高水材料充填开采考察报告2

与其它充填技术相比，(超)高水材料充填采煤具有以下优点：一是由于其用水量高，故所需固体材料少；一方面克服了煤矿固体充填材料缺乏的问题，另一方面简化了其他充填技术所需的庞大充填系统；由于所需固料少，对矿井辅助运输影响基本没有。二是充填系统简单且初期投资少，一般小于 500 万元；充填料浆以水为主，料浆流动性好，不易堵管，工作面不泌水。三是机械化程度高，充填速度快；充填与工作面回采互不影响，生产效率高。四是采空区充填密实性与饱满度较好，其硬度超过实体煤，可更好地控制地表沉降，地表沉降不会对建筑物造成破坏，在水体下开采时也不会造成水害。五是材料的95%以上是水，充填成本低，经济效益好。
二、（超）高水材料充填技术简介
（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。该材料能较好地适应“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、B两种材料构成，主要包括高铝水泥、石灰、石膏等组分，A料是以铝矾土等多种矿物按一定的比例混合烧制而成，B料以石膏等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，2h强度达2 MPa，24h达4 MPa，7d以后可达5MPa以上，具有很好的强度性能，且生成的固结体不收缩，也不可压缩，是一种理想的采空区及巷旁充填材料。
一、陶一矿矿井概况
陶一煤矿隶属于冀中能源邯矿集团，位于河北省邯郸市邯郸县西部边缘。陶一井田为邯邢煤田陶庄井田一部分，井田中部有邯郸—长治公路通过，北部有邯郸—武安公路、邯郸—长治铁路支线通过。井田范围内水文网发育，但没有大的河流，均为季节性冲沟，雨后很快流失。曹寨沟系地形标高介于+160～+220米左右，近南北向贯穿一条呈“y”字型干沟——庆水河，向东南至牛叫村与时令性的牛叫河汇合。于1970年建井，1976年7月建成投产。矿井开拓方式为主斜井、副立井单水平开拓，设计生产能力30万t/a，矿井受断层和火成岩影响较为严重，增加了掘进、采煤的施工难度。2009年核定生产能力为65万t/a，矿井现生产能力为70万t/a。
图10沿空留布置示意图
5堆料平台6排水沟7轨道8防爆开关
图5沿空留巷井下充填泵站布置
图6沿空留巷充填体与巷道平面位置示意图
图7沿空留巷充填体与巷道剖面位置示意图
图8沿空留巷梯形充填袋结构示意图
（二）袋式充填开采工艺技术性分析
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。
生产（超）高水材料的原料在我国非常丰富，且生产工艺简单。超高水材料具有早强快硬、两主料单浆(A 或B浆液)流动性好、初凝时间可调等特点。高水速凝充填材料水化反应后固化体主要形成钙矾石 (3CaO· ·3 ·32 )晶体，生成的固 结体具有亲水性，在水环境中不收缩不扩散，稳定性良好的特点，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℃以上)性能较差，即该材料不适于在干燥、开放、高温环境中使用。因此，（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。
（5）充填过程中，每个充填袋都需要有人专门进行观察，防止充填浆体直接冲击充填袋；
（6）充填袋充满后，将伸入充填袋内的分料管抽出，并将入浆口用塑料绳扎紧，并同时关闭此通路的阀门，然后将管路用高压水和(或)压风冲洗干净。
图2 浆液配置系统工作原理图
图3 袋（包）式开采示意图
图4 超高水充填工艺流程
11泵站2充填泵3过滤器4搅拌桶
（2）材料、人工及其他成本
每吨材料综合价约850元，与水混合后充填体积4-5m3，充填1m3约200元，以巷高4米为例，保留1米巷道材料费约2000元，考虑人工及其他成本每米巷道留巷成本约4000元，低于巷道掘进成本。
（3）增加煤炭回收率等优势
根据对陶一煤矿无煤柱开采的系统分析，沿空留巷可使该矿井回采率提高10%以上，巷道掘进率和巷道维修费可降低30%左右。沿空留巷技术可以大大减少矿井巷道掘进量、缓解采掘接替紧张、缩短工作面搬家时间、延长矿井服务年限等优点，具有明显的技术和经济效益，是煤矿开采及回采巷道支护技术的一项重大改革。
（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。
2、袋式充填优缺点
（1）袋式充填开采的优点：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；可直接控制直接顶，充填效果直观；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。
