高水充填【可编辑范本】

Cｈinａuniveｒsｉty ofｍinｉng aｎd technｏlogy 高水充填（论文)
学院名称孙越崎学院
专业名称采矿工程
学生姓名刘瑞明
学号01090190
任课教师许家林
二〇一二年十月
（超)高水充填工艺系统和应用研究
刘瑞明
(中国矿业大学孙越崎学院,江苏徐州)
摘要：我国目前“三下"压煤问题比较严重，充填开采是解决“三下”压煤的根本途径,其中（超）高水充填相比其他充填方法它特别的优势。

本文详细介绍了（超)高水材料的组分、基本性能及在充填时的水化反应，并且重点叙述(超）高水充填工艺系统流程和充填方法，总结出（超)高水充填的意义，得出（超)高水充填将会在以后广泛应用。

关键词:“三下"压煤（超)高水材料(超)高水充填
引言
随着我国经济的持续发展,煤炭资源的不断开采，“三下”(建筑物下、铁路下、水体下)压煤量占煤炭资源总量的比例越来越大。

据对国有重点煤矿的不完全统计,全国压煤量约为13７。

9亿吨,其中建筑物下压煤为87.亿t，村庄下压煤又占建筑物下压煤的60％。

随着社会经济发展,村镇规模不断扩大，新矿区和新井田的建设，实际压煤量远高于这一数字。

主要产煤省如山东、江苏、安徽、河南、河北等省,多数矿区（井)地处平原，人口密度大,村庄密集,村庄压煤比重较大，有的矿区或井田村庄压煤量占总储量的70%,有的新疆井田投产(首采面)即遇到村庄下压煤开采问题．
长期以来我国煤矿村庄压煤,主要采用迁村或采用条带开采的方法进行开采,然而迁村法存在搬迁或者成本高、侵占土地、选址困难以及开采后破坏环境等问题,条带开采,采出率很低,而且万吨掘进率（每回采一万吨原煤,所需掘进的巷道数量)很高，以上方法都被煤炭企业所抛弃。

为了缓解日益突出的煤炭资源的枯竭与经济发展的矛盾，有效地进行“三下”压煤开采对充分利用地下资源，延长矿井寿命，促进煤炭工业的健康发展具有重要意义。

采空区充填逐渐成为解放“三下”压煤的主要方法之一，按充填材料区分,有水砂充填、矸石充填、膏体充填和高水充填。

其中高水充填具有充填率比较高、初期投资低等优点,逐渐成为很多煤矿充填开采的首选.
从198６年开始,我国就开始进行高水充填材料、充填技术的研究,并在1989年由中国矿业大学北京研究生部经过几年的努力,研制成功高水速凝固化材料，迅速应用于井下充填。

在9０年代初，高水固结充填采矿方法首次用于我国的黄金矿山试验成功,引起国内外采矿界的广泛关注,并在煤矿、金矿和非金属矿等充填开采领域内迅速应用。

1、(超）高水充填材料组分
超高水材料是相对于高水材料而言的,超高球材料的水灰比（拌制水泥浆、砂浆、混凝土时所用的水和水泥的重量之比）可达11：1,而普通高水材料水灰比为２.5:1左右,两者用水量相差很大。

目前按照标准，将水体积大于9５%的材料界定为超高水材料,而低于95％的材料界定为普通高水材料。

1.1高水材料组分
高水材料由甲、乙两种固体粉料组成，甲料由铝酸盐或硫铝酸盐配以多种起缓凝和调整作用的外加剂组成；乙料主要 由石膏、石灰、粘土配 以促凝剂组成。

甲、乙料分别加人一定量的水制成灰浆,按 I:Ｉ的比例混合后，30ｍｉn 内即可凝结成固体。

以中国煤炭科学总院研究的高水充填材料为例，其组分如下：
甲组分包括下述成分:（ｗt%表示重量百分比)
硫铝酸盐水泥熟料65wt%～90wt% 铝酸盐水泥熟料5wt ％~30ｗt%
缓凝剂0.5wt%～1。

