超高水充填材料在采矿工程中的应用

超高水充填材料在采矿工程中的应用

王成

身份证件号码 :23232419811130**** 山西灵石 031300

摘要：经济高速发展背景下，采矿工程数量持续性增多，其开采作业实施过程中，为从本质层面解决工作面过空巷等瓶颈，对超高水材料充填开采技术、预充空巷开采技术及注浆防灭火技术展开分析研究。本文主要阐述超高水充填材料自身特征，从三个层次分析超高水材料应用于采矿工程中，为后续同类工程实施提供保证。

关键词：超高水充填材料；采矿工程；应用

矿产作为一类基础不可再生资源，其实际开采过程中，由于“三下”压煤问题、工作面过空巷问题等，均阻碍煤炭开采良好发展。尤其针对可开采资源匮乏的老矿井而言，此类问题更为严峻，超高水充填材料是近年来研究新型材料，此种材料于2008年初次被试验应用，获取良好的成效，逐步面向其他矿井开采应用中。为进一步提高该材料应用有效性，需积极掌握其自身特征，良好应用于采矿工程中，提高采矿工作可靠性，促进采矿企业良好发展。

一、超高水充填材料特征分析

超高水材料主要是由A、B两大模块分别按照一定比重，配水形成的单浆组合形成，其中A模块中核心构成是以铝土矿为核心材料烧制形成复合超缓凝剂，B模块是将石膏等材料与复合速凝剂配比形成。2种单浆液体使用过程中，按照其体积1:1配置，二者混合形成的浆液处于一定时间周期内，便可形成一定强度的填充体。此种材料配置过程十分简易，对人员及设备均无毒无害，水体积分数可高达95%-97%；2种浆液混合之后可处于8-30min进行初凝，固结体7d自身强度可高达最终强度的60%-90%，最终强度最大限值可高达1.65MPa，最小限值为0.66MPa。此种材料自身凝结时间、固体抗压强度主要以工程实际需求确定；单浆液自身处于流动性较高条件下，可维持30-40h，适用于利用长管道输送；二者混合形成的浆液其自身稠度较低，具有较强的流动性；固结体处于一定压力作用下，其体积应变数值较小，同时受三个方向力作用下具有良好的不可压缩性。超高水材料实际固结养护时间与抗压强度存在一定的关联性，一般不超过200h之前，其自身抗压强度上升坡度十分凸显，表明该时间段其强度波动较大，随着后续时间推移，其强度基本处于水平线，波动较小。

二、超高水充填材料在采矿工程中的应用

1、超高水填充材料在采空区应用

1.1超高水材料充填开采技术

超高水材料采空区充填方式较多，主要包含开放式、袋式、混合式等，充填方式选取取决于现场采矿作业实际状况。超高水材料充填开采技术包含两大模块，即充填工艺系统、采空区充填方法，前者内部包含四个子系统，不同系统承担相应的职责，即材料存储、浆液制备、输送和混合，其实际流程（图一），其中浆液制备为关键环节，为进一步保障其配置可靠性，浆液配置全过程均由PLC自动化控制。

图一超高水材料充填工艺系统流程

1.2超高水材料充填开采覆岩控制原理

煤炭实际开采过程中，使用传统垮落法进行作业，采空区域便会自上而下生成一定的冒落带、裂隙带、下沉带，将其统称为“三带”。采空区覆岩形成三带需历经一段时间周期，超高水材料充填开采便将此段时间作为切入点，最大限度将初期开采空旷区域内进行充盈，并促使其形成一个整体，作为上方矸石核心支撑，保证其顶板不会出现垮落现象。同时，短周期内覆岩中形成的裂隙由于上方重量被支撑，其扩展速度减缓或不再发生扩张，稳定其上位岩层活动。通过对冒落区域及裂隙空间密实充填，促使其并不具备向下沉降的条件，从而促使地表沉降量满足要求。

2、超高水材料在预充空巷开采技术中应用

煤炭开采过程中，实际工作面过空巷作为常见问题之一，更是煤矿开采过程中为彻底解决技术瓶颈，核心因素在于工作面持续性进入空巷区域内，巷道内部原有支护自身承载力不足，无法承担工作面超前压力，致使巷道与工作面间的煤帮片帮，严重状况下发生顶断裂现象，产生冒顶等安全事故，无法进行工作面推进。工作面过空巷处理措施，主要以原有支护等方式开展，经济成本较高，最终实施成效不佳。

