù)量也十分可觀。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國“三下”滯壓煤炭資 源數(shù)量可達(dá) 143 億 t。以十對(duì)年產(chǎn)千萬噸礦井計(jì)算，可供其開采一百五十年左右。 基于以上問題，錢鳴高院士于本世紀(jì)之初提出“綠色開采”體系。充填開采作為其 體系中的重要組成部分，已成為解決煤炭開采所面臨的環(huán)保問題和釋放“三下”和工業(yè) 廣場下壓滯煤炭資源的必然選擇，是保障我國煤炭工業(yè)可持續(xù)發(fā)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，具有充填凝固速度快，充填流體含水率大、泵 送性能優(yōu)良和無毒無害等特點(diǎn)， 且能在凝固之后使充填體有較高的強(qiáng)度和優(yōu)良的 “恒阻” 特性，可有效地減少地面開裂和沉降。 2 超高水材料充填采煤技術(shù)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀及問題 我國煤炭開采形式以井工開采為主。 充填采礦法有提高煤炭回采率， 充分利用資源， 有效控制地壓，減少或消除地表沉降及可在“三下”開采等優(yōu)點(diǎn)，加上采空區(qū)可以用廢 石來充填，可減少矸石等廢物的堆放及環(huán)境污染，改善礦區(qū)周圍生態(tài)環(huán)境，是錢鳴高院 士倡導(dǎo)的煤礦綠色開采的重要組成部分?；谶@些優(yōu)點(diǎn)，在我國目前的能源狀況及形勢(shì) 下，充填采礦法越來越受到人們的重視，充填工藝技術(shù)也在充填采礦法不斷改造與發(fā)展 的過程中得到創(chuàng)新與發(fā)展。 2.1 國外研究概況 高水充填材料的研究可追溯到上個(gè)世紀(jì) 80 年代初英國的巷旁泵送充填技術(shù)， 由英 國煤炭研究院（MRDE）研發(fā)的一種稱為“Aquapak”的混合水泥膠結(jié)料，它可以在水 量很高（水體積達(dá)到 85%）的情況下固結(jié)，Aquapak 用料量約為 500kg/m3。大約兩年 后（1982 年） ，另一種叫做 Tekpak 的材料問世，其性能又優(yōu)于 Aquapak，材料用量減 少到 364 kg/m3，而可泵時(shí)間則由 Aquapak 的 45 min 增加到 Tekpak 的 180 min。相 應(yīng)成本由 52.06/m3 降為 43.49/m3。Aquapak 由分別叫做 Aquacem 和 Aquabent - 99 - 的兩種物料構(gòu)成， 兩種物料按 1:1 的比例與水拌和， 然后分別送到充填地點(diǎn)混合， 20 min 后固化，2 小時(shí)強(qiáng)度可達(dá) 0.4 MPa/m2。 2.2 國內(nèi)研究概況 我國最早開展高水材料的研究是在上個(gè)世紀(jì) 80 年代中期， 由中國礦業(yè)大學(xué)校本部 ZKD 高 水速凝材料及高水灰渣充填材料，于 1991 年通過煤炭部鑒定。ZKD 高水充填材料由 石家莊水泥制品廠工業(yè)化生產(chǎn)后，經(jīng)煤炭部高水充填材料檢驗(yàn)中心檢測(cè)，各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo) 達(dá)到或超過國際先進(jìn)水平。其主要性能指標(biāo)水灰比 2.5:1；初凝時(shí)間 6 分鐘；可泵時(shí)間 大于 24 小時(shí)；抗壓強(qiáng)度分別為 2 小時(shí) 2.05MPa，24 小時(shí) 3.97MPa，7 天 5.08MPa。 