5 wt% 第一悬浮剂2。

5wt ％~6ｗt ％ 上述铝酸盐水泥熟料为比表面积（单位质量的固体具有的总面积,可用气体吸附法或者溶液吸附法测得)为400～60０2m /k ｇ的粉末，硫铝酸盐水泥熟料、缓凝剂和悬浮剂为比表面积为６00~８００2m /ｋg 的粉末.缓凝剂为硼酸、硼砂、酒石酸、柠檬酸中的一种或其中几种的混合物.第一悬浮剂为膨润土、凹凸棒土、海泡石、白炭黑、纤维素醚、淀粉醚中的一种或者其中几种的混合物。

乙组分包括下成分：
硬石膏５0wt ％~７0 ｗｔ％ 石灰１５wt ％～25ｗt% 复配添加剂14wt ％~30ｗt%
上述硬石膏、石灰和复配添加剂为比表面积为350～6006002m ／kg 的粉末．复配添加剂包括第二悬浮剂、无机盐和有机化合物:
第二悬浮剂:４ｗｔ%～1２wt% 无机盐６wt ％~24wt% 无机化合物0ｗt ％～2ｗt ％
上述第二悬浮剂为膨润土、凹凸棒土、海泡石、白炭黑、纤维素醚、淀粉醚中的一种或者其中几种的混合物.无机盐中的阴离子为-3NO 、-2NO 、-24
SO 、-23CO 、-F 、-3PO 、-HO 、-Cl 中的一种或者几种的混合物,阳离子为+Na 、+Li 、+2Ca
、+H 、+4NH 中的一种或者几种混合物.有机物化合物为三乙醇安、三乙丙醇胺、二乙醇胺中的一种或者几种混合物.
使用步骤如下:
（1）向甲组分加入水,制成甲组分单桨,水的重量为甲组分重量的2~2。

4倍；
（2）向乙组分加入水，制成乙组分单桨，水的重量为乙组分重量的2~2。

4倍；
（3）将甲组分单浆和乙组分单浆按照重量比为1~1。

2:1混合,固化即可．
在90年代,我国高校利用磁化水拌制高水充填材料,通过均匀设计方法分析磁化参数对高水充填材料凝结体强度的影响,并对磁化参数进行优化，利用此优化参数处理高水充填材料浆体,通过对比实验得出,磁化水拌制高水充填材料可以明显提高其胶结体抗压强度3５%左右。

1．2超高水材料组分
超高水材料是由中国矿业大学冯光明教授经十余年研究而发明的一种采空区充填材料。

该材料能较好的适应“三下"充填开采的要求，目前处于推广应用阶段．该材料由Ａ、Ｂ料和AA与BＢ辅料构成.Ａ料以多种矿物按一定的比例混合烧制而成，Ｂ料以多种矿物按一定的比例混磨而成，辅料AA为复合超缓凝剂，辅料BB为复合超速凝剂。

使用时,A、B料以重量比１:１使用，水体积可达95％~９７%,用水量超高，初凝时间为0．５~１.５h,终凝强度0.5~１．０ＭＰa,且生成的固结体不收缩，也不可压缩,是一种理想的采空区充填材料。

详细内容可见冯光明和丁玉所著《超高水充填材料及充填开采技术研究与应用》一书。

生产超高水材料的原料在我国非常丰富.且生产工艺简单。

超高球材料具有早强快硬、两主料单浆(A或B浆液)流动性好、初凝时间可调等特点生成的固结体具有亲水性，在水环境中不收缩不扩散,稳定性良好且体积麻立小，在三向受力状态下有良好的不可压缩性。

超高水材料唯一的不足就是抗风化及抗高温（400℃“上）性能较差,即该材料币适于在干燥．开放厦高温环境中使用。

园此超高水材料在井下潮湿、低温、封闭的采空环境下，是一种理想的“三下”充填材料。

2、（超）高水充填材料基本性能及水化反应机理
2.１高水材料基本性能
以上述煤炭科学总院研究的高水材料为例,这种材料形成的钙矾石多为针状，密实性提高，含水率可达86％～90%,固化体稳定性增强,后期强度也显著提高,弥补了普通高水速凝充填材料存在的缺陷。

与普通高水速凝充填材料相比,强度各时段平均提高50％以上。

具有以下四个性能特征:
（１）速凝早强特性
新型高水速凝充填材料甲、乙2组份分别加水搅拌后24h不固化，但混合后30ｍin内可初凝.通过外加剂调整后,其性能可大幅度提高．通过复合外加剂调整后，在实验室标准测试条件下,初凝时间为3~6mｉn，２h抗压强度可达2.８MＰa,2４h抗压强度可达4．8MPa，7ｄ抗压强度可达7.2MPa,28ｄ能达到8.2MPａ以上。