1、充填泵站
首先按照充填空间的测算和经验确定充填方数；按照日检流程进行检修后，进行试制浆，制浆量为储浆池的90%；打开渣浆泵；观察流量计，调节阀门，使得双管流量匹配；然后进行制浆、输送的正常阶段；结束后采用高压水和（或）高压风进行管路的清洗。
2、充填工作面
（1）量测充填区域的尺寸，然后计算充填总数料充填技术经历了开放式充填和袋式充填两个阶段，现陶一煤矿使用的袋式充填技术具有国际领先水平。其工艺流程见视频。
（一）袋式充填技术工艺流程
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输送管路，将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。
（二）对嘉乐泉煤矿狮子河下高价值煤层充填开采进行论证
嘉乐泉煤矿8#煤资源接近枯竭，开采9#煤层亏损巨大。开采狮子河下高价值煤层对延长矿井寿命、改善企业经济状况具有重要意义。狮子河是一条季节性河流，平常水量不大。可联合相关科研院校、兄弟单位对河流下采煤进行研究。
（三）龙泉煤矿、神州煤业等高瓦斯矿井积极探索Y型通风
（2）材料、人工及其他成本
每吨材料综合价约850元，与水混合后充填体积6.5-7m3，折合每吨充填费用约70元，考虑人工、模板和充填袋费用每吨费用约85元。
2、袋式充填沿空留巷工艺经济性分析
（1）装备投资
沿空留巷可在井下设注浆泵站，使用双液柱塞泵，合计费用包括管路约50万元。工作面可用单体液压支柱和箱型梁支护，不需另外增加成本。
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。
（三）袋式充填开采工艺经济性分析
1、袋式充填开采工艺经济性分析
（1）装备投资
泵站及管路投资约1000万元；以采高4米的重型支架为例，每架40万元，150米长工作面需100架支架，支架投资4000万元。
矿井水文地质类型：中等，矿井正常涌水量474.4m3/h左右，最大涌水量为788m3/h。属于高瓦斯矿井。深部地区有动力现象，按照煤与瓦斯突出矿井管理，地面设有永久瓦斯抽放泵站。主采煤层2#煤层为三类不易自燃煤层，煤尘不具有爆炸性。
陶一煤矿自投产以来，主采2#煤层，煤层厚3.33米。煤层中有夹石一层，为0.05～0.74米的含炭细粉砂岩。顶底板以粉砂岩为主，局部为中细砂岩。
（2）清理掉倒塌的充填体及冒落的矸石，将充填区域底板清理平整；老空方向出现尖锐冒矸时，需采取措施严禁尖锐冒矸与包体直接接触；
（3）挂设充填袋时，尽量要先挂前上方，再挂后上方，之后固定中前方，待挂设完成后，将充填袋拉直拽平，使得充填袋紧贴四周固定体（支架或充填体）；
（4）开始充填时，先观察充填浆体的变化，当目测浆体达到要求时，方可将充填管伸入充填入口内，并扎紧；
不足: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；充填与回采两工艺存在相互影响，配合管理技术要求高。
（2）袋式充填沿空留巷的优点：充填体的护巷效果显著，由于充填体早期强度发展迅速，能够有效地支撑巷道上方的顶板，充分发挥巷旁支护对顶板“顶”的作用，大大减轻了巷道内支架承受的载荷；充填体本身良好的硬度性能使顶板切落性好，从而改善了沿空留区域的力学状态；巷道的断面收缩率小，通常在12%～24%之间（视围岩状况有所不同），这样巷道只需简单的维修就可以复用；充填体隔离采空区的作用效果好。每百米漏风率平均为1.4%，这样有效地防止了采空区煤的自燃和有害气体的溢出。
四、对集团公司在超高水材料应用方面的几点建议
（一）在全公司范围内推广沿空留巷无煤柱开采技术
沿空留巷技术经过几十年的发展，其理论是非常成熟的，具有良好的适应性。特别是高水材料的使用，为沿空留巷的推广开辟了广阔途径。在河北、山东、河南的大部分矿井，沿空留巷技术已得到普遍应用。
集团公司可以选择条件较好的矿井进行试点，待取得经验后在全公司推广。
图12#煤层综合柱状图
从2007年开始，陶一煤矿在12701综采工作面试验沿空留巷，获得成功。2008年以来，陶一煤矿采用综合机械化充填开采法开采井田范围内村庄下、铁路下、河流下压煤，共采出煤炭约600万吨。现煤炭资源已枯竭，矿井已进入收尾阶段，预计2015年年底闭井。
超高水材料充填开采技术2011年荣获中国煤炭工业协会科技成果一等奖；2012年获河北省政府科技成果一等奖。陶一煤矿2013年4月被中华人民共和国能源部授予国级绿色矿山建设示范矿井，2014年被评为全国煤矿安全高效矿井。
赴冀中能源邯矿集团陶一矿
（超）高水材料充填技术考察报告
集团公司（超）高水材料充填技术考察组
2015年3月30日
赴冀中能源邯矿集团陶一矿（超）高水材料充填技术