隨后又承擔(dān)了國家“八五”重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目“沿空留巷機(jī)械化構(gòu)筑護(hù)巷帶技術(shù)” ，對(duì) 材料及其泵送充填技術(shù)又進(jìn)行了深入的研究， 并在新汶礦務(wù)局翟鎮(zhèn)煤礦進(jìn)行了井下工業(yè) 性試驗(yàn)研究。 與此同時(shí)，中國礦業(yè)大學(xué)北京研究生部也研制成功高水材料，并把材料用于金屬礦 山，完成了金屬礦山全尾砂速凝固化膠結(jié)充填技術(shù)的工業(yè)性應(yīng)用。此后，高水充填材料 在全國范圍內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用研究，在巷旁充填、注漿堵水、油井堵水、采空區(qū)及煤 層火區(qū)滅火、三軟煤層的注水防塵封孔、軟土地基處理、壁后充填、軟巖加固、港口工 程以及非煤礦區(qū)的膠結(jié)充填等方面得到了廣泛的應(yīng)用。 2.3 存在的問題 目前我國的煤炭資源狀況及開采現(xiàn)狀，無論從保護(hù)資源、提高資源回收利用率，抑 或從保護(hù)環(huán)境，減少生態(tài)破壞及環(huán)境污染的度來分析，充填開采都是最好的選擇，而膠 結(jié)充填又是各充填開采方法中較好充填方法之一。用充填法進(jìn)行采礦對(duì)充分回收煤炭資 源，提高資源回收率，延長礦井服務(wù)年限，控制地表沉陷并實(shí)現(xiàn)“三下一上”采煤，減 少生態(tài)環(huán)境破壞等均有一定的經(jīng)濟(jì)效益、社會(huì)效益和環(huán)境效益，具有廣闊的發(fā)展前景。 膠結(jié)充填的核心是充填膠結(jié)材料。對(duì)充填膠結(jié)材料的要求有以下幾個(gè)方面： （1）盡 可能的降低充填成本； （2）充填工藝簡單易行； （3）有好的環(huán)境效益，可以充分利用如 矸石、尾砂等廢料； （4）材料具有良好的強(qiáng)度與凝結(jié)性能。 現(xiàn)有的膠結(jié)材料中，赤泥膠結(jié)材料具有許多優(yōu)良的性能，而礦渣膠結(jié)材料在達(dá)到相 同或相近充填效果的前提下，成本僅為普通水泥充填的一半左右，具有明顯的技術(shù)和經(jīng) 濟(jì)優(yōu)勢(shì)。此外，二者均可實(shí)現(xiàn)全尾砂膠結(jié)充填抑或膏體泵送充填，對(duì)充分利用尾砂、煤 矸石、粉煤灰等廢料，減少環(huán)境污染具有重要作用。但二者依托的充填開采技術(shù)皆為高 濃度全尾砂膠結(jié)充填及膏體泵送充填。前者在生產(chǎn)實(shí)踐中，目前依然存在制漿技術(shù)難度 較大的問題，尤其是利用全尾砂造漿時(shí)，難以達(dá)到預(yù)期的濃度；高濃度料漿輸送存在一 定的困難；輸送及參數(shù)控制設(shè)備技術(shù)要求較高，在目前的條件下難以在一般礦山全面推 - 100 - 廣應(yīng)用。而后者的主要優(yōu)點(diǎn)是充填料漿濃度高，減少了水泥用量，降低了充填成本；充 填體收縮率小，接頂率高，充填質(zhì)量好，強(qiáng)度較高；采場無任何溢流水，改善了井下作 業(yè)環(huán)境，節(jié)省了排水及清理污泥的費(fèi)用。但全尾砂膏體泵送充填存在一次性投資大，泵 壓輸送技術(shù)要求很高以及輸送管子容易堵塞等問題， 在推廣應(yīng)用過程中存在的困難較明 顯。 而上述論及的赤泥膠結(jié)料的生產(chǎn)受到地域性限制， 使用時(shí)存在過高的遠(yuǎn)程運(yùn)輸費(fèi)用， 往往使充填成本大幅度增加，使用戶難以承受。 高水速凝固化材料膠結(jié)充填的優(yōu)點(diǎn)是：用水量比較高，使用時(shí)具有良好的懸浮性， 使前述充填料漿的懸浮性和流動(dòng)性得到改善，可實(shí)現(xiàn)中低濃度料漿的水力輸送，避免了 高濃度料漿輸送困難的問題，簡化了工藝過程，減少了運(yùn)行成本。