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。

2超高水材料预充空巷开采技术及原理

在矿井开采过程中，经常会存在着工作面过空巷的情况，这也是开采环节中的一个技术难题，对开采效率有很大影响。因为工作面掘进至空巷附近时，原有的支护不足以支撑超前开采所带来的压力，很容易导致煤帮片帮，严重时基本顶会发生断裂，造成端面冒顶，这会严重影响工作面的掘进速度。在过去的很长一段时间里，通常是采用加强支护的方法来应对工作面过空巷的问题，但是这种方法工作量大、成本颇高，同时支护效果也并不理想。随着超高水充填材料的深入应用，现如今开始采用预充空巷开采技术来应对工作面过空巷的问题，效果十分显著[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在应用过程中主要是对空巷进行充填，需要施工人员采用合适的充填方法和充填工艺。充填工艺系统主要包括充填点和充填泵站两部分。与采空区充填方法相比，预充空巷的充填方法大体类似，主要包括混合式充填法、开放式充填法以及分段阻隔式充填法等。（2）超高水材料预充空巷开采技术的应用原理。当掘进工作面开采至空巷附近时，用超高水充填材料充满空巷，可将空巷恢复至未开采前状态，这样就无需再对空巷工作面进行加强支护，工作面与空巷之间的煤柱的承载力也会被进一步加强，不易破碎，那么当采煤机过空巷时，可正常切割充填体。超高水材料在凝固后具有一定的形变特点，且具有可靠的承载力，因此空巷在充填超高水材料后，不仅能够对基本顶起到必要的支撑作用，而且还可以利用形变特性产生适当的变形让压，确保所充填的顶板和墙壁完整，并且不会出现冒顶、片帮的情况。超高水材料在凝固之前具有很好的流动性和渗透性，对于错综复杂的裂隙也可以起到很好的固结作用，能够在围岩中形成类似骨架的网状支撑结构，可以将破碎的围岩牢牢的凝固成一个整体，可有效防止围岩冒落。

3超高水材料注浆防火灭火技术

3.1超高水材料注浆防火灭火技术

超高水材料注浆防火灭火技术主要包括钻孔注浆、密闭式注浆、综合注浆等方式。①密闭式注浆防灭火技术。密闭式注浆防灭火技术主要是指将火源区域隔离出来，让火源处在一个密闭的空间中，然后向空间注满超高水材料，利用超高水材料的凝结特性，以此来达到灭火的目的。②钻孔注浆防灭火技术。如果明火发生在暗处或者难以形成密闭空间，那么此时就需要用钻孔的方式将超高水材料注入着火区域，需要对火焰顶部喷射超高水材料浆液，以此来达到灭火的目的。③综合注浆防灭火技术。综合注浆防灭火技术主要应用在因自燃而引发的高位煤体的大面积着火，此时需要将前两种灭火技术结合在一起，首先需要利用钻孔注浆的技术，向火焰顶部注入高水材料浆液，这种浆液比超高水材料的粘性更强，能够迅速将自燃煤体包裹，从而达到抑制火情的目的；然后将超高水材料浆液注入火焰下部的密闭区域，能够对着火区域的裂缝进行密实填充，阻断漏火漏风的情况，以此来实现整体灭火。利用超高水材料进行综合注浆灭火，下部的密闭注浆区域在固结后仍可开发利用，不会形成资源浪费。

3.2超高水材料注浆防灭火技术的应用原理

在矿井开采中煤体自燃一定同时具备了以下几个条件：充足的氧气供应、煤体呈破碎堆积状态、存放环境积聚了大量热量，所以若想达到很好的防灭火效果，就一定要阻止煤与氧气发生反应，使得散热效率大于氧化产热效率，防止煤体因温度升高而产生自燃。超高水材料的灭火原理主要为：首先，降温。当着火区域注入大量的超高水材料后，浆液会在高温作用下形成水蒸气，这会带走大量热量，可有效降低着火区域温度，从而使得煤的氧化活性不断降低、氧化效率将会被进一步控制；其次，将可燃物与助燃物隔绝。煤体只有在破碎堆放状态下才容易发生自燃，这是因为煤体颗粒之间存在着大量空隙，使得煤层内部充满氧气，超高水材料浆液注入后，可利用其流动性和粘结性将煤炭颗粒包裹起来，使得氧气无法与煤体发生作用；最后，保证煤体的完整性。超高水材料具有很强的渗透性，在注入着火区域后，可以迅速填充煤体间的缝隙，将松散的碎煤凝结成整体，有效提高煤体的完整性，降低煤体的自燃概率。

4超高水充填材料的未来展望

（1）鉴于超高水充填材料的优越性能，技术人员可以尝试扩大超高水材料的应用范围，例如在不同的围岩环境下，利用超高水材料进行堵水、围岩修复、离层注浆、壁后充填等。（2）技术人员也要不断促进技术升级，实现超高水材料充填技术的智能化操作，进一步提高工作效率、缩短材料的制备时间。（3）深入研究超高水材料的性能与特点，明确固结体力学规律以及胶结性能，利用超高水的凝结作用处理矸石等工业废弃物，促进超高水材料在工业领域大放异彩。（4）进一步研究利用超高水充填材料的矿井防灭火技术，促使防灭火技术在应用过程中更加合理，能够发挥出更大的防灭火效果。综上所述，超高水材料作为一种新型环保的充填材料，在采空区充填、工作面过采空区、矿井防灭火等方面优势显著，并且超高水材料制作简单、成本低廉，在矿井开采中有着十分广泛的应用，技术人员也要不断对超高水材料进行深入研究，促进超高水材料能够在更大领域发挥出重要作用。

参考文献：

[1]周茜.荷载作用下矿用富水充填材料劣化机理与改性研究[D].北京科技大学，2018.

[2]孙琦.膏体充填开采胶结体的强度和蠕变特性研究及应用[D].辽宁工程技术大学，2013.

作者:张晓东 单位:晋能控股煤业集团晋华宫矿