若特殊需要,材料强度可配制达20MP ａ以上。

材料在不同水灰比条件下,单轴抗压强度与时间及水灰比的关系曲线见图1
(2）抗变形特性
速凝材料在不同水灰比情况下，在各龄期相同承载强度条件下,带锚栓(一种紧固材料）相似材料固结体变形能力与时间及水灰比成正比.不加锚栓时,在材料强度达到极限状态时,纵向变形能力平均可达到15%以上，而横向变形能力可达到7％以上;在有锚栓(相似材料)情况下,变形能力有所降低，降低约６％～２8%。

高水速凝充填材料固结体泊松比在3d 之内达0.35左右;当超过３d后,泊松比普遍都在0．4５左右。

说明高水速凝材料固结体有较好的纵横向变形能力，见图2。

(3)高结晶水特性
新型高水速凝充填材料固化体主要形成钙矾石 （3ＣaO ·32O Al ·34a SO C ·32O H 2)，钙矾石结晶体含水量较高。

由于钙矾石结晶能力强,易形成网状或树枝状结构。

当材料配比最佳时,形成针状结构的钙矾石，填充在已形成的钙矾石网状结构中。

(4)再胶结与强度再生性
当高水速凝充填材料固化体被压裂后，在环境湿度满足要求的条件下,经过一段时间后,可形成再胶结体。

高水硬化体具有弹塑性特征,在单轴受力状态下，呈弹性变形,而当外力继续加大，达到屈服极限后，不会立即发生脆性破坏,具有一定的残余强度。

此时,如果高水硬化体被再压实,强度随之恢复与增大。

2.２高水材料水化反应机理
高水充填材料由不稳定的高内能变为比较稳定的低内能的过程是水化。

水化过程中,高水充填材料颗粒表面迅速被水包围而溶解，后逐渐凝结成固体。

高铝型高水充填材料的水化，主要是铝酸一钙的水化。

铝酸一钙由于晶体结构中钙铝 的配位极不规则,水化极快.一般认为，水化反应由于温度的不同会有多种方式．
根据 x 线衍射分析,高铝型高水充填材料主要水化反应如下：
3（Ca Ｏ·32O Al )+34a SO C +3８O H 2= 3Ca Ｏ·32O Al ·34a SO C ·3２O H 2+４A ｌ（OH)3
经过数据查询得下列化合物的热力学数值:
表1 热力学数值（KJ/mo ｌ)
根据盖斯定律：
△Ｈ＝△HC
3A ·3CＳH
32
+4△ＨAH
3
一（３△HCA+３△ＨCaＳO
4
+3８△
HH
2
O)
= -１６7.２9(kJ／mo1）
由上述结果可见，△H为负值,且其值较大,说明高铝型高水充填材料水化时放出的热量较大。

硫铝型高水充填材料的水化反应如下:
3CaO·３Aｌ
2O
3
·CaSO
4
+2CaＳＯ
4
+38H
2
O
→３CaＯ·Aｌ
20
3
·３CａＳO
4
·32Ｈ
2
O＋４AＩ（OH)
3
查表得下列化台物的热力学数值:
表2热力学数值（KJ／mｏl）根据盖斯定律:
△H =4△HAI(OH）
3+△ＨC
3
H·３CＳＨ
32
—（△HＣ
4
A
3
S+ 3△HＣS+38△HH
2
Ｏ）
= —215。

05（kJ/mｏ1）
由上述两种类型的甲料计算出△Ｈ为负值，且其值较大,这说明高铝型高水充填材料水化时放出的热量较大。

即反应体系是向外输进较大能量的.体系向外输进能量后，就变得比较稳定，可形成结实的人工石。

下图是采用量热法测定高铝型和硫铝型高水充填材料的水化反应热曲线。

图３高水充填材料水化反应热曲线图
图中a为硫铝型高水充填材料，ｂ为图中a为硫铝型高水充填材料，b为图中a为硫铝型高水充填材料,b为图a为硫铝型高水充填材料，图中纵坐标表示水化反应时的温度，横坐标表示水化反应的时间．由图可见,在水化反应的同一段时间内,硫铝型比高铝型高水充填材料水化反应的温度要高些,这说明水化反应的速度也快一些。