但采用純高水材料采 空區(qū)充填時(shí)， 噸煤成本很高， 按目前價(jià)格噸煤成本大概在 300 元及以上， 企業(yè)難以承受， 另一方面高水材料來源較少，成為推廣應(yīng)用的另一障礙。 若能研制出一種新型充填材料，既具有高水材料性能上的優(yōu)點(diǎn)，又具有應(yīng)用時(shí)充填 工藝簡單，特別是使單位體積材料用量能大幅度減少，充填成本顯著降低，材料來源受 限問題得到解決， 則煤礦充填開采技術(shù)就有可能在采空區(qū)充填領(lǐng)域得到廣泛的推廣與應(yīng) 用，使我國的充填開采技術(shù)走向一個(gè)新的階段。超高水充填材料開發(fā)研究的想法由此產(chǎn) 生。 因此，在高水材料研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提高水固比、大幅度降低材料用量是本課 題的指導(dǎo)思想。以此為指導(dǎo)，從理論上研究高水材料的形成機(jī)理，探索超高水材料開發(fā) 的科學(xué)依據(jù)。以此為基礎(chǔ)，展開對(duì)超高水材料的研究。若此材料及其相關(guān)充填工藝系統(tǒng) 能夠研制成功，則必將成為推進(jìn)我國礦山膠結(jié)充填開采技術(shù)向前發(fā)展的重要方法之一， 為我國礦山資源的充分利用及在我國進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)綠色開采做出應(yīng)有的貢獻(xiàn)。 研究的超高水充填材料應(yīng)具有以下特征：固結(jié)體持水量高，固體料用量少，密實(shí)度 高，其水含量超過現(xiàn)有任何膠結(jié)材料；漿體流動(dòng)性好，可灌性強(qiáng)；材料來源廣，成本低； 與矸石、巖石及多數(shù)工業(yè)廢棄固體物應(yīng)有良好的膠結(jié)性；具有速凝早強(qiáng)，固結(jié)體在三維 受力環(huán)境下抗壓縮能力強(qiáng)，滿足采空區(qū)充填要求。而研究的充填工藝系統(tǒng)應(yīng)簡單，操作 簡便，適應(yīng)性強(qiáng)，可遠(yuǎn)距離輸送，安全可靠；材料制備系統(tǒng)簡單，自動(dòng)化程度高，易于 井上井下構(gòu)建。 3 超高水充填材料形成機(jī)理研究 對(duì)鈣礬石容水量的分析可知，理論上鈣礬石可持留自身體積 95%的水分。這說明 若想制得超高水材料，應(yīng)形成盡可能多的鈣礬石。 鈣礬石在大多數(shù)的硬化水泥漿中都有存在，當(dāng)水泥中含有 CaO、Al2O3 與 CaSO4 等成分時(shí)，理論上就有了鈣礬石形成的條件。因此，從各水泥中尋找鈣礬石形成需要的 物質(zhì)，以滿足制備超高水材料的需求。 要實(shí)現(xiàn)超高水材料的超高水含量，其有效成分含量必須盡可能的高，且相互之間要 - 101 - 有合適的比例。一些非水硬性組分要盡可能的少。實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的途徑除對(duì)配比進(jìn)行科 學(xué)調(diào)配外，燒制溫度以及礦化劑的類型與摻量等，對(duì)控制有效礦物的形成、生成速度以 及生成有效礦物間的比例等具有重要作用。 形成超高水材料時(shí)，水泥或類水泥燒制料、石膏與石灰等是主要組成物質(zhì)。只有理 論上的契合并不能滿足材料的形成要求，尚須創(chuàng)造超高水材料的形成條件。根據(jù)對(duì)高水 材料的研究經(jīng)驗(yàn)， 各種外加劑相互復(fù)合后產(chǎn)生的疊加作用或相互抑制效應(yīng)是形成超高水 材料的關(guān)鍵因素，且這些作用應(yīng)該能夠促成超高水材料的形成，并使超高水材料在不同 的時(shí)刻表現(xiàn)出不同的材料特征。