2.1超高水材料预充空巷开采技术

超高水材料预充空巷开采技术，其实际工作工艺包含充填站、充填点两大部分。此种方式与采空区充填方式具有异曲同工之妙，其也可划分为开放式、混合式及分段阻隔式等方式。

2.2超高水材料预充空巷开采围岩控制原理

空巷利用超高水充填材料充盈之后，促使其围岩处于原有状态，初期存在空巷工作平台转变为，由充填材料为主的煤炭工作平台，如此无需在后续工作开展过程中维护空巷，空巷与工作面间的煤柱形成破碎现象，具有优良的承载力。工作面推进至空巷过程中，采煤机可依照正常作业状况直接切割充填体。超高水材料最终固结体具备较强的承载力，以及自身形变特征凸显，可支撑基本顶，保证填充体墙壁等完整性，而且具有一定的形变让压，以免充填体出现片帮、冒顶。自身具有较强流动性及渗透性的超高水材料混合液，其可进入多个裂隙中将其充盈并固结，最终形成良好的粘结性，将原有破碎围岩形成具有强有力的整体，增强其结构稳定性

^[1]。

3、超高水充填材料在注浆防灭火技术中应用

超高水材料注浆防灭火技术，作为一类综合性技术，其将集注浆、注水等材料汇集于一身，汲取各技术优势，消除浆液易流失、流动性不佳及工艺繁琐复杂不足。

3.1超高水材料注浆灭火技术

按照井下发火空间具体位置水平高低，以及实际空间区域规模，超高水材料注浆灭火技术可划分为多种形式，即密闭式、钻孔、综合注浆防灭火技术。首先，密闭式注浆防火技术。此种技术基本应用原理为，将井下处于明处火源采取相应的措施予以隔离，形成一个完整闭合空间，最终以超高水材料浆液充盈该空间，随着时间的推移其混合浆液处于该空间内凝结固化，从而实现防灭火目标。其次，钻孔注浆防灭火技术。该技术主要适用于处于暗处或密闭性不佳区域的发火，核心方式是打入多个钻孔贯通于发火实际部位，并持续性向其内部注入相应的高水材料浆液，同时在其发火实际位置顶部进行喷浆处理，待浆液接触火源可完成灭火。最后，综合注浆防灭火技术。该技术针对高位区域内煤自然造成大面积发火状况，主要有效融合前二种灭火技术，初期在发火区域内注入一定比例的超高水材料，保证其实际粘结性，以及短期内可实现凝结，其自身固结体位于发火区域内，内部包含资燃煤体，降低实际问题，可从本质抑制火情扩展延伸；后续并在其下方密闭区域内注入超高水材料浆液，将发火区域内裂隙等透风途径充实，实现整体性灭火目标，且下方区域内火灾熄灭后可进行循环利用^[2]。

3.2超高水材料注浆防灭火机理

煤矿实际开采过程中，煤与自然条件下氧气接触，其表面形成多个反应，当其温度、热量处于特定条件下，便会自行燃烧。为从本质层面消除此类瓶颈，需积极掌握其发火实际机理，利用防灭火材料进一步阻碍其发生反应，从而降低其实际温度，从整体层面分析，超高水材料防火机理如下：首先，吸热降温，进一步降低火区温度。在发火区域内注入大量超高水材料浆液，其温度会随之升高转换为蒸汽，同时将大量热带走，从而保证发火区域内热量温度降低。其次，阻碍可燃物质与助燃物体接触。自然条件下煤呈现为分散状态，其周围存在一定的透风途径，进一步加剧发火范围扩大，为其提供助力，大量氧气入驻，促使燃烧更充分。超高水材料注入自然煤体后，其自身优良的流动性渗透至煤颗粒，形成一层保护膜将其煤颗粒包裹，以此隔绝其与氧气发生反应，并充实透风路径，实现防灭火目标。

结束语

煤矿实际开采过程中，由于多方面因素影响，造成其资源浪费严重，对生态环境造成破坏，危险系数较高，不利于该产业良好发展。超高水材料充填应用于采矿中，可保证作业安全性、可靠性，提高作业生产效率，实现经济效益最大化，促进采矿产业长足发展。

参考文献

【1】李虎威,齐琦.碱对掺杂油页岩灰渣高水充填材料性能的影响研究[J].海峡科技与产业,2019,242(9):82-84.

【2】赵家巍,苏腾,荣腾龙,等.超高水充填材料侧限压缩应力应变本构关系研究[J].采矿与安全工程学报,2020,149(2):184-190.