这些测定结果与计算结果是一致的。

２.3超高水材料基本性能
根据加入Ａ、B 2种浆体中添加剂的多少可以将初凝时间控制在8 ~ ９0 ｍiｎ之内浆体混合后逐渐凝固并具有强度生成的超高水材料固结体具有不收缩的特点，7 h后其抗压强度可达到最终强度的60％～９0% 。

在水体积为95％~97 ％时,28 ｄ后最终强度为0 。

6６～1。

5MPａ。

图4材料固结体各龄期强度随时间变化曲线
图5材料固结体体积应变随时间变化规律
表３不同水体积材料实验室凝结时间
水体积，% 92 93 94 ９５９6 9７
凝结时间，min 11 13 16 1９２１22
３。

（超)高水材料充填工艺系统设计
3。

1超高水材料充填工艺系统
结台超高水材料的基本性能和使用方法,首先运用专门的生产系统将A,B两种主料配合外加刑制成Ａ、B两种浆液,然后通过柱塞泵经管路分别输送至充填工作面,在即将到达采空区之前将两种浆液混合，最后运用相应的方法将混合浆液保持在采空区,凝固后的充填体控制上覆岩层，如图6
图6超高水材料充填系统工艺系统图
由图6可知，超高水材料充填工艺系统包括超高水材料制浆系统、输送系统和采空区充填三部分。

制浆系统有A、Ｂ两条生产线组成,由超高水材料的使用要求可知，两生产线布置方式完全相同,配制完成的单料浆分别放入相应的缓冲池。

输送系统由柱塞泵、输送管路和混合器组成。

待缓冲池内单料浆液累积到一定量后，同时开启A、B柱塞泵，经输送管路将A、B浆液输送到工作面附近的混合器，混合浆液最后经混合管到达采空区充填作业点。

（１）超高水材料制浆系统
超高水材料采空区充填现场实践时,由于采空区范围巨大,对浆液的需求量大,需要机械自动化较高的专用的浆液配制系统，因而系统应完全由可编程逻辑控制器（proｇrａmｍa ｂle lｏｇicｃoｎｔｒoller，PＬＣ)控制,从而确保超高水材料内部各组分严格的配比并提供足量的浆液.
单浆液配置系统工作原理图如图7所示:
图7单浆液配置系统工作原理图
表4超高水材料浆液配置系统生产周期表
(2）超高水材料浆液输送系统
在现场充填开采实践应用时,超高水材料从配制成浆液至混合,以及到使用点，都需通过管路来完成。

期间,浆液经历物理流动及水化反应的过程。

可见,浆液的流变性能影响着柱塞泵选型、管路形式及使用点应用方式等。

Ａ、Ａ、B单浆浆液流体流变性能
表5不同水体积单浆液表观粘度随时间的变化关系表
从表5可看出．不同水体积A、B单浆的粘度随时间变化不走.但随着永体积的减少.牯度有所增大．B浆随时间增加，粘度肼有增大的趋势。

从工程应川角度考虑.A、B单浆粘度仍属低粘度，时间对单浆流体影响不大,可视为牛顿流体,为超高水材料浆液长距离运输进提供了理论依据．
Ｂ、混合浆液流变性能
图8凝结时间为60min时混合浆液粘度随时间的变化情况超高水材料A、B单浆混台后发生水化反成并凝固.且能实现初凝时间在8~９0 rain之间的控需调整,不同水体积的混台浆液在凝结时间为6０ｍｉn时粘度随时间变化情况如图8所示。

由阿8可知，当混合浆液接近凝结时间时，其粘度各曲线出现拐点，之后粘度在极端时间内迅速攀升,混合浆液很快失去流动性,可见浆液已不再是牛顿体,此外在2/3凝结时间内超高水材料混合浆液的粘度很小且基本无变化，混合浆液的输送应该在2／3凝结时内完成，以免造成管路的堵塞。