下面根據(jù)礦用超高水材料的特點(diǎn)，對(duì)外加劑所起的效應(yīng) 方面進(jìn)行分析： （1）礦化劑類 超高水材料中所需的燒制物料在燒成過程中，對(duì)其有效礦物的比例、含量等的要求 均要比普通鋁酸鹽水泥或硫鋁酸鹽水泥要求高， 此外， 各有效成分的燒成溫度也不均一。 對(duì)此，嚴(yán)格控制物料組分，加入一定量的礦化劑來改善各有效礦物的燒成溫度與穩(wěn)定性 應(yīng)是超高水材料燒制料的基本要求。 （2）緩凝劑類 緩凝劑是超高水材料研制中關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。高效的緩凝劑不但能使充填工藝得到簡 化，重要的是燒制物料在水中需要通過緩凝劑使其迅速處于安定狀態(tài)，避免其與水發(fā)生 過早的水化作用。 （3）解緩劑與速凝劑類 充填料漿在到達(dá)充填地點(diǎn)后，在需要的時(shí)間段內(nèi)應(yīng)盡快凝固起來，對(duì)采空區(qū)頂板起 支撐作用。這就要求材料中的緩凝效能迅速解除，而速凝作用迅速發(fā)揮。因此，解緩劑 與速凝劑兩者擔(dān)當(dāng)不同的作用， 但二者還應(yīng)具有良好的相容性， 避免相互產(chǎn)生抵消作用。 （4）懸浮、分散劑類 由于超高水材料水含量較高，固體材料量很少，固、液兩相比例的懸殊及非均相物 料的固有性質(zhì)使得液、固兩相的混合體很難長期穩(wěn)定，尤其是在緩凝階段。這就要求有 適宜的懸浮、分散劑，使固體物料能較均勻、穩(wěn)定地懸浮于液體中，使材料能均勻穩(wěn)定 地水化，形成均質(zhì)的水化硬化體。 （5）活化劑類 活化劑是針對(duì)燒制物料礦物中存在有非活性或活性較低的成分而設(shè)置的，使用時(shí)， 可根據(jù)不同批次燒制物料成分決定添加與否。 以上 5 類外加劑在使用時(shí)需要認(rèn)真研究，由于相互間存在相容性問題，必須弄清其 作用機(jī)理，相互配合才能發(fā)揮出應(yīng)有的效果。根據(jù)多年研究，復(fù)合外加劑間存在相容與 相克性，弄清其在水化過程中所產(chǎn)生的相互作用機(jī)理，對(duì)材料的研制十分重要。 3.1 水泥及燒制物料礦物研究 - 102 - 對(duì)于水泥的研究主要從以下方面入手： 采用正交實(shí)驗(yàn)方法組織實(shí)驗(yàn)及篩選可用水泥膠結(jié)礦物。首先分別選擇鋁酸鹽型、硫 鋁酸鹽型以及快硬硅酸鹽水泥來進(jìn)行組成研究，各化學(xué)組成性質(zhì)如表 3-1 所示。選擇 快硬硅酸鹽水泥的原由是因?yàn)槠渲泻?C3S 成分較高，一般可達(dá) 50%60%，其中還有 約 810%的 C3A。C3SC3A 的含量一般在 60%65%。這兩種組分均能有效水化， 對(duì)提高水泥早期強(qiáng)度有利。另外，還有約 10%以上的 C4AF 及 15%20%的 C2S，前 者與 C3A 一樣，在有 CaSO4 存在的情況下可生成鈣礬石，C2S 的后期強(qiáng)度也較高。 典型快硬硅酸鹽水泥礦物組成見表 3-2。 除考察表 3-1 中的九種物料外，同時(shí)考察不同水固比對(duì)材料凝固的影響。為了明 確其凝固情況，首先采用較小水固比進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，水固比分別取 3:1 及 5:1 兩種情況進(jìn) 行研究（中國礦業(yè)大學(xué)曾在上世紀(jì) 8090 年代研究出高水速凝材料，水固比為 2.5:1， 為了表示超高水，故取 3:1 開始研究） 。按照九種物料組成分別計(jì)算輔料用量，鋁酸鹽 及硫鋁酸鹽水泥按有效成分的比例進(jìn)行計(jì)算， 快硬硅酸鹽水泥按可形成鈣礬石量來進(jìn)行 輔料計(jì)算。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表 3-3 所示。由于水固比屬高水材料范疇，材料中添加了適量 的高水材料外加劑。 - 103 - 結(jié)果表明，對(duì)于水固比為 5:1 的材料組成，無論是哪一種材料，均不能形成均一的 固化體。按以上材料變換不同輔料配比多次實(shí)驗(yàn)均不能得到滿意的結(jié)果，因結(jié)果類似， 此不多述。但前述分析可知，高水體積是可能實(shí)現(xiàn)的。因此，造成目前結(jié)果的原因只有 一個(gè)，就是配比不合理。但是，要達(dá)到理論上能夠?qū)崿F(xiàn)的水體積 95%97%，水固比至 少在 6.4:111:1（此時(shí)取固體材料密度為 3kg/dm3，下同）以上，這與實(shí)際結(jié)果相去甚 遠(yuǎn)。從材料性能上看，根據(jù)上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果，水固比 3:1 時(shí)，鋁酸鹽水泥可以凝固，但強(qiáng) 度稍差；硫鋁酸鹽水泥效果較好；快硬硅酸鹽水泥持水量不多，但下部固結(jié)部分有一定 的強(qiáng)度。因此考慮下一步的實(shí)驗(yàn)分兩步進(jìn)行：一是把鋁酸鹽水泥與快硬硅酸鹽水泥混合 形成復(fù)合材料，看其混合性能如何；二是單獨(dú)考察硫鋁酸鹽水泥，從礦物組成上尋找突 破。 3.2 輔料研究 超高水材料的輔料有石膏與石灰等。前已述及，石膏是形成鈣礬石所需物質(zhì)之一。 輔料用量直接影響最后形成的鈣礬石、鋁凝膠與硅凝膠的相對(duì)比例。因?yàn)槟z成分可以 吸附、結(jié)合大量水以形成超高水材料，而鈣礬石則構(gòu)成強(qiáng)度骨架。因此二者有機(jī)結(jié)合， 構(gòu)成水化、硬化的整體。 3.3 外加劑研究 由于在材料的主、輔料研究階段均未形成令人滿意的超高水材料。因此考慮通過改 變外加劑來實(shí)現(xiàn)材料的超高水化。 3.3.1 促凝劑的研究 速凝劑的作用是促進(jìn)它們的快速水化，從而實(shí)現(xiàn)快硬、早強(qiáng)的目的。而在水量很多 的前提下，常規(guī)的外加劑就不能發(fā)揮應(yīng)有的效果，找到相容性好的復(fù)合外加劑應(yīng)該是試 驗(yàn)的目標(biāo)。因此，依據(jù)雙電層理論，配制相容性較好的復(fù)合速凝劑是應(yīng)該采取的技術(shù)路 線。 - 104 - 3.3.2 緩凝分散劑 配制的緩凝劑應(yīng)滿足兩方面要求：一是確保材料緩凝達(dá)到工藝要求；二是材料能被 再活化，即被解緩，與復(fù)合速凝劑有較好的相容性。 材料形成主、輔料（以下稱 A、B 料）兩個(gè)部分，A 料由硫鋁酸鹽水泥、復(fù)合緩 凝分散劑組成，B 料由其他輔料如石灰、石膏及復(fù)合速凝劑組成。為均衡 A、B 組成， 改善 B 料的懸浮性能，B 料有時(shí)也加入一定的懸浮分散劑。 3.4 影響超高水充填材料性能的因素分析 在實(shí)驗(yàn)過程中， 發(fā)現(xiàn)以下幾個(gè)因素對(duì)材料有直接影響， 分別是材料組成、 材料細(xì)度、 水固比、溫度等。 （1）材料組成 材料組成是影響材料性能的重要因素。由于是超高水材料，對(duì)材料組成要求嚴(yán)格。 配方中各礦物的水化受材料組成的影響。 若燒制的 A 料組成發(fā)生變化， 則相應(yīng)的 B 料 及各輔料也要進(jìn)行配比調(diào)整，如此才能保證材料性能的穩(wěn)定。這在材料應(yīng)用時(shí)要根據(jù)燒 制材料組分差異分批次對(duì) B 料及各輔料配比進(jìn)行調(diào)整。 （2）材料細(xì)度 材料的細(xì)度為粒度分布概念，即不同尺寸大小顆粒的組成分布。細(xì)度的度量方法有 多種：平均粒徑、比表面積、篩余量及顆粒分布等。不同的材料選擇不同的細(xì)度度量方 法，水泥業(yè)通常以通過某孔徑（80m）的篩余量來定義，以篩余量占總物料的百分?jǐn)?shù) 來表示。對(duì)于水泥而言，通常要求細(xì)度不宜太細(xì)，過細(xì)顆粒易于結(jié)團(tuán)，需水量上升，會(huì) 造成和易性、強(qiáng)度等指標(biāo)下降。從超高水充填材料研制過程中，對(duì)材料細(xì)度沒有特殊要 求，但若能更細(xì)，則利于材料性能的發(fā)揮，但細(xì)度過細(xì)會(huì)造成粉磨能耗增加，加工成本 升高。反之，若細(xì)度太粗，則液固比只能停留在界面反應(yīng)，水化較慢，因此又不宜過粗。 對(duì)于超高水材料而言，實(shí)驗(yàn)室細(xì)度通常磨至 5.0%以下即可。 （3）水固比 水固比越大，材料強(qiáng)度越小。 （4）溫度 與普通水泥一樣，溫度對(duì)超高水充填材料的凝固與強(qiáng)度有一定的影響。根據(jù)材料主 要用于煤礦井下，而井下溫度一般在 1828，因此進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)時(shí)，以 18 為實(shí)驗(yàn)材料養(yǎng)護(hù)溫度，以使試驗(yàn)結(jié)果具有可比性。 4 超高水充填材料基本力學(xué)性能分析 4.1 超高水充填材料的力學(xué)性能 超高水充填材料具有硬化快及早強(qiáng)的特點(diǎn)。7 天強(qiáng)度可以達(dá)到最終強(qiáng)度的 - 105 - 6090%。但這種材料抗風(fēng)化性能較差，因此不適合用于開放、干燥條件下，只能用于 井下潮濕環(huán)境。當(dāng)然，需要說明的是，材料的風(fēng)化與受試試塊的體積大小有直接關(guān)系， 由于受試試塊體積很小，置于外界環(huán)境下，會(huì)很快風(fēng)化，體積加大，則其風(fēng)化速度會(huì)相 對(duì)減慢。材料的風(fēng)化機(jī)理分析見后。固結(jié)體在井下三面受限的環(huán)境下應(yīng)用，由于周圍巖 層的限制，使材料的強(qiáng)度能發(fā)揮相當(dāng)于其自身強(qiáng)度 125%的效果。這在實(shí)際應(yīng)用中是十 分有利的。 4.2 超高水充填材料的凝結(jié)時(shí)間 超高水充填材料的凝結(jié)及固化時(shí)間是涉及充填工藝及材料性能的重要參數(shù)，有必要 對(duì)此進(jìn)行研究。實(shí)際上，由于超高水材料的含水量很高，凝結(jié)問題一直是材料能否研制 成功的關(guān)鍵因素。所研究的超高水材料屬于早強(qiáng)、快硬型膠結(jié)材料，其初凝與終凝時(shí)間 很近，故一般僅考查其初凝時(shí)間，并統(tǒng)稱為凝結(jié)時(shí)間。A 料在不加調(diào)凝劑的情況下，遇 水水化，其凝結(jié)時(shí) 間因其主要有效礦物的不同而不同。在應(yīng)用中，每批次燒成物料的燒成情況不同， 礦物含量也就不同，其相應(yīng)的凝結(jié)時(shí)間也不相同，有時(shí)還會(huì)有很大的變化。在其它條件 相同的前提下，超高水材料的凝結(jié)情況，主要受水固比與外加劑性能的影響。溫度也是 影響因素之一。 4.3 超高水充填材料固結(jié)體的穩(wěn)定性 超高水充填材料固結(jié)體水體積高達(dá) 95%97%， 其穩(wěn)定與否直接影響到工程的應(yīng)用， 對(duì)其進(jìn)行研究具有重要的意義。 超高水充填材料固結(jié)體主要由鈣礬石、凝膠以及游離水構(gòu)成，鈣礬石是其中的主要 物質(zhì)。顯然，鈣礬石的穩(wěn)定性會(huì)直接影響到超高水充填材料固結(jié)體的穩(wěn)定性。 置于空氣中的超高水充填材料固結(jié)體，游離水的失去與凝膠的失穩(wěn)，使固結(jié)體表面 松散，與空氣的接觸面積逐漸增加，使固結(jié)體中更多的鈣礬石有了與空氣接觸的條件， 由此加速了鈣礬石的崩解。隨著固結(jié)體置于空氣中時(shí)間的延長，這種風(fēng)化現(xiàn)象逐漸由表 面向固結(jié)體中間發(fā)展，最終導(dǎo)致固結(jié)體完全失穩(wěn)。 4.4 超高水充填材料的流體力學(xué)性能 超高水充填材料 A、B 兩種單料漿可以視為牛頓流體，在研究時(shí)間段內(nèi)，其粘度 變化不大，時(shí)間對(duì)單漿流體粘度影響不大。因粘度隨時(shí)間變化對(duì)工程應(yīng)用不會(huì)產(chǎn)生較大 影響，為該材料實(shí)施長距離輸送提供了理論基礎(chǔ)。但混合漿體則是振凝性時(shí)變非牛頓流 體。 5 超高水材料充填采煤技術(shù)及工藝研究 5.1 超高水充填材料采空區(qū)充填方法研究 - 106 - 5.1.1 采空區(qū)開放式充填方法 開放式充填是指在工作面推進(jìn)（仰斜開采）過程中，對(duì)采空區(qū)不進(jìn)行任何調(diào)控，即 允許采空區(qū)上覆巖層（主要指直接頂）垮落、采空區(qū)完全處于開放與自由狀態(tài)的充填方 式。 圖 3-1 開放式充填開采示意圖 其具體做法是：自開切眼始，工作面推進(jìn)適當(dāng)距離后，即可對(duì)采空區(qū)實(shí)施充填。 隨著充填工作的不斷推進(jìn)，充填漿體液面也不斷上升，逐漸將低于工作面位置水平以下 的采空區(qū)充填密實(shí)，并將部分垮落下來的矸石（若存在）膠結(jié)起來，形成整體支撐上覆 巖層的充填膠結(jié)承載體，如圖 5-1 所示。 該方式的優(yōu)點(diǎn)： 充填與開采互不影響，工作面產(chǎn)量可按要求進(jìn)行增加，不受充 填工藝限制； 充填工藝簡單，人員需求少，易于組織與管理，工作面支架不需改造； 不控制直接頂，人員作業(yè)不在采空區(qū)，充填過程安全可靠。 不足之處：當(dāng)采高較大或煤層傾角較小時(shí)，開放式充填對(duì)控制上覆巖層有一定的局 限性，甚至存在該方法不能實(shí)施的可能性。但是，通過在工作面后方構(gòu)筑擋漿體，使充 填漿體液面水平升高，縮短頂板懸跨距，使其小于老頂初次垮落步距，也可以較好地實(shí) 現(xiàn)對(duì)采空區(qū)的及時(shí)充填。 該方法適用條件：祼露頂板跨距小于老頂初次垮落步距，或創(chuàng)造條件、采取措施使 該條件得到滿足。 5.1.2 采空區(qū)全袋(包)式充填法 采空區(qū)全袋式充填方式核心是在采空區(qū)范圍內(nèi)全部布置充填袋，袋內(nèi)充入超高水充 填材料，凝固后對(duì)上覆巖層直接進(jìn)行支撐。充填時(shí)，根據(jù)工作面兩巷留巷與否，該方法 又分成兩種，即保留工作面兩側(cè)（或一側(cè)）回采巷道時(shí)的采空區(qū)袋（包）式充填方式與 不保留兩側(cè)回采巷道的采空區(qū)充填方法，如圖 5-2 所示。 本方法優(yōu)點(diǎn)：全袋（包）式充填能適用于現(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。與開放式充填相比，適用性更廣，特別是對(duì)水平或近水平條件下的 - 107 - 煤層有較好的適應(yīng)性（放頂煤開采除外） ； 可直接控制直接頂，充填效果直觀。 不足： 充填袋（包）架設(shè)工序繁瑣，勞動(dòng)組織復(fù)雜，工作量較大，對(duì)作業(yè)環(huán)節(jié) 安全要求高； 充填與回采相互影響，兩工序配合管理技術(shù)要求高。 圖 3-2 采空區(qū)袋（包）式充填不留巷示意圖 5.1.3 采空區(qū)混合式充填方法 混合式充填是指采空區(qū)充填時(shí)，根據(jù)需要采用充填袋（包）與開放式充填相結(jié)合的 方式。 