Ｃ、浆液管路输送的临界速度
A、Ｂ单浆液在混合前及混合后2/3凝结时间内的浆液内,超高水材料与水没有发生水
化反应，属于固液两相流.实际应用时,通常浆液浓度、管路管径和长度根据实际情况而定,
重要的是确定管路内浆液的流速和柱塞泵的流速和柱塞泵的压力.
液同两相流的流动阻力特性与单相流完全不同,在管路管径和浆液浓度一定的情况下，流速很小时,固体颗粒沉积于骨底,水由沉积层表面漫过或从内部渗过;当流很太时,固体颗粒虽完全处于悬浮状态.但用于克服沿程阻力的能量消耗也很大；因此,最理想的状态是在一定流速条件下，浆液处于紊流状态,固体颗粒完全处于悬浮状态，为此消耗的能量和固液相流动消耗的能量总和最小,将此定为浆液管路输送的临界流速。

处于林杰流速时，浆液的沿程阻力处在流体的紊流光滑区,沿程能量损失只与流速大小有关，与管壁的相对粗糙度无关。

表6 不同水体积Ａ、B单浆液的不同临界速度
由表6知，A、Ｂ浆液比较稀薄时，在管径一定的条件下，由于固体颗粒完全处于悬浮状态，不同水体积的不同临界流速相差不大,随着颗粒浓度的增加略有不同,随着颗粒粒度粒的增加略有增加;随着输送管径的增大,不同临界的流速相应增大。

现场实践时,为防止特赦情况使固体颗粒不完全出于悬浮状态，管路内浆液实际流速应该在表6中加上０.３m／s。

Ｄ、柱塞泵压力计算
柱塞泵为浆液在管路内输送提供动力,而从克服浆液在输送过程中收到的各种阻力。

浆液在输送过程中处于紊流状态.期问的能量损失包括:①沿程损失,两相流体与管路内壁的摩
擦而导致的能量损失;②局部损失，流体通过局郎装置时由于流动方向的改变而造成的能量损失以及流体流动横截面积的变化引起的流体静水压头的增大或减小；③沿程管路中的障碍物也会引起更多的能量损失,超高水材料浆液输送过程中不会混有足够大的、能引起更多能量损失的障碍物，因此这种类型的能量损失可不必考虑。

因此柱塞泵的压力计算公式为P= ρɡ（h + h
）
w
(3）超高水材料工作面充填系统
工作面充填方式有采空区开放式充填、采空区袋式充填、混合式充填和分段阻隔式充填，在下文中将详细叙述。

整个工艺流程如下图9
图9超高水充填工艺流程
４、超高水材料采空区充填方法
将超高水材料浆液输送至工作面后,可通过以下两种方法将其保持在采空区并凝固：１利用超高水材料浆液良好的流动性令其自然流淌与漫溢,直至充整个采空区;2可通过管路将其导引至预先设置整个采空区的封闭空间爱你或袋包内，使其按照要求形成固行体。

这两种基本方法相互组合又可形成新的充填方法,其适应性更强. 目前,超高水材料采空区充填开采技术主要有开放式、袋式、混合式和分段阻隔式４种。

4。

1开放式充填法
该方法是指在仰斜开采条件下，对采空区不进行任何调控，完全利用超高水材料浆液的自流性将采空区充满，凝固后的充填体与垮矸以及围岩形成一个完整的结构体来控制上覆岩层活动,如图10所示。

图10开放式充填开采示意图
由图10可知,直接顶垮落步距大于采空区悬顶距离时,充填可使直接顶不垮，但开放式充填不考虑直接顶稳定与否,若直接顶垮落,超高水材料浆液仍可将垮矸间缝隙充满,阻止垮矸被压实,由此减小地表下沉率。

4。

１。

１充填过程分析
(1）首先根据充填开采工作面围岩条件并结合同煤层已开采工作面直接顶的垮落情况估算出该工作面直接顶垮落步距,然后结合煤层厚度、倾角以及赋存条件确定充填可否使直接顶不垮落。

（2)若开放式充填能使直接顶不垮落,自开切眼始,工作面推进距离接近直接顶垮落步距时，必须对采空区进行充填直至图10所示状态,之后随采随充.充填结束时,两巷起封闭墙,将采空区充满。

（3)若不能阻止直接顶垮落,则可根据地表的减沉要求及上覆岩层情况,进行若干(据实际情况而定）班采煤后将采空区垮矸间缝隙一次性充填。

充填结束时,处理方式同上.
4。

１。

2开放式充填优缺点
从以上分析可知,开放式充填的优点:１充填与开采互不影响,工作面产量不受充填工艺制约;２充填工艺简单，工作面支架不需改造;3直接顶垮落与否不影响充填工作,人员作业不在采空区,充填过程安全可靠;４充填速度快，与采煤同步；5人员需求少,劳动强度低,易于组织与管理；6充填后采空区密实效果很好，对采场顶底板突水、采空区浮煤自燃以及瓦斯突出有防控作用。

开放式充填的不足：当采高较大、煤层倾角较小或顶板条件不好时,充填难以阻止顶板垮落,从而导致井下充填效果不能直观地显现出来。

此外,当工作面涌水较大时,对充填效果有一定影响，需采取疏水措施。

４。

1．３适用条件
超高水材料采空区充填利用了超高水材料浆液的高流动性这一重要特点,工作面的煤层倾角越大越有利于超高水材料浆液的流动，也有利于提高超高水材料的充填率，从而更有利于控制上覆岩层活动。

但煤层倾角过大又不利于工作面进行采煤，故超高水材料开放式充填工艺适用于煤层倾角较大且可进行仰斜开采的工作面。

另外，在煤层倾角及采空区围岩条件一定的情况下,煤层回采厚度决定工作面后方的悬顶距离，直接顶不垮或充填减沉率较大时，就必须考虑可采煤厚或采取一定的措施。

4。

2袋(包）式充填法
该方法将超高水材料浆液通过管路充入预先在采空区设置好的充填袋内，使用凝固后的充填体控制上覆岩层活动,如图11所示。

图11袋（包)式开采示意图
4.２.1充填过程分析
该方法需要专门的充填支架,采煤与充填工作协调进行.
(1)根据煤层厚度、采煤进尺及围岩条件确定并制作一定尺寸的柔性充填袋。

(2)制作一定尺寸的柔性充填袋。

(3)用专用柔性管路把混合好的超高水材料浆液灌入充填袋内,凝固后形成充填体。

(4)袋内超高水材料固结体稳固后,采煤并前移支架，回采尺寸和充填袋宽度相近时停止采煤，支架后方架设充填袋并充填.如此循环,直至进行完整个工作面.
4。

2.２袋(包)式充填优缺点
从图3可知，袋式充填的优点:１能适用于现有大多数采煤方法与回采工艺条件下的采空区充填要求；2可直接控制直接顶,充填效果直观;盂受工作面涌水影响小。

此外,该方法还可根据需要进行两巷沿空留巷。

不足：1充填袋架设工序与劳动组织较复杂,工作量较大,对作业环节安全要求高;２充填与回采两工艺存在相互影响，配合管理技术要求高。

4.2.3使用条件
与开放式充填相比,袋式充填适用性更广，特别是对水平或近水平条件下的煤层有较好的适应性。

但在采高过大时，难以架设充填袋,不适宜运用袋式充填开采．
4。

3混合式充填法
该方法将袋(包）式充填和开放式充填相结合,采空区采用袋式充填,只要保证顶板短期内不跨即可,工作面推进一定距离后用充填袋将采空区未充填的部分封闭,然后向内充入超高水材料浆液,这种方法也适合于两巷沿空留巷，如图12所示.
图1２混合式充填示意图4。

3．１充填过程分析
（1）确定充填袋长度L
1与充填袋间隔距离L
2
,其值与采场参数、顶板岩层条件、煤层倾角
和采高等因素有关.
（2）将工作面分成若干区域,间隔布置充填袋如图１2所示。

(3)视情况对两充填袋之间的剩余空间进行开放式或封闭后充填。

4.3.2混合式充填优缺点及使用条件
混合式充填与袋式充填相比，减少了吊挂充填袋的工作量,提高了充填效率,降低了充填成本;与开放式充填相比，可应用于水平及近水平煤层,适应性增强。

混合式充填集合了两者的长处,改进了部分不足,但仍存在劳动组织较复杂、充填与开采相互影响等不足。

混合式充填也需要架设充填袋，适用于采高较小的充填工作面。

4。

４分段阻隔充填法
该方法是在工作面推进一定距离后,在工作面后方构筑一条隔离墙,然后将超高水材料浆液充入被隔离的采空区内,如图1３所示.。