充填工藝實(shí)施步驟： 當(dāng)工作面推進(jìn)至適當(dāng)距離后，在工作面后方架設(shè)充填袋 （包） ，并在其中充入超高水充填材料直至飽滿接頂； 視情況對(duì)兩充填袋（包）之間 的剩余空間進(jìn)行開放式或封閉后集中充填至飽滿接頂。該方法的優(yōu)點(diǎn)及適應(yīng)性： 與 全袋（包）式充填相比，減少了吊掛充填袋（包）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，混合式充填可應(yīng)用于水平及近水平煤層，適應(yīng)性增 強(qiáng)。 圖 3-3 混合式充填示意圖 - 108 - 5.2 超高水充填材料充填工藝系統(tǒng)研究 超高水材料含水量高，將其輸送至采空區(qū)需要相應(yīng)的配套設(shè)備與工藝。根據(jù)該材料 特點(diǎn)，井下的充填工藝系統(tǒng)應(yīng)包括材料存放、漿體制備、漿體輸送以及漿體混合四個(gè)系 統(tǒng)。其中，漿體制備系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜，是充填工藝系統(tǒng)的核心。 圖 3-4 超高水材料充填系統(tǒng) 整個(gè)超高水充填流程是在地面充填站將超高水材料制成漿體， 通過充填孔及充填管 路輸送至充填工作面， 充填材料在離工作面 80m 進(jìn)行混合， 在經(jīng)分流器分成四個(gè)充填管 分別充入架后充填袋內(nèi)，并在充填工作面地表設(shè)測(cè)站進(jìn)行觀測(cè)分析。 圖 3-5 超高水材料充填采煤工作面 6 工程應(yīng)用 6.1 工程概況 邯鄲陶一礦地質(zhì)條件復(fù)雜，煤炭資源回收率較低，截至 2008 年，陶一礦 “三下” 壓煤 3.52 億 t，占資源總量的 37.6%。礦區(qū)壽命僅 15 年左右，而該礦區(qū)又沒有新的 探明資源可供接替。因此，陶一礦急于尋求新的能有效解決 “三下”煤炭開采的技術(shù) 方法。 6.2 井上下概況 充填試驗(yàn)面位于七采區(qū)南翼、停駟頭村保護(hù)煤柱范圍內(nèi)，共設(shè)計(jì)了 5 個(gè)充填面， 即 12701 上 01 05 面。試驗(yàn)面埋深 315.1 365.9m，對(duì)應(yīng)地面在停駟頭村東部，型 煤場西部。地表有民房建筑、沖溝、梯田。工作面長 50m，推進(jìn)長度 220m 左右，沿 - 109 - 煤層走向布置，仰斜推進(jìn)。 6.3 試驗(yàn)面生產(chǎn)技術(shù)狀況 工作面采用傾斜長壁采煤法，綜采一次采全高回采工藝，超高水材料充填法處理采 空區(qū)，只在充 5 面的一小段嘗試了炮采條件下的超高水材料包式充填法。工作面采用 區(qū)段跳采的方法進(jìn)行回采。 6.4 充填開采效果評(píng)價(jià) 充 1 面充填開采結(jié)束一年多的地面觀測(cè)表明，地表沒有發(fā)生明顯變化。說明采空 區(qū)充填后上覆巖層得到有效控制，開采對(duì)地表的影響很小。 （1）地面觀測(cè)結(jié)果 陶一礦充填試驗(yàn)面推進(jìn)長度 200m，試驗(yàn)面充填開采結(jié)束一年多的地面觀測(cè)表明， 地表沒有發(fā)生任何變化。說明采空區(qū)充填后上覆巖層基本穩(wěn)定，沒有影響到地表，充填 效果理想。 （2）超高水材料采空區(qū)充填效果分析 窺視孔探測(cè)超高水充填材料采空區(qū)充填固結(jié)狀況根據(jù)陶一礦充填開采的設(shè)計(jì)要 求， 在工作面正上方 20m 左右布置一條巷道對(duì)其進(jìn)行觀測(cè)， 同時(shí)在其中布置垂直鉆